FLAC 在順層邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中的對(duì)比應(yīng)用

李洪碧 耿海洋

(1.內(nèi)江師范學(xué)院，四川 內(nèi)江 641112;2.四川省清源工程咨詢有限公司，四川 成都 610072)

0 引言

目前土建工程中常遇到邊坡穩(wěn)定與支護(hù)等問(wèn)題，我們對(duì)常見(jiàn)的邊坡按照組成地層巖性分類分為巖質(zhì)邊坡與土質(zhì)邊坡;對(duì)于巖質(zhì)邊坡按照巖層結(jié)構(gòu)分為:層狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)邊坡;巖質(zhì)邊坡的破壞形式有滑坡、塌滑、崩塌、剝落等［1］;影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定的因素主要分為內(nèi)因和外因，內(nèi)因:巖土性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、巖土結(jié)構(gòu)、水的作用、地震作用、地應(yīng)力和殘余應(yīng)力等，外因:工程荷載條件、振動(dòng)、斜坡形態(tài)及風(fēng)化等;對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)應(yīng)根據(jù)其地形地貌、形態(tài)特征、地層條件、地下水條件和出露位置等因素綜合確定。當(dāng)前對(duì)于邊坡的安全穩(wěn)定性分析有多種方法可以采用，常見(jiàn)的有數(shù)值分析法及極限平衡法等，文中采用的是數(shù)值分析法中的顯示數(shù)值差分法，來(lái)分析一個(gè)順層巖質(zhì)邊坡的安全穩(wěn)定性，采用極限平衡法的結(jié)果做對(duì)比。

1 FLAC理論

1.1 FLAC 簡(jiǎn)介

近年來(lái)數(shù)值模擬方法隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步有較快的發(fā)展，文中采用的顯示數(shù)值差分程序是FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continuum)——“快速拉格朗日差分分析”。

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是由Itasca公司研發(fā)推出的連續(xù)介質(zhì)力力學(xué)分析軟件，是國(guó)際通用的巖土工程專業(yè)分析軟件，具有強(qiáng)大的計(jì)算功能和廣泛的模擬能力，尤其在大變形問(wèn)題的分析方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［2］。軟件提供的針對(duì)巖土體和支護(hù)體系的各種本構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)單元更突出了FLAC的“專業(yè)”特性，在國(guó)際土木工程(尤其是巖土工程)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界享有盛譽(yù)。

FLAC程序主要是為巖土工程應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的巖石力學(xué)計(jì)算程序，程序中包括了反映巖土材料力學(xué)效應(yīng)的特殊計(jì)算功能，可解算巖土類材料的高度非線性(包括應(yīng)變硬化/軟化)、不可逆剪切破壞和壓密、粘彈(蠕變)、孔隙介質(zhì)的固—流耦合、熱—力耦合以及動(dòng)力學(xué)行為等。

圖1 基本顯式計(jì)算循環(huán)圖

1.2 計(jì)算原理

FLAC計(jì)算時(shí)用戶先將模型分成由四邊形單元組成的有限差分網(wǎng)格，F(xiàn)LAC程序再將每個(gè)單元生成兩組重合的三角形單元。在外力的作用下單元根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系，單元應(yīng)力會(huì)發(fā)生改變，同時(shí)引起材料的變形。計(jì)算過(guò)程是首先調(diào)用運(yùn)動(dòng)方程，從應(yīng)力和外力導(dǎo)出了新的速度和位移，然后根據(jù)速度導(dǎo)出應(yīng)變速率，以及由應(yīng)變速率得出新的應(yīng)力［3］，見(jiàn)圖1。在計(jì)算時(shí)FLAC采用盡可能小的時(shí)步，假設(shè)每個(gè)單元的變形尚未傳遞到相鄰單元，在這種假設(shè)下經(jīng)多次循環(huán)，得出最弱結(jié)果。

1.3 FLAC程序的優(yōu)、缺點(diǎn)

1)對(duì)于模擬塑性大變形及流動(dòng)模型時(shí)采用了混合單元離散模型;2)對(duì)于靜態(tài)系統(tǒng)也采用了動(dòng)態(tài)方程，使得FLAC可以模擬物理不穩(wěn)定進(jìn)程;3)顯式解決方案使得對(duì)于非線性應(yīng)力—應(yīng)變法則與線性法則相比同樣快速;4)對(duì)于不同本構(gòu)模型不用調(diào)用不同的算法;5)FLAC的不足有對(duì)比線性模擬更適用于處理非線性或大應(yīng)變問(wèn)題［3］。

2 工程實(shí)例

2.1 工程簡(jiǎn)介

工程為某水電站壩址右岸邊坡，邊坡走向N33°W，傾向NE∠57°，平均坡度∠42°，平均坡高220 m;巖性為灰色～灰黑色，中厚層狀變質(zhì)砂巖夾中薄層狀板巖;巖層產(chǎn)狀:N40°W/NE∠40°～46°，優(yōu)勢(shì)節(jié)理發(fā)育有兩組:1)N77°E/SE∠64°，節(jié)理面平直，微粗糙，間距5 cm～20 cm，延伸長(zhǎng)度5 m～8 m，多充填有0.5 mm～3 mm的石英脈;2)N27°E/NW∠66°，節(jié)理面微起伏，粗糙，間距0.5 m～1 m，延伸長(zhǎng)3 m～5 m，閉合無(wú)充填。坡體表面局部分布覆蓋層，主要為崩坡積塊碎石及沖洪積的含漂砂卵礫石層，覆蓋層主要分布在河床及坡腳位置，勘探揭示最大厚度為12.0 m，見(jiàn)圖2～圖5。壩址的地震水平峰值加速度為0.1g，地震基本烈度為7度。

圖2 工程地質(zhì)平面圖

2.2 計(jì)算參數(shù)確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察，對(duì)巖土體取樣做室內(nèi)試驗(yàn)，得到的邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 節(jié)理裂隙及坡面產(chǎn)狀赤平投影

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，確定各勘探剖面在邊坡體中的位置，考慮邊坡體實(shí)際情況，確定典型計(jì)算剖面，見(jiàn)圖6。

圖4 順層巖體變形破壞現(xiàn)狀

圖5 巖層構(gòu)造

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)表

圖6 典型剖面圖

2.3 計(jì)算工況及荷載組合

由于水電站在運(yùn)行期間水位的變化及自然因素影響，所以要考慮多種工況下的邊坡穩(wěn)定，特選取以下幾種可能工況及荷載組合來(lái)校驗(yàn)邊坡安全系數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 工況組合

2.4 計(jì)算模型

由于本工程所涉及的為巖質(zhì)邊坡，巖體有明顯的層理、軟弱夾層發(fā)育，層理傾向?yàn)轫樒孪?，因此?duì)邊坡做穩(wěn)定性分析時(shí)要考慮到層面的影響，本邊坡巖體層理發(fā)育的影響，造成順層面方向抗剪強(qiáng)度較垂直層面方向小，巖石將沿抗剪強(qiáng)度較小的方向破壞，在建立邊坡計(jì)算模型時(shí)基巖材料要采用各向異性材料——節(jié)理化模型，見(jiàn)圖7，圖8，軟弱面的搜索采用拆線破壞面求解。

圖7 極限平衡法計(jì)算模型

圖8 FLAC計(jì)算模型

2.5 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)土工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別采用極限平衡法和顯式有限差分法的計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 不同計(jì)算方法下安全系數(shù)K值

通過(guò)對(duì)所得安全系數(shù)可見(jiàn)兩種方法的結(jié)果偏差在6.2%以內(nèi)，最小誤差為2.8%，滑動(dòng)破壞面及工程量也基本一致，F(xiàn)LAC計(jì)算結(jié)果與工程現(xiàn)場(chǎng)勘察較為相符，計(jì)算結(jié)果具有一定的可靠性。

3 結(jié)論與建議

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果對(duì)比得出結(jié)論如下:

1)FLAC可以用于均質(zhì)各向異性巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析;

2)FLAC的計(jì)算結(jié)果與極限平衡法計(jì)算的結(jié)果接近，分析成果合理;

3)FLAC的計(jì)算結(jié)果可以作為對(duì)比應(yīng)用，此邊坡在蓄水后安全性較差，若在此建壩，建議對(duì)邊坡采取支護(hù)處理。

［1］《工程地質(zhì)手冊(cè)》編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.第4版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

［2］Flac Help，F(xiàn)lac隨機(jī)指南手冊(cè)［Z］.

［3］劉 波，［美］韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［4］魏繼紅，吳繼敏，孫少銳，等.FLAC3D在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，2005(2):89-92.

［5］馬 聰，譚躍虎，何世海，等.卡拉水電站田三滑坡體風(fēng)險(xiǎn)分 析［J］.巖土工程技術(shù)，2011(4):11-15.