花崗巖殘積土邊坡初始水力場設置方法探討

張乾坤

（1.澤州縣水務局,山西 澤州 048000；2.澤州縣水利發(fā)展中心水保股,山西 澤州048000）

1 引言

花崗巖體是地球上出露最多的一種巖漿巖體,在我國,花崗巖占據(jù)了9%的表生陸地[1],且形成了眾多花崗巖地貌,包括峰林、陡崖、陡坡、丘陵等,在東南沿海地區(qū)（廣東、福建、臺灣）,廣泛發(fā)育花崗巖地貌[2],尤以丘陵地貌最為突出多見,大量的花崗巖丘陵區(qū)為這一地區(qū)的邊坡工程興建帶來了諸多問題,由于這一地區(qū)海拔較低,離海較近,邊坡很易受海平面引起的陸下水位波動影響。很多學者采用FLAC3D軟件對土質或軟巖邊坡的穩(wěn)定問題進行了研究。張巖巖[3]采用FLAC軟件對徑流和滲流共同作用下的土質邊坡滑坡形成過程進行了研究。安然等[4-5]對炎熱而又多雨氣候條件下的花崗巖殘積土的強度衰減特性進行了研究,將其弱化衰減與花崗巖殘積土顆粒的微觀變化聯(lián)系起來考慮。楊濤等[6-7]采用FLAC3D軟件對貴州一個高填方土質邊坡的穩(wěn)定性進行了研究,確定了安全系數(shù)較低區(qū)域的分布情況。馬小斐等[8-9]基于FLAC3D的計算結果對深基坑邊坡支護方案的可靠性進行了分析評價,得出其支護方案中支護構件受力合理,支護方案穩(wěn)妥可行的結論。張燦燦[10]基于野外調研和室內試驗結果,采用FLAC3D有限差分軟件結合相應的極限平衡分析理論,對徐州沙虎山滑坡進行了降雨條件下的穩(wěn)定性分析計算,得出了滑坡發(fā)生的可能降雨閾值,為該處滑坡災害的發(fā)生提供了參考預警雨強,并提出了建議性的滑坡治理方法。陳觀明[11]對一順層路塹巖質邊坡進行了模擬計算,分析了邊坡位移、應力和剪切應力集中區(qū)域的情況,得出的結果和理論計算解相吻合。

基于Rhino軟件平臺構建了三維花崗巖殘積土邊坡模型,采用FLAC3D軟件進行邊坡的穩(wěn)定分析,在進行穩(wěn)定性分析計算之前,首先需要構建初始水力場,本文介紹了兩種建立初始水力場的方法,在水位面高程出現(xiàn)變化時,分別采用兩種方法進行構建,比較了兩種方法的構建結果,分析了這兩種方法各自的優(yōu)點,涉及地下流體初始流體力場建立時,可選擇參照執(zhí)行。

2 FLAC3D初始流體力場的生成

有地下流體（天然氣、石油、水）的條件下,FLAC3D共為使用者提供兩種構建初始流體力場的方法,且這兩種方法均可以在不設置model configure fluid的條件下建立初始流體力場,這兩種方法是：（1）根據(jù)流體密度,按照重力場計算流體壓力梯度和高程上某一點的流體壓力,采用“initialize porepressure”命令對流體壓力場賦值；（2）用“fluid table”命令設置流體表面高程,同時用fluid-density命令設置流體密度對初始流體力場進行構建。

3 模型構建

萬里水庫位于山西省澤州縣下村鎮(zhèn)萬里村西北的長河支流上,屬于黃河流域,壩址以上控制流域面積7.23km2,大壩為均質土壩,最大壩高15.2 m,總庫容51萬m3,是一座以防洪、灌溉為主的?。?）型水庫。庫岸邊坡為花崗巖殘積土邊坡類型。

構建如圖1 所示的花崗巖殘積土邊坡模型,20 m坡長,角度為40°,各設置5 m寬的坡頂和坡底,坡體前部整體高8 m,坡體后部整體高20.7 m,坡體底邊水平長度為25.4 m,坡體向內延伸6 m,消除模型邊界效應,整體為花崗巖殘積土邊坡模型,材料主要本構模型參數(shù)為：體積模量3×107Pa,剪切模量1×107Pa,泊松比0.5,內摩擦角20°,黏聚力1×104Pa,抗拉強度設置成默認值0。固定LEFT、RIGHT兩側和FRONT、BACK后兩面網格節(jié)點的X及Y方向的速度,底面（Z坐標為0處）網格點XY三個方向的速度固定為0,流體面高程設置成5 m（圖1中（a）圖）和8 m（圖1中（b）圖）,以計算模擬求證兩種初始流體場建立方法對不同高程的流體面是否都適用。

4 計算結果

本節(jié)主要給出不同高程流體面情況下的初始流體力場生成結果,通過對比兩種生成初始流體力場方法建立的高程變化流體面的初始流體力場的真實性和結果的呈現(xiàn)效果,總結兩種生成初始流體力場方法的優(yōu)點。

（1）流體面高程8 m

用“fluid table”命令設置流體表面高程,同時用fluiddensity命令設置流體密度后,生成的初始流體力場如圖2（a）所示,由圖可知,該方法生成了正確的初始流體力場,且該方法能夠呈現(xiàn)出流體面,視覺直觀。經過計算,得出流體力場梯度和某一坐標Z處的壓力大小后,采用“initialize porepressure”命令對流體壓力場直接設定,得到的初始流體力場如圖2（b）所示,由圖2（b）可知,該方法生成的初始流體力場與前一種方法生成的初始流體力場相同,且正確,但是該方法不能夠呈現(xiàn)出流體表面,視覺上不直觀。由上述分析可知,流體面高程為8m時,兩種方法都能夠生成正確的初始流體力場,相較于“initialize porepressure”命令,“fluid table”命令結合fluid-density命令的方式生成的初始流體力場在視覺效果呈現(xiàn)上更為直觀易懂,且不需要先行計算流體力場的分布梯度和某一坐標Z處壓力大小,但是,由于采用雙命令結合的方式,缺一不可,在使用不熟練時,極易忽略某一命令,而造成計算出錯停止進行或不能生成正確的初始流體力場,且使用者不加以檢查時,并不知道自己已經建立了錯誤的流體力場,影響后續(xù)計算。

圖2 流體面高程8 m時初始流體力場云圖

（2）流體面高程5 m

用“fluid table”命令設置流體表面高程,同時用fluiddensity命令設置流體密度后,生成的初始流體力場如圖3（a）所示,由圖3（a）可知,該方法生成了正確的初始流體力場,且該方法能夠呈現(xiàn)出流體面,視覺直觀。經過計算,得出流體力場梯度和某一坐標Z處的壓力大小后,采用“initialize porepressure”命令對流體壓力場直接設定,得到的初始流體力場如圖3（b）所示,由圖3（b）可知,該方法生成的初始流體力場與前一種方法生成的初始流體力場相同,且正確,但是該方法不能夠呈現(xiàn)出流體表面,視覺上不直觀。由上述分析可知,流體面高程為5 m時,兩種方法也同樣都生成了正確的初始流體力場,兩種方法的優(yōu)缺點,前已述及,在此不再贅述。

圖3 流體面高程5 m時初始流體力場云圖

5 結論

通過以上對不同高程流體面,初始流體力場建立過程和結果的分析,本文主要獲得以下結論：

（1）“initialize porepressure”命令及“fluid table”命令結合fluid-density命令的方式都可以用來生成正確的初始流體力場。

（2）“fluid table”命令結合fluid-density命令生成初始流體力場的方式在視覺效果呈現(xiàn)上更為直觀易懂,且不需要先行計算流體力場的分布梯度和某一坐標Z處壓力大小。

（3）“initialize porepressure”命令生成初始流體力場的方式不易出錯,且視覺呈現(xiàn)上不存在流體面,對于后續(xù)計算中流體面在不斷變化的情況,較為適宜。

（4）建議學者采用“initialize porepressure”命令生成初始流體力場,出錯概率小,且先行計算流體力場的整體分布,計算結果既可以用來對命令進行設置,又可以加深對FLAC3D軟件流固耦合原理的理解。