基于次級滑動面搜索方法對海堤穩(wěn)定性的研究

摘 要：在臨海地區(qū)電廠工程建設(shè)中往往需要分析煤場堆煤對海堤穩(wěn)定性的影響。相比于煤堆下土層的破壞，海堤失穩(wěn)屬于次級滑動，然而基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的有限單元法和有限差分法往往只能搜索最危險滑動面，提出一種次級滑動面搜索方法來彌補此類方法的不足并應(yīng)用于工程實例，其結(jié)果與極限平衡法結(jié)果相符，由此論證該方法的合理性和可行性。

關(guān)鍵詞：次級滑動面 海堤穩(wěn)定性 FLAC3D

中圖分類號：TU45 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）010-110-04

1 引言

穩(wěn)定性分析方法包括極限平衡法（LEM）和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)法（CMM；有限單元法FEM、有限差分法FDM）。極限平衡法的模型是一系列被看作剛體的垂直條塊（棱柱）沿滑動帶（面）緩慢地滑動，邊坡內(nèi)不同位置的潛在滑動互不影響，所以可以分開獨立分析最危險滑動面以及次級滑動面。連續(xù)介質(zhì)力學(xué)法的模型是一個可變形帶邊界的整體，模型中任意一點應(yīng)力超過強度的多余應(yīng)力被周圍點所分擔(dān)，當(dāng)足夠的點達到屈服強度后滑動面貫通，故而邊坡總是在最危險滑動面破壞，使得次級滑動面的分析無法進行。然而有些情形下對次級滑動面的分析更為重要，甚至應(yīng)作為關(guān)注的焦點，例如某臨海電廠工程煤場內(nèi)堆煤，最先破壞的是煤堆下的淤泥（質(zhì)）土，而人們關(guān)注的重點是海堤自身的穩(wěn)定性是否會受堆煤的影響以及煤場與海堤是否可能形成超大規(guī)模的弧線滑動。

本文以有限差分軟件FLAC3D來闡述在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)法中搜索次級滑動面（Subordinate Slips Search，以下簡寫SSS）的方法并應(yīng)用于工程實例，將其分析結(jié)果與極限平衡法分析結(jié)果進行對比，以此來說明方法的可行性和合理性。

2 次級滑動面搜索方法

2.1 小例

見圖1簡單二級均質(zhì)土坡（土層參數(shù)如表1），除上下級臺階分別存在一個潛在滑動面外，邊坡還存在一個整體潛在滑動面，且如果發(fā)生破壞，則下級臺階最先滑動?，F(xiàn)在假設(shè)我們更關(guān)注上級臺階抑或整體邊坡的次級滑動，用次級滑動面搜索方法來分析。

2.2 次級滑動面搜索方法結(jié)果

次級滑動面搜索方法（下節(jié)詳述）結(jié)果與極限平衡法結(jié)果對比如表2，次級滑動面搜索方法得到各級滑動面如圖2-圖4，兩種方法的潛在滑動面位置、形狀的對比見圖5。需要說明的是FLAC3D中是以剪切應(yīng)變率（Shear Strain Rate）的量級是否相同來判定滑動面的貫通情況，進而才能斷定是否存在潛在的滑動。當(dāng)剪切應(yīng)變率大小達到1e-3量級以上時，則可判定滑動已發(fā)生，模型失穩(wěn)。依據(jù)Shukha等考慮極限平衡法的三維影響，表2中對應(yīng)欄安全系數(shù)值乘1.1。

2.3 次級滑動面搜索方法原理

3 工程實例

以福建某臨海電廠工程中的海堤與煤場工程為例，廠區(qū)存在兩個海堤（新老堤）如圖7，老堤主要為抵抗臨海海水沖擊，新堤作日常道路使用，新老堤之間堆煤。為充分利用空間堆煤，需要評估煤堆（14m堆高）與海堤距離僅9m時，煤堆是否會威脅海堤的穩(wěn)定。土層參數(shù)如表3，在十幾米煤堆壓力下土層③必然發(fā)生大尺度固結(jié)沉降，故而海堤失穩(wěn)相對于它是次級滑動，所以可以用次級滑動面搜索方法來分析。

如圖8，在煤場堆煤后除了出現(xiàn)土層大尺度固結(jié)沉降外，煤堆兩側(cè)堆腳土層也已發(fā)生破壞并被擠出，其剪切應(yīng)變率量級已達1e-1，模型在數(shù)值分析中早已破壞，似乎很難分析海堤的穩(wěn)定性。依照前面提出的次級滑動面搜索方法分析出的煤場堆煤后海堤的穩(wěn)定性（圖9），與未堆煤的海堤的穩(wěn)定性（圖10）相比，可以看出海堤穩(wěn)定性的確受到煤堆的影響，其潛在滑動面右移，范圍擴大。而通過比較圖9、圖10中海堤的剪切應(yīng)變率值和量級可以看出：盡管受煤堆影響，海堤依然穩(wěn)定。由此可以斷定此時海堤與煤堆的距離是可接受的。

本工程共選取5個代表性剖面且考慮了多種工況，而受篇幅所限，本文中僅給出次級滑動面搜索方法分析結(jié)果（表4）。表4中次級滑動面搜索方法分析的穩(wěn)定性系數(shù)是極限平衡法計算的1.08～1.2倍，這是次級滑動面搜索方法相對于極限平衡法（二維）的三維影響。

4 結(jié)論

本文提出一種次級滑動面搜索方法并輔以工程實例佐證，得出以下結(jié)論：

（1）在臨海電廠工程中的煤場工程中次級潛在滑動面是關(guān)注重點，然而基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的有限單元法和有限差分法卻往往只能分析最危險的滑動面。本文提出一種次級滑動面搜索方法彌補上述不足，其結(jié)果與極限平衡法分析結(jié)果相符，說明該方法可行、可靠。

（2）FLAC3D中剪切應(yīng)變率分布圖為確定滑動面的形狀和位置及其對應(yīng)的安全系數(shù)提供了有效的依據(jù)，是次級滑動面搜索方法的重要組成部分。

（3）次級滑動面搜索方法是分析諸如臨海電廠工程中煤場堆煤下海堤穩(wěn)定性的有效手段。

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