基于FLAC3D的壩肩高陡邊坡穩(wěn)定性分析

蔣買勇

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院長沙市410131）

基于FLAC3D的壩肩高陡邊坡穩(wěn)定性分析

蔣買勇

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院長沙市410131）

通過建立三維數(shù)值模型，利用FLAC3D對(duì)某水電站工程壩肩高陡邊坡開挖支護(hù)進(jìn)行模擬分析，分析不同開挖工況下邊坡位移及應(yīng)力分布規(guī)律，從而確定最優(yōu)開挖方案，并在此基礎(chǔ)上，考慮強(qiáng)降雨、地震工況。為確保該邊坡長期穩(wěn)定以及安全冗余，對(duì)其不同的支護(hù)方案進(jìn)行模擬分析，對(duì)支護(hù)措施進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，從而確定最佳支護(hù)方案。

壩肩邊坡有限差分法穩(wěn)定性分析邊坡支護(hù)FLAC3D

近年來，隨著水利類重大項(xiàng)目與水電類項(xiàng)目的興建，伴隨而來的大型邊坡越來越多，邊坡地質(zhì)災(zāi)害問題也越來越突出，工程邊坡的穩(wěn)定性以及安全措施對(duì)整個(gè)工程的建設(shè)與運(yùn)行至關(guān)重要，因此，工程界一直以來都十分重視邊坡穩(wěn)定性問題的研究分析。

傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)主要采用極限平衡法、極限分析法、滑移線場(chǎng)法等[1]。自20世紀(jì)60年代以來，數(shù)值模擬技術(shù)廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析中[2～6]，其在計(jì)算方法及計(jì)算模型和巖土參數(shù)的確定方面都有了長足的進(jìn)步，為邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算精度和計(jì)算效率的提高創(chuàng)造了有利條件。

FLAC3D是美國ITASCA公司20世紀(jì)80年代開發(fā)的仿真計(jì)算軟件，該軟件基于“顯式拉格朗日”理論和“混合－離散分區(qū)”技術(shù)，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析，并能輸出相應(yīng)的位移、應(yīng)力、速度等矢量等值線圖，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。該軟件在分析連續(xù)介質(zhì)變形上表現(xiàn)優(yōu)異且計(jì)算功能強(qiáng)大，現(xiàn)已被廣泛用于巖土問題的分析計(jì)算中[7～10]。

本文以某水電站工程壩肩高陡邊坡為例，利用FLAC3D對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性模擬分析，從而確定最優(yōu)開挖和最佳支護(hù)方案。

1 工程概況

該壩肩邊坡所在水電站，采用河床式開發(fā)，電站正常蓄水位578.00 m，總庫容2 191萬m3，擋水建筑物最大壩高49.5 m，裝機(jī)容量300 MW。壩址區(qū)兩岸山體雄厚，邊坡陡峻，漫灘、階地發(fā)育，河流左岸地形坡度35°～40°，右岸地形坡度40°～50°，擬建壩址處河床寬約250 m，枯水期河水面寬約80 m，呈基本對(duì)稱的“V”型，壩址區(qū)河流呈向北凸出的弧形拐彎。壩址區(qū)巖性除第四系松散層外，基巖主要為下元古界峨邊群第一段蝕變玄武巖，第二段鈣泥質(zhì)石英粉砂巖與含綠泥石板巖互層、震旦系上統(tǒng)燈影組白云巖及中條期花崗斑巖、澄江期輝綠巖以及第四系崩坡積、沖洪積層。

此外，根據(jù)壩址區(qū)地下水賦存條件，可分為第四系松散層中的孔隙性潛水和基巖裂隙性潛水兩種類型。孔隙性潛水主要賦存于河谷及兩岸第四系松散層中，受大氣降水的補(bǔ)給和兩岸地下水補(bǔ)給，河漫灘的地下水與河水呈互補(bǔ)關(guān)系。基巖裂隙性潛水賦存于基巖裂隙中，受大氣降水補(bǔ)給，向河谷排泄。

根據(jù)《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》（DL 5180-2003）及《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5353-2006）的有關(guān)規(guī)定：本工程為二等工程，工程規(guī)模為大（Ⅱ）型。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 建立模型

該邊坡的地質(zhì)剖面如圖1所示，存在6條發(fā)育斷層且傾向坡外，構(gòu)成了對(duì)邊坡穩(wěn)定不利的組合區(qū)域。該邊坡自下而上，可細(xì)分為4層，①層為卵石層，②層為泥礫石層，③層為含漂石卵石層，④層為基巖屬蝕變輝綠巖。

圖1 邊坡地質(zhì)剖面圖

為了提高建模精度和建模效率，首先在AutoCAD中完成該地質(zhì)剖面的繪制和模型劃分，經(jīng)進(jìn)一步處理后導(dǎo)入到ANSYS中實(shí)現(xiàn)模型的網(wǎng)格劃分以及材料分區(qū)，然后將生成的計(jì)算模型導(dǎo)入到FLAC3D中進(jìn)行計(jì)算，如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型圖

2.2 確定計(jì)算參數(shù)

在整個(gè)計(jì)算中，采用摩爾-庫倫模型，對(duì)邊坡三維模型進(jìn)行模擬分析，主要采用的模型參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探、原位測(cè)試以及室內(nèi)土工試驗(yàn)，最終確定如表1所示。

表1 邊坡巖土體參數(shù)取值

2.3 計(jì)算過程及穩(wěn)定性分析

根據(jù)工程實(shí)際情況，對(duì)該邊坡分別擬定了一次、二次、四次等三種不同開挖方案，針對(duì)其不同開挖工況進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同工況下邊坡的位移及應(yīng)力分布規(guī)律，計(jì)算邊坡的安全系數(shù)。并在四次開挖穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了降雨對(duì)邊坡土層的軟化以及地震對(duì)邊坡土層的振動(dòng)對(duì)安全系數(shù)的影響。

（1）一次開挖方案。

對(duì)一次開挖工況進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果如圖3。圖3（a）為剪應(yīng)力增量云圖，圖3（b）為X方向位移云圖。從圖3（a）可以看出，剪應(yīng)力增量主要分布在F2和F3構(gòu)成的折線斷層面以及F6斷層面，由于F6斷層面傾向與坡向相反，因而處于穩(wěn)定狀態(tài)。如圖3（b）坡體沿X方向的位移也發(fā)生在F2和F3構(gòu)成的折線斷層面以上不穩(wěn)定區(qū)域，最大位移為129.22 mm。結(jié)果表明F2和F3構(gòu)成的折線斷層面以上的土體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)強(qiáng)度折減法計(jì)算該工況的安全系數(shù)為1.11，低于該邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.15。

（2）二次開挖方案。

為提高該邊坡的穩(wěn)定性，考慮對(duì)該邊坡采用二次開挖的方法，并對(duì)開挖過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。計(jì)算結(jié)果如圖4。圖4（a）為剪應(yīng)力增量云圖，圖4（b）為X方向位移云圖。從圖4（a）可以看出，剪應(yīng)力增量同樣集中分布在F2和F3構(gòu)成的折線斷層面以及F6斷層面。如圖4（b）坡體沿X方向的位移也發(fā)生在F2和F3構(gòu)成的折線斷層面以上不穩(wěn)定區(qū)域，最大位移為129.02 mm。F2和F3構(gòu)成的折線斷層面以上的土體仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)強(qiáng)度折減法計(jì)算該工況的安全系數(shù)為1.13，低于該邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.15。

圖3 一次開挖計(jì)算結(jié)果

圖4 二次開挖計(jì)算結(jié)果

（3）四次開挖方案。

由于邊坡分兩次開挖，明顯提高了該邊坡的穩(wěn)定性，為進(jìn)一步提高該邊坡的穩(wěn)定性，故采用四次開挖，并對(duì)該工況下進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，其計(jì)算結(jié)果如圖5。圖5（a）剪應(yīng)力增量云圖，圖5（b）為X方向位移云圖。與一次開挖和二次開挖兩種工況一致，F(xiàn)2和F3構(gòu)成的折線斷層面以上的塊體仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，從圖5（b）可以看出，坡體沿X方向的最大位移為125.97 mm。根據(jù)強(qiáng)度折減法計(jì)算該工況的安全系數(shù)為1.14，低于該邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.15。

圖5 四次開挖計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上三種不同開挖方案的模擬分析，可以看出該邊坡采用四次開挖方案時(shí)，其安全系數(shù)最高為1.14，雖小于設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.15，但基本與1.15接近，故建議采用方案三，即四次開挖方案對(duì)該邊坡進(jìn)行開挖。

為了進(jìn)一步分析該邊坡在長期運(yùn)行過程中遭遇強(qiáng)降雨和地震對(duì)其穩(wěn)定性的影響，在四次開挖穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其分別增加暴雨工況和地震工況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。暴雨工況：巖層容重取浮容重；地震工況：場(chǎng)地地震烈度為Ⅶ度，采用50年超越概率10%的基巖水平向地震動(dòng)峰值加速度為102.7gal設(shè)計(jì)，采用擬靜力法計(jì)算。分析得出該邊坡在暴雨工況下的安全系數(shù)為1.04，地震工況下的安全系數(shù)為1.03，均低于該邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.05。

3 邊坡支護(hù)分析

從上一節(jié)的穩(wěn)定性計(jì)算分析可以看出，F(xiàn)2和F3構(gòu)成的折線斷層面以上的土體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，為了確保該邊坡的穩(wěn)定性，需通過分析不同支護(hù)方案下的邊坡穩(wěn)定性，來尋求最佳的支護(hù)方案。支護(hù)錨桿采用為40 m長的1 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索（排間距為6 m×6 m，下傾20°），分別擬定7排、8排、9排、10排四個(gè)支護(hù)方案，分別對(duì)其進(jìn)行模擬分析，其支護(hù)方案（排數(shù)）以及對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)如表2所示。

表2 邊坡支護(hù)分析

通過以上分析對(duì)比，最終確定采用9排錨桿支護(hù)方案，錨桿支護(hù)結(jié)果如圖6所示，圖6（a）為剪應(yīng)力增量云圖，圖6（b）為X向位移云圖。此時(shí)，坡體沿X方向的最大位移為120.42 mm。

圖6 錨桿支護(hù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，利用有限差分計(jì)算軟件FLAC3D對(duì)壩肩高陡邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，并用強(qiáng)度折減理論計(jì)算邊坡在不同工況下的安全系數(shù)，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展邊坡支護(hù)分析，得到以下結(jié)論：

（1）在開挖工況下，剪應(yīng)力增量主要分布在F2和F3構(gòu)成的折線斷層面以及F6斷層面，由于F6斷層面傾向與坡向相反，處于穩(wěn)定狀態(tài)。而F2和F3構(gòu)成的折線斷層面以上的滑塊處于不穩(wěn)定狀態(tài)。通過計(jì)算安全系數(shù)得出，四次開挖為最優(yōu)開挖方案。

（2）針對(duì)F2和F3構(gòu)成的折線斷層面以上的不穩(wěn)定區(qū)域，通過不同的錨桿支護(hù)方案，計(jì)算邊坡安全系數(shù)，分析對(duì)比最終確定9排錨桿支護(hù)為最佳支護(hù)方案。

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2016-09-19）

蔣買勇（1983-），男，湖南邵陽人，碩士，講師、工程師，主要從事水利工程安全評(píng)價(jià)與病害防治技術(shù)、工程項(xiàng)目管理技術(shù)等方面的教學(xué)與研究工作，E-mail：jmaiyong@163.com。