分布不均勻性對(duì)渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果的影響

孫國(guó)梅

(喀左縣水利勘測(cè)設(shè)計(jì)隊(duì),遼寧 朝陽(yáng) 122300)

1 研究背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，水利工程建設(shè)迎來(lái)一波新的建設(shè)高潮。在水利工程施工中往往需要進(jìn)行大量的土石方開(kāi)挖，進(jìn)而產(chǎn)生數(shù)量巨大的棄渣，這些棄渣一般由松散的土體和碎石構(gòu)成，具有非飽和、欠密實(shí)和多孔隙的特點(diǎn)，因此堆渣體強(qiáng)度低、易滑坡[1]。遼寧省蒲石河抽水蓄能電站是東北地區(qū)興建的最大抽水蓄能電站，主要由上下游水庫(kù)、大壩、地下廠房以及輸水系統(tǒng)構(gòu)成[2]。由于電站在建設(shè)中需要進(jìn)行大量土石方開(kāi)挖，并產(chǎn)生數(shù)量較大的渣土，因此設(shè)置了上水庫(kù)庫(kù)盆、下水庫(kù)庫(kù)盆、六道坎和泉眼溝四處渣場(chǎng)。其中，六道坎渣場(chǎng)的堆渣量為34.56萬(wàn)m3，屬于大型渣場(chǎng)，由于堆渣量大，高度高，其邊坡穩(wěn)定性研究具有重要的工程意義[3]。

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬分析方法被廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性計(jì)算領(lǐng)域，并發(fā)揮重要的作用和價(jià)值[4]。但是，在目前的實(shí)際工程應(yīng)用領(lǐng)域，一般會(huì)將土石混合邊坡簡(jiǎn)化為均質(zhì)土邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。雖然梁希林等[5]研究了土石混合邊坡中不同含石量對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，但是在研究中仍將邊坡視為均勻含石量的混合邊坡，而沒(méi)有考慮含石量在空間上的分布差異。在堆渣體形成過(guò)程中，棄渣中不同粒徑的渣石會(huì)在自重作用的影響下出現(xiàn)自然分選，從而形成明顯的分層和分區(qū)結(jié)構(gòu)[6]?；诖耍疚囊云咽映樗钅茈娬玖揽矖壴鼒?chǎng)為例，對(duì)不同分層、分區(qū)模型下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，以獲取分布不均勻性對(duì)堆渣體邊坡穩(wěn)定性的影響。

2 研究方法

2.1 計(jì)算方案設(shè)計(jì)

結(jié)合渣場(chǎng)堆渣體的分層的實(shí)際特點(diǎn)以及六道坎渣場(chǎng)的具體情況，設(shè)置了四種不同的計(jì)算模型，分別為計(jì)算模型1、計(jì)算模型2、計(jì)算模型3和計(jì)算模型4。其中，計(jì)算模型1將邊坡視為均質(zhì)邊坡，邊坡的巖土體采用完全相同的物理力學(xué)參數(shù)；計(jì)算模型2將堆渣體的邊坡分為3層，并對(duì)每層巖土體賦予不同的物理力學(xué)參數(shù)值；計(jì)算模型3將堆渣體的邊坡分為5層，并對(duì)每層巖土體賦予不同的物理力學(xué)參數(shù)值；計(jì)算模型4將堆渣體邊坡進(jìn)行分層和分區(qū)處理，共劃分為5層14個(gè)不同區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的巖土體均賦予不同的物理力學(xué)參數(shù)值。對(duì)上述四種不同的模型在自然工況下的位移、應(yīng)力和安全系數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以獲取巖土體分布不均勻性對(duì)堆渣體邊坡穩(wěn)定性的影響。

2.2 計(jì)算模型的構(gòu)建

由于FLAC3D軟件不具備較強(qiáng)的前處理功能，不利于進(jìn)行比較復(fù)雜的三維模型構(gòu)建[7]。因此，本研究中考慮結(jié)合使用其他軟件進(jìn)行建模。根據(jù)渣場(chǎng)的實(shí)際勘查報(bào)告，確定出具體的模型計(jì)算范圍，然后將計(jì)算范圍內(nèi)的CAD地形平面圖，進(jìn)行插值計(jì)算，獲取對(duì)應(yīng)的三維等高線圖，并在CAD軟件中輸出.sat文件，并導(dǎo)入到HyperMesh 文件，對(duì)六道坎渣場(chǎng)的基巖、覆蓋層以及棄渣邊坡進(jìn)行三維實(shí)體建模和網(wǎng)格剖分，最后再導(dǎo)入FLAC3D軟件進(jìn)行不同計(jì)算方案下的對(duì)渣場(chǎng)堆渣體邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

鑒于模型的邊界條件對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果的影響較大。因此，在計(jì)算模型的構(gòu)建過(guò)程中需要針對(duì)邊坡的實(shí)際對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，以實(shí)現(xiàn)合理、便捷模擬計(jì)算的目的。由于本次研究的是自然工況下堆渣體邊坡的穩(wěn)定性，因此主要采用靜力邊界條件。具體而言，在模型的四周施加水平位移約束，在模型的底部施加全位移約束。本構(gòu)模型也是計(jì)算結(jié)果的重要影響因素，因此本構(gòu)模型的合理選擇也十分重要。FLAC3D內(nèi)置11種本構(gòu)模型，由于本次研究的堆渣體邊坡主要是土石混合物，因此選擇摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。對(duì)構(gòu)建的模型利用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行加密處理。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 位移計(jì)算結(jié)果與分析

在自然工況下，利用上節(jié)構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型對(duì)渣場(chǎng)堆石體邊坡的位移進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得如圖1～圖4所示的邊坡總位移云圖。由計(jì)算結(jié)果可知，在模型1中，最大位移值大約為106.54 mm，位于邊坡中部偏下的部位，邊坡的位移量從位移最大值部位向邊坡的兩端逐漸減小。總體而言，邊坡上部的位移量大于坡腳。模型2的最大位移量為96.74 mm，與模型1相比，減小了約9.20%，該模型下邊坡的上部和坡腳的位移值范圍也明顯較小。模型3的最大位移值為83.29 mm，與模型1相比減小了約21.82%，且邊坡的上部和坡腳的位移范圍繼續(xù)縮小。模型4的最大位移值為59.85 mm，與模型1相比減小了約43.82%，且邊坡的上部和坡腳的位移范圍進(jìn)一步縮小?？傊?，在各種不同的計(jì)算模型下，邊坡位移最大值均出現(xiàn)在中部偏下的部位。究其原因，主要是該部位的地形有些凸起。同時(shí)，隨著模型分層與分區(qū)的不斷細(xì)化，邊坡的位移量也呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，且模型4與模型1相比，最大位移值減小了約43.82%，說(shuō)明邊坡分布不均勻性對(duì)邊坡位移量存在比較顯著的影響。

圖1 模型1總位移云圖

圖2 模型2總位移云圖

圖3 模型3總位移云圖

圖4 模型4總位移云圖

3.2 應(yīng)變計(jì)算結(jié)果與分析

為了進(jìn)一步了解渣場(chǎng)堆渣體邊坡在自然工況下的應(yīng)變特征，研究中選擇X-Z方向的典型剖面，并利用上節(jié)構(gòu)建的模型對(duì)該剖面的應(yīng)變進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖5～圖8所示。由計(jì)算結(jié)果可知，所有四個(gè)計(jì)算模型在堆渣體邊坡的下部形成了貫通的剪切帶。四個(gè)模型相比而言，模型1的最大剪應(yīng)變的區(qū)域最大，模型2和模型3比較接近，與模型1相比剪切帶明顯變薄，同時(shí)最大剪應(yīng)變的范圍也有一定的縮小。模型4與其他三個(gè)模型相比，剪切帶變得更薄，同時(shí)最大剪應(yīng)變的區(qū)域進(jìn)一步變小。由此可見(jiàn)，在模型分層分區(qū)的情況下，邊坡剪應(yīng)變區(qū)域范圍變小，剪切帶也不斷變薄。

圖5 模型1典型剖面剪應(yīng)變?cè)茍D

圖8 模型4典型剖面剪應(yīng)變?cè)茍D

3.3 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果與分析

研究中利用極限平衡法對(duì)邊坡的安全性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示，模型1、模型2、模型3和模型4的安全系數(shù)分別為1.44、1.46、1.54和1.50。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB 50330—2013的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。四種不同的模型相比，模型2、模型3和模型4的安全系數(shù)比模型1分別提高了1.38%、6.94%和4.16%。由此可見(jiàn)，隨著模型分層和分區(qū)細(xì)化，堆渣體邊坡的總位移不斷減小，邊坡的安全系數(shù)有明顯的增加。

4 結(jié) 論

(1)在各種不同的計(jì)算模型下，邊坡位移最大值均出現(xiàn)在中部偏下的部位；隨著模型分層與分區(qū)的不斷細(xì)化，邊坡的位移量也呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)；模型4與模型1相比，最大位移值減小了約43.82%，說(shuō)明邊坡分布不均勻性對(duì)邊坡位移量存在比較顯著的影響。

(2)在模型分層分區(qū)的情況下，邊坡剪應(yīng)變區(qū)域范圍變小，剪切帶也不斷變薄。

(3)隨著模型分層和分區(qū)細(xì)化，堆渣體邊坡的安全系數(shù)有明顯的增加。

綜上所述，堆渣體的分布不均勻性對(duì)邊坡穩(wěn)定性存在比較顯著的影響，建議在不均勻性比較明顯的堆渣體邊坡穩(wěn)定性研究中，采用細(xì)化分層、分區(qū)的模型。