利用Flac3D 進(jìn)行庫(kù)區(qū)消落帶邊坡穩(wěn)定性研究

李望成 冉益銘

(重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶401331)

三峽庫(kù)區(qū)建成以來，每年冬天蓄水發(fā)電期和夏季防洪期的水位分別為175 米和145 米，30 米的水位差形成了消落帶，消落帶邊坡每年都會(huì)經(jīng)歷一次干濕循環(huán)，長(zhǎng)期發(fā)展下去，會(huì)對(duì)消落帶邊坡穩(wěn)定性造成一定的影響，消落帶邊坡巖質(zhì)多為砂巖，砂巖在經(jīng)過一定次數(shù)的干濕循環(huán)后，對(duì)其基本物理力學(xué)性質(zhì)造成一定的影響，抗劈裂強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和粘聚力等影響邊坡穩(wěn)定性的參數(shù)會(huì)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低[1]，從而影響到邊坡安全系數(shù)，造成邊坡失穩(wěn)的情況發(fā)生。長(zhǎng)江三峽大壩建成后，水庫(kù)蓄水及庫(kù)岸的二次改造會(huì)對(duì)長(zhǎng)江沿岸岸坡造成深刻的影響，包括崩塌和坍塌、滑動(dòng)和滑移、蠕移、沉降或沉陷、碎石流與泥石流及洪沖垮塌等[2];隨著庫(kù)區(qū)水位升降變化，滑坡體安全系數(shù)隨著巖體干濕循環(huán)的次數(shù)呈指數(shù)降低，最終造成邊坡失穩(wěn)[3]；前4次干濕循環(huán)作用將造成抗剪強(qiáng)度參數(shù)劣化幅度占總劣化度的75%左右，在4 次之后劣化幅度將趨于平緩；[4]；隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，坡體下滑力與抗滑力的平衡被打破而造成坡體失穩(wěn)，而后又恢復(fù)平衡狀態(tài)，坡體間的平衡狀態(tài)會(huì)隨著干濕作用的次數(shù)增加而更加容易被打破，造成邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)降低[5]。

1 Flac3D 的原理與步驟

Flac3D 是美國(guó)ITASCA 公司開發(fā)的仿真模擬軟件，利用源于流體力學(xué)的拉格朗日差分法，研究在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的位移與應(yīng)力的變化[6]，F(xiàn)lac3D 把模型劃分為由多個(gè)六面體網(wǎng)格組成，網(wǎng)格數(shù)量根據(jù)需求來設(shè)置，更多的網(wǎng)格會(huì)造成更久的計(jì)算時(shí)間，但可以更精確的得到計(jì)算結(jié)果；Flac3D 動(dòng)力學(xué)分析基于顯式有限差分方案，使用從周圍區(qū)域的實(shí)際密度（而不是用于靜態(tài)解決方案的虛擬質(zhì)量） 導(dǎo)出集總網(wǎng)格點(diǎn)來求解完整的運(yùn)動(dòng)方程。FLAC3D 采用完全非線性分析方法，加入了“滯后阻尼”的因子對(duì)動(dòng)荷載產(chǎn)生的非線性材料累積變形具有很好的還原能力，動(dòng)荷載分為Fish 函數(shù)和Table 數(shù)表兩種類型，前者是在面施加荷載，后者是在點(diǎn)上施加荷載。

Flac3D 進(jìn)行實(shí)際工程建模分析步驟如下：（1）根據(jù)工程中的地形地貌，進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化和省略，建立出工程中關(guān)鍵地形地貌，根據(jù)計(jì)算精度不同和需要分組與劃分網(wǎng)格；（2）定義模型材料塑性并根據(jù)實(shí)際地形定義模型的邊界條件，施加初始重力，完成初始應(yīng)力計(jì)算；（3）根據(jù)實(shí)際情況施加動(dòng)荷載，在循環(huán)的過程中改變巖體基本物理參數(shù)；（4）設(shè)置邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，當(dāng)破邊穩(wěn)定性安全系數(shù)超過設(shè)定值時(shí)停止循環(huán)。

2 數(shù)值模擬分析

假設(shè)庫(kù)區(qū)邊坡水位勻速升降，巖體均質(zhì)且符合彈性本構(gòu)關(guān)系，基本物理參數(shù)在每一次水位升降后出現(xiàn)劣化，不考慮邊坡坡面水位升降造成的沖刷與侵蝕以及風(fēng)化后巖體的損失。本文建立的模型為六面塊體和楔形體拼接而成，把模型劃分為六面體的網(wǎng)格單元，本模型一共有81000 單元，整個(gè)模型采用摩爾庫(kù)倫彈塑性模型本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行邊坡干濕循環(huán)位移量的模擬，模型的三個(gè)垂直方面底面及頂面固定，坡面施加一個(gè)循環(huán)的梯度荷載。計(jì)算過程中，地面和頂面的橫向動(dòng)荷載隨著水位的升降變化，水位會(huì)在一年的時(shí)間內(nèi)從年初的最高水位下降到夏季的最低水位在上升到年末的最高水位，每經(jīng)歷一次一年內(nèi)的水位升降，邊坡巖體的基本物理參數(shù)就會(huì)發(fā)生一次劣化，從而影響到后續(xù)邊坡位移的變化；

3 計(jì)算參數(shù)

摩爾庫(kù)倫彈塑性模型材料屬性參數(shù)包括體積模量、粘聚力、剪脹角、內(nèi)摩擦角、泊松比、剪切模量、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等，本次模擬僅選用其中一部分材料參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，具體參數(shù)如表1：

表1 計(jì)算參數(shù)

4 計(jì)算過程及結(jié)果分析

本文主要從以下步驟進(jìn)行庫(kù)區(qū)邊坡模型計(jì)算：步驟一：建立邊坡模型，按尺寸劃分網(wǎng)格，建立彈性本構(gòu)關(guān)系，設(shè)置邊界條件和初始重力場(chǎng)并進(jìn)行計(jì)算。

圖1 初始重力場(chǎng)Z 向位移云圖

由圖1：邊坡受到的重力遵循從下往上越來越大，在邊坡下半部分對(duì)底面和除了坡面以外的另外三面施加約束后，Z 方向的位移在地面為零，而越靠近頂面位移量的越大，最大位移量在頂面原理坡面一側(cè)；應(yīng)力方面卻是從上到下逐漸增加。步驟二：以最高水位點(diǎn)作為計(jì)算的起始點(diǎn)，當(dāng)邊坡水位上漲到最高點(diǎn)時(shí)，水作用于邊坡坡面一個(gè)遞增的梯度力，因此在邊坡坡面施加一個(gè)指向X 軸正方向的梯度力。

圖2 起始梯度力Z 向位移云圖

由圖2 可知：梯度力對(duì)邊坡沉降有一定影響，邊坡在梯度力和重力的影響下產(chǎn)生的沉降相比于在重力的作用下的沉降量更少；而在應(yīng)力方面，梯度力對(duì)邊坡坡面產(chǎn)生了負(fù)方向的應(yīng)力，且在邊坡底角的應(yīng)力更加集中了。步驟三：作用在邊坡坡面的梯度力會(huì)隨著水位升降循環(huán)增加減小，且在水位升降過程中，邊坡也進(jìn)行了一次干濕循環(huán)，而干濕循環(huán)會(huì)對(duì)巖質(zhì)邊坡產(chǎn)生劣化作用，降低巖體的彈性模量和泊松比等基本物理力學(xué)參數(shù)，所以在每一次水位升降之后對(duì)基本力學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，盡量還原現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。如圖3 為循環(huán)梯度荷載作用下邊坡在X 的應(yīng)力云圖，由于梯度荷載循環(huán)作用，在X 方向上，邊坡頂部的應(yīng)力向X 的正方向，底部應(yīng)力向X 的負(fù)方向，呈現(xiàn)出自上而下逐漸減小的應(yīng)力。

圖3 Z 向應(yīng)力云圖

圖4、圖5 為X、Z 兩個(gè)方向的位移云圖，X 方向上的位移整體呈現(xiàn)邊坡坡底位移量最大而坡底位移最小，位移由下至上逐漸變大的趨勢(shì)，在Z 方向的位移為左右分化的趨勢(shì)，邊坡坡面中部位置出現(xiàn)了最大的Z 正方向位移，坡面頂部和底部都僅有少量的位移，而在邊坡內(nèi)部中部位置具有最大的Z 負(fù)方向的位移，也就是在內(nèi)部中部具有最大的沉降量。

圖4 X 向位移云圖

圖5 Z 向位移云圖

圖6 不同點(diǎn)的應(yīng)變趨勢(shì)

5 結(jié)論

本文通過FLAC3D6.0 分析了庫(kù)區(qū)邊坡消落帶水位周期性漲落情形下邊坡整體變形，從而得到了以下的結(jié)論：通過對(duì)庫(kù)區(qū)消落帶邊坡進(jìn)行有限元差分?jǐn)?shù)值模擬分析可知，邊坡的橫向變形由上至下逐漸增加，橫向的最大位移量在邊坡底面為4.2x10-2，最小位移量在邊坡頂部為0.5x10-2；縱向的變形從左至右逐漸減小，邊坡坡面中部存在一個(gè)向上的變形為5.6x10-3，而在邊坡的內(nèi)部具有最大的向下變形為4.7x10-3。