基于FLAC3D的某電站邊坡穩(wěn)定計算參數分析

鄶君

（遼寧省水利工程技術審核與造價管理中心，遼寧 沈陽 110003）

某水電站大壩下游右岸開挖時發(fā)生滑坡，滑坡土石方量約為4×104m3。經多次現(xiàn)場調查，發(fā)現(xiàn)滑坡范圍繼續(xù)擴大，滑坡體后緣約447 m高程和480 m高程處均有裂縫，裂縫最大寬度約為10 cm，且在整個邊坡范圍內發(fā)現(xiàn)多處裂縫并有加大趨勢。鉆孔資料顯示邊坡覆蓋層主要為碎石混合土，擋墻開挖時，開挖深度內全部為碎石混合土，深度為10 m，基巖埋藏較深，為中等風化的熔巖凝灰?guī)r。

為保障設計和施工安全，需要對開挖的右岸邊坡進行穩(wěn)定分析，因此文中采用FLAC3D數值模擬方法，選擇穩(wěn)定性最差的設計剖面為典型計算剖面，分析了邊坡穩(wěn)定參數的敏感性，進而確定了該邊坡穩(wěn)定分析的參數選擇方法。

1 FLAC3D模型

FLAC 3D模型由美國I-TASCA咨詢集團于1986年研制推出，該模型采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術，對模擬材料的塑性破壞和流動精度較高。因為不需要形成剛度矩陣，所以對計算機要求相對較低，在求解大數量單元體的三維問題上有較明顯的優(yōu)勢[1-2]。

FLAC3D模型與多數有限元軟件相似，主要通過大量的單元體來模擬實際的結構，能夠進行各種材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析。單元材料的本構模型不受線性和非線性限制，在外力作用下，當材料發(fā)生屈服流動后，網格能夠相應發(fā)生變形和移動。

2 參數敏感性分析

邊坡穩(wěn)定敏感度是指穩(wěn)定系數變化的百分率與參數變化的百分率的比值，敏感度系數越高，表示穩(wěn)定系數對該參數的敏感程度越高。本文主要針對某電站壩下右岸邊坡碎石土的粘聚力、內摩擦角和剪脹角等參數進行多個單因素的敏感性分析，確定穩(wěn)定系數與有關參數變化的關系，從中找出影響邊坡穩(wěn)定的關鍵參數，進而指導邊坡工程設計。

2.1 粘聚力的影響

計算確定粘聚力變化區(qū)間為[4 kpa，64 kpa]，變化梯度 Kc，即Ci=KcCi-1，其中Ci和Ci-1為第 i步變化對應的粘聚力和第i-1步變化對應的粘聚力。得到邊坡安全系數與粘聚力的變化關系如表1。從表中可以看出，穩(wěn)定系數對粘聚力的敏感度系數均為正值，表明穩(wěn)定安全系數與粘聚力呈同方向變化。粘聚力由16～32 kPa變化時，敏感度系數最大，在該區(qū)間變化時對穩(wěn)定系數的影響最大。另外，隨著粘聚力的增大，邊坡穩(wěn)定安全系數也顯著增大。從圖1可以看出，對于碎石土邊坡粘聚力越小，所得到的塑性區(qū)范圍越小越狹窄，滑動面越接近坡面。穩(wěn)定系數隨粘聚力的變化曲線如圖1。

表1 粘聚力與穩(wěn)定系數的關系

圖1 安全系數隨粘聚力變化的曲線

2.2 摩擦角的影響

分別對摩擦角為10°，15°，20°，25°，30°時邊坡進行穩(wěn)定計算，得到的穩(wěn)定系數、敏感度系數與摩擦角之間的關系如表2。從表中可以看出，穩(wěn)定系數對摩擦角的敏感度系數均為正值，表明穩(wěn)定安全系數與摩擦角呈同方向變化。摩擦角由[10°,15°]及[20°,25°]兩個區(qū)間變化時，敏感度系數較大，對穩(wěn)定系數的影響較大。隨著摩擦角的增大，邊坡穩(wěn)定安全系數也顯著增大。

表2 摩擦角與穩(wěn)定系數的關系

圖2給出不同摩擦角時邊坡發(fā)生破壞時的塑性應變分布?？梢钥闯鏊苄云茐膮^(qū)的形狀和分布與摩擦角的大小有很大關系，摩擦角越大，所得到的塑性破壞區(qū)范圍越小。另外破壞滑動面的位置與摩擦角的大小也有很大關系，摩擦角越大，破壞時形成的滑動圓弧越小所造成的破壞也越小，摩擦角很小時，滑動圓弧深度越大，離坡面越遠，這與粘聚力對滑動面位置的影響完全相反。

圖2 安全系數隨粘聚力變化的曲線

2.3 剪脹角的影響

在設計中，邊坡穩(wěn)定分析最常用的極限平衡法，該方法不考慮材料的剪脹性。常用的以極限分析法為基礎的邊坡穩(wěn)定計算程序，都是假定剪脹角等于材料的內摩擦角，即ψ=φ。但是，大量的試驗結果表明，剪脹角要比內摩擦角低很多。數值分析方法可以建立在非關聯(lián)流動法則基礎上，將剪脹角的影響考慮到邊坡穩(wěn)定計算中。在大多數土工數值計算中，往往只考慮了兩種極限情況，即剪脹角等于摩擦角和剪脹角等于零兩種狀態(tài)，很少考慮剪脹角在零與摩擦角之間變化的情況。結合電站邊坡實際，針對不同的剪脹角進行數值計算，給出不同剪脹角下的穩(wěn)定系數及敏感度系數如表3所示。穩(wěn)定系數隨剪脹角變化曲線如圖3。

表3 剪脹角與穩(wěn)定系數的關系

圖3 安全系數隨剪脹角變化的曲線

計算結果表明：穩(wěn)定系數隨剪脹角增大而增大。從敏感度系數的變化來看，穩(wěn)定系數對剪脹角的變化敏感性較小。剪脹角一般在[0°,20°]區(qū)間內變化，其對穩(wěn)定系數的影響是有限的。

3 參數的確定方法

由上述模擬分析可以看出，粘聚力、摩擦角均對邊坡穩(wěn)定的安全系數影響較大，其中摩擦角的影響最大。剪脹角對穩(wěn)定系數影響較小。在進行邊坡穩(wěn)定分析前，需進行科學合理的參數選擇，尤其對粘聚力和摩擦角的選取應慎重。

穩(wěn)定性計算所需的粘聚力、摩擦角、剪脹角參數一般可采用工程地質類比法、現(xiàn)場直剪試驗法、現(xiàn)場取樣室內直剪試驗法等手段獲得[3-4]。

水利工程邊坡地質條件復雜，進行大規(guī)模的現(xiàn)場直剪試驗難度較大且不經濟。因此，根據某電站工程建設的實際情況，結合各參數的敏感性分析結論，根據我國其它行業(yè)的作法及大量現(xiàn)場試驗，綜合采用試驗、工程地質類比和反演分析等方法確定了某電站邊坡土體的粘聚力和內摩擦角，采用反演分析法確定了剪脹角。根據施工期間反饋的地質資料和安全監(jiān)測資料，對參數進行了必要的修正。

4 結論

文中采用FLAC 3D模型對邊坡穩(wěn)定參數的敏感性進行分析，并結合敏感性分析結果，確定了某邊坡穩(wěn)定分析參數選擇的方法，主要結論如下：

1）隨著粘聚力增大安全系數增幅明顯加大。

2）摩擦角對滑動面的深度和穩(wěn)定系數的影響主要有如下表現(xiàn)：摩擦角較小時，穩(wěn)定系數較小，滑動面的深度較大；摩擦角增大時，穩(wěn)定系數增大，滑動面的深度較淺。

3）剪脹角的增大會提高邊坡的穩(wěn)定系數，但是影響范圍有限。

4）根據邊坡力學參數的敏感性分析結果，按其對邊坡穩(wěn)定性影響的重要性排序為：摩擦角φ、粘聚力c、剪脹角ψ。

5）邊坡穩(wěn)定性力學參數的確定應采用多次的動態(tài)的方法獲得，其獲得的過程應貫穿邊坡設計的全生命周期中，需綜合應用工程地質類比法、區(qū)域調查分析法、現(xiàn)場直剪試驗、取樣室內試驗法、反演分析法等多種方法。