基于FLAC3D的邊坡滲流模擬及穩(wěn)定性分析

羅　群　劉維森

(1.長沙市中等城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)技術(shù)學校,湖南 長沙　410000；　2.中國人壽財產(chǎn)保險長沙市中心支公司，湖南 長沙　410000)

1　概述

水對邊坡穩(wěn)定性具有重要的影響。一方面，孔隙水壓力使土體的有效應(yīng)力降低，影響了土體的抗剪強度，從而降低了邊坡的穩(wěn)定性。另一方面，孔隙水的重力產(chǎn)生使邊坡土體下滑的作用效果，這部分的力對邊坡穩(wěn)定性的影響更為明顯。通常，孔隙水壓力采用滲流場進行模擬。蔣中明等[1]采用FLAC3D軟件分析了邊坡在非飽和條件下的穩(wěn)定性計算方法。對于礦山邊坡，于振等[2]采用FLAC3D軟件計算了應(yīng)力和滲流耦合作用下的穩(wěn)定性。王偉興等[3]結(jié)合Geo-Studio和FLAC2D分析了邊坡的流固耦合效應(yīng)。基于離散單元法，關(guān)千軍[4]采用UDEC軟件研究了滲流對巖質(zhì)裂隙邊坡的穩(wěn)定性影響。

邊坡穩(wěn)定性計算的商業(yè)軟件均嵌入了分析滲流場作用的模塊。例如，F(xiàn)LAC3D采用configure fluid命令進入滲流求解模式[5]；Geo-Studio中的Seep/W模塊模擬滲流場。在實際的使用中，不同邊界條件的處理對滲流的計算效果有較為明顯的差別。本文基于FLAC3D有限差分軟件，計算分析了不同滲流邊界條件對計算結(jié)果的影響，以期對邊坡的設(shè)計和施工提供一些參考。

2　FLAC3D滲流耦合的計算方法

流固耦合作用的模擬是數(shù)值模擬方法中比較復(fù)雜的問題。FLAC3D在滲流計算方面具有一些優(yōu)勢，可以在設(shè)定流體介質(zhì)和土體介質(zhì)滲流參數(shù)的情況下，模擬得到合理的滲流場。同時，借助于耦合模型，能夠?qū)⒖讐鹤兓鸬膽?yīng)力場影響進行分析計算。此外，滲流邊界條件對流場的影響也較為顯著。

2.1　滲流分析的參數(shù)設(shè)置

在FLAC3D滲流模式下，需要設(shè)置的參數(shù)包括：滲透系數(shù)、流體密度。除此之外，對于顆?？梢詨嚎s的土體，需要設(shè)置比奧系數(shù)和比奧模量；對于不可壓縮的土體，需要設(shè)置流體的體積模量和孔隙率。如軟土地基堆載等情況，需將土體視為可壓縮土體。邊坡穩(wěn)態(tài)分析中，通常將土體簡化為不可壓縮土體，主要反映出孔隙水的重力作用對邊坡穩(wěn)定性的影響。此外，穩(wěn)態(tài)分析中，采用較低的流體模量可以加快滲流計算的收斂。

2.2　流體邊界

通常采用的流體邊界有兩種：不透水邊界和透水邊界。兩者最大的區(qū)別在于不透水邊界上的孔壓值可以自由變化，而透水邊界上的孔壓值是固定的。FLAC3D默認邊界為不透水邊界。而在實際穩(wěn)定滲流情況下，邊坡的邊界上的孔壓值經(jīng)常是是固定不變的，這就需要將邊界設(shè)置為透水邊界。在FLAC3D中，透水邊界可以采用fix或apply命令進行設(shè)置，命令如下：

{fix pp孔壓值(可省略)range節(jié)點范圍}；或{apply pp孔壓值range節(jié)點范圍}。

fix命令需要和initial pp命令聯(lián)合使用。在apply命令中可以采用grad關(guān)鍵詞來表示孔壓的變化情況，或者采用hist來定義隨時間變化的孔壓值。需要注意的是，在坡面(斜面)為透水邊界的情況下，節(jié)點范圍指定在該坡面上的命令如下：

{apply pp 0 range plane normal-1 0 1 origin 0 0 0 z 0 10}。

該命令中，坡面平面采用normal和origin這兩個向量參數(shù)進行指定，范圍限制在z向0 m～10 m范圍內(nèi)的平面。

3　安全系數(shù)計算結(jié)果對比

在分析邊坡穩(wěn)定性分析中，可以采用固定孔壓的方法進行有效應(yīng)力的分析，或者采用數(shù)值模擬所得到的穩(wěn)定流場進行計算分析。相比較滲流耦合的方法，固定孔壓方法能夠節(jié)省大量的計算時間。本文分別采用固定孔壓方式和穩(wěn)定流場兩種模式進行分析邊坡穩(wěn)定性。

建立如圖1所示的模型。邊坡高度為10 m，坡角為45°。h為右側(cè)邊界水位距坡趾的距離。分別選取三種計算條件，即h=-0.25 m，0 m，5 m。在h=5 m的情況下，即坡體外水壓對坡面具有一定的作用效果。這部分力對邊坡產(chǎn)生反壓作用。本文采用applynstress命令，將水壓力視為法向力作用于坡面，從而模擬這部分的作用效果。

表1　計算參數(shù)取值表

固定孔壓情況下的計算過程為：

1)生成初始應(yīng)力場，位移場清零。2)采用water table命令生成水面，水面以下的孔壓由程序自動計算完成。該計算條件下，不需要打開config fluid模式。3)采用強度折減法和二分算法，計算邊坡的安全系數(shù)，程序自動計算得到邊坡在臨界狀態(tài)下的滑移面。穩(wěn)定滲流場情況下的計算過程為：1)生成初始應(yīng)力場，位移場清零。2)打開config fluid滲流模式。采用initial pp命令指定邊界孔壓分布情況，通過fix或apply命令將邊界設(shè)置為透水條件，即固定邊界處的孔壓。3)關(guān)閉應(yīng)力計算模式，計算穩(wěn)定滲流場。命令為：set fluid on mech off。4)關(guān)閉滲流場計算，打開應(yīng)力場模式，同時將流體模量設(shè)置為0，避免應(yīng)力變化再次引起孔壓的變化。

兩種模式下，均采用強度折減法和二分算法，計算得到邊坡的安全系數(shù)。在不同水頭情況下，邊坡的安全系數(shù)計算結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，采用滲流耦合方法計算得到的安全系數(shù)略小于固定孔壓模式。其原因是，滲流模式的孔壓值略大于固定孔壓模式。此外，隨著邊坡外水面的升高，邊坡的安全系數(shù)在增大。特別是h=5 m的情況，邊坡外水的反壓作用比較明顯，安全系數(shù)有明顯的提高。圖2，圖3為流場的等值線云圖。圖4，圖5分別是h=0和h=5 m情況下的剪切應(yīng)變增量云圖，圖中存在明顯的剪切帶，即為邊坡的滑移面。從圖4和圖5中可以看出，隨著坡體外水位的增高，滑移面具有明顯的變化。h=5 m時，邊坡的滑移范圍擴大，滑移面有可能越過坡趾，形成垮塌。

表2　安全系數(shù)計算結(jié)果對比

4　結(jié)語

基于FLAC3D分析軟件，模擬了邊坡的滲流場。對于滲流場邊界的設(shè)置方法以及需要注意的問題進行了說明。分別計算并討論了不同流場邊界條件對滲流場的影響。結(jié)合強度折減法，計算了固定孔壓模式和穩(wěn)定滲流模式兩種情況下邊坡的安全系數(shù)。計算結(jié)果表明滲流耦合方法計算得到的安全系數(shù)略小于固定孔壓模式。此外，坡體外水壓對坡面的反壓效果比較明顯，安全系數(shù)增大，且潛在的滑移面變化較大。

參考文獻: