基于FLAC3D與強度折減法的大崗山右岸邊坡穩(wěn)定性分析

張 亮，關(guān) 爽

（1.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南省昆明市 650041；2.鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司，遼寧省朝陽市 122000）

基于FLAC3D與強度折減法的大崗山右岸邊坡穩(wěn)定性分析

張 亮1，關(guān) 爽2

（1.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南省昆明市 650041；2.鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司，遼寧省朝陽市 122000）

大崗山水電站右岸邊坡為高地應(yīng)力區(qū)高陡邊坡，破體內(nèi)部存在多處順傾斷層與軟弱輝綠巖巖脈，地質(zhì)條件較差。邊坡開挖過程中，坡體內(nèi)部卸荷裂隙帶受影響，導(dǎo)致坡體穩(wěn)定性急劇下降，坡面出現(xiàn)若干宏觀裂縫，對邊坡的安全造成嚴(yán)重威脅，為準(zhǔn)確獲取坡體安全狀態(tài)與可能的破壞模式，本文采用FLAC3D與強度折減法對右岸邊坡典型剖面進行穩(wěn)定性分析計算，給出安全系數(shù)及潛在滑面位置，為邊坡的加固治理提供參考。

大崗山水電站右岸邊坡；強度折減法；穩(wěn)定性評價

0 引言

壩址附近邊坡的穩(wěn)定性直接關(guān)系到壩體與庫區(qū)的安全，一直以來就是水電建設(shè)中的關(guān)鍵問題。隨著水電建設(shè)規(guī)模的擴大，在加大利用我國西南地區(qū)豐富水能資源的同時，由于該區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，山高谷深，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，水電建設(shè)中復(fù)雜地質(zhì)條件下高陡邊坡穩(wěn)定性問題越來越突出。這些邊坡通常發(fā)育有斷層、卸荷裂隙、節(jié)理、軟弱結(jié)構(gòu)面，加之施工過程中對卸荷裂隙帶的擾動，穩(wěn)定性大大降低，成為影響工程的關(guān)鍵因素。

近年來，數(shù)值模擬技術(shù)在巖土工程中得到了越來越廣泛的使用，其中以FLAC3D為代表，在解決邊坡穩(wěn)定性分析、隧道圍巖穩(wěn)定性分析等方面都有著很好的表現(xiàn)[1]。與此同時，以強度折減法與離心加載法為代表的數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析理論也得到深入的研究[2]，其中強度折減法更是得到業(yè)界的認(rèn)同。

本文采用巖土工程中廣泛使用的數(shù)值模擬軟件FLAC3D與強度折減法，對大崗山水電站右岸邊坡典型剖面進行穩(wěn)定性分析，獲取安全狀況及潛在破壞模式。

1 工程地質(zhì)條件

大崗山水電站右岸邊坡位于大渡河中游峽谷地段，處于大渡河斷裂和磨西斷裂切割斷塊上，邊坡后緣高程1347m，右開挖坡高達420m，地應(yīng)力高，卸荷強烈。坡體主要由黑云二長花崗巖和輝綠巖等組成，內(nèi)部發(fā)育 β5（f1）、β82（f74）、β117（f78）、β85、β43、β8（f7）、γL5、f65、f85、XL316-1、XL9-15等主要巖脈，節(jié)理，斷層及卸荷裂隙帶等軟弱結(jié)構(gòu)。

坡體在自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)，但由于開挖過程中的卸荷作用，在壩頂高程1135m以上沿產(chǎn)狀SN/E∠40°～50°，走向與邊坡近平行方向擾動傾向破外的卸荷裂隙帶XL316-1，在壩頂以上距離開挖坡面 30～50m，XL316-1上 盤 約 25m 處 擾 動 N10°W/NE/47°～52°的卸荷裂隙帶XL9-15。兩主要卸荷裂隙帶與順傾斷層組合，形成不穩(wěn)定塊體，安全穩(wěn)定性問題十分突出[2，3]。

2 數(shù)值模擬計算

2.1 計算模型

根據(jù)右岸邊坡卸荷裂隙帶分布及發(fā)育特征，選?、?Ⅵ剖面作為代表剖面建立數(shù)值二維計算模型。如圖1所示，模型概化為從上至下分為5個地層，對于工程地質(zhì)調(diào)研中提供的軟弱結(jié)構(gòu)，計算中僅考慮在邊坡穩(wěn)定性中的關(guān)鍵影響因素，即裂隙帶XL316-1、XL9-15。

模型全區(qū)域約束z方向位移，以模擬平面應(yīng)變問題，x方向（水平方向）兩側(cè)邊界條件為法向位移約束，底部為全約束。計算中僅考慮重力荷載。

圖1 大崗山電站右岸邊坡2維計算模型Fig.1 The calculation model of 2 dimensional right slope of Dagangshan Hydropower Station

2.2 計算材料參數(shù)

計算采用Mohr-Coulumb模型，材料參數(shù)為現(xiàn)場提供綜合材料參數(shù)，巖層編號從上至下。其中，抗拉強度取黏聚力的0.8倍，具體參數(shù)如表1所示。

表1 邊坡材料力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of slope materials

2.3 計算過程

計算過程分三步實施：①計算初始地應(yīng)力場，以重力在開挖前坡體中所產(chǎn)生的應(yīng)力為地應(yīng)力；②開挖計算，按照施工過程分10步進行開挖，獲取開挖結(jié)束時坡體狀態(tài)為當(dāng)前狀態(tài)；③穩(wěn)定性評價計算，通過對坡體實施強度折減，獲得當(dāng)前坡體安全系數(shù)。

其中，強度折減法通過FLAC3D中fish語言編寫二次開發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)。坡體整體折減，對內(nèi)摩擦角、黏聚力、抗拉強度等比例折減，以當(dāng)前材料參數(shù)為基礎(chǔ)，折減系數(shù)依次增大，每增加一步折減系數(shù)，程序自動計算一次，尋找受力平衡狀態(tài)，所取平衡條件為不平衡率小于1e-5，當(dāng)坡體損傷恰好形成宏觀的滑面時，即認(rèn)為折減至臨界狀態(tài)，此時強度折減系數(shù)即定義為安全系數(shù)K。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 初始狀態(tài)

初始狀態(tài)的計算采用更改強度參數(shù)的彈塑性求解法。具體實施方式如下：①設(shè)置內(nèi)摩擦角?=60°，黏聚力c=1e9Pa，抗拉強度為t=1e9Pa，計算至收斂，此時坡體內(nèi)無塑性區(qū)；②將坡體材料參數(shù)設(shè)置為表1所示材料參數(shù)，計算至收斂，以此作為坡體的初始狀態(tài)。

如圖2所示，初始狀態(tài)中，位移主要發(fā)生在坡體表面中上部，大約為0.25m，且沿XL316-1中上段出現(xiàn)位移的不連續(xù)，變形有沿卸荷裂隙帶出現(xiàn)局部化的趨勢。圖3表明，XL316-1處為剪應(yīng)變率集中區(qū)，大約為4e-8/s，仍較小，未出現(xiàn)整體破壞特征，結(jié)合圖4中塑性區(qū)的分布圖，可知XL316-1中出現(xiàn)較大的剪切塑性帶，但未貫穿，坡體內(nèi)部雖然局部化特征較明顯，呈現(xiàn)沿XL316-1整體滑動的趨勢，但目前仍能處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 初始位移場Fig.2 Initial displacement field

圖3 初始剪應(yīng)變率場Fig.3 Initial shear strain rate field

圖4 初始塑性區(qū)分布Fig.4 Initial plastic zone distribution

3.2 開挖應(yīng)力場

開挖由上至下共分為10級臺階，從上到下依次開挖。數(shù)值模擬中保證每次開挖后計算至不平衡率小于1e-5，以表征整個開挖過程的準(zhǔn)靜態(tài)特征。

圖5表明，開挖過程對位移場的擾動不大，坡體最大位移始終分布在坡面中上部，大小約為0.256m，盡管位移分布沿XL316-1有一定的不連續(xù)性，但仍能維持穩(wěn)定。

圖6所示，伴隨開挖，坡體內(nèi)部的塑性區(qū)逐漸減小，挖至第三級時已完全消失，挖至第9級時XL316與開挖平臺相交處出現(xiàn)塑性區(qū)。這是由于所開挖臺階上部對于XL316而言為荷載，開挖相當(dāng)于減小了滑動力，而所開挖臺階下部為阻滑塊體，開挖導(dǎo)致抗滑力降低，出現(xiàn)塑性區(qū)。開挖結(jié)束時，坡體內(nèi)部僅有少量塑性區(qū)，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 開挖過程位移分布Fig.5 Displacement distribution during excavation

3.3 強度折減

采用整體逐步折減，每次折減計算至收斂，以出現(xiàn)貫穿塑性帶時的折減系數(shù)作為安全系數(shù)。

圖6 開挖過程塑性區(qū)分布Fig.6 Plastic zone distribution during excavation

圖7 不同強度折減系數(shù)位移分布Fig.7 Displacement distribution of reduction factor with different strength

圖8 不同強度折減系數(shù)剪應(yīng)變率分布Fig.8 Shear strain rate distribution with different strength reduction factors

圖9 不同強度折減系數(shù)塑性區(qū)分布Fig.9 Plastic region distribution of reduction factor with different strength

圖7～圖9中分別展示了強度折減系數(shù)為1.05、1.1、1.15、1.2時的位移分布、剪應(yīng)變率分布及塑性區(qū)分布。由圖可知，隨折減系數(shù)增大，位移增減增大，沿XL316整體滑動趨勢逐漸明顯，當(dāng)折減系數(shù)小于1.2時，位移增長緩慢，每次折減造成位移增加約為0.002m，當(dāng)折減系數(shù)為1.2時，位移迅速增加至0.02m，出現(xiàn)沿XL316的整體滑動。剪切應(yīng)變率也有類似的過程，隨折減系數(shù)的增大，高剪切應(yīng)變率區(qū)域沿XL316-1逐漸向上發(fā)展，且最大剪切應(yīng)變率逐步增大，在折減系數(shù)為1.2時增加明顯高于折減系數(shù)小于1.2時。整體折減過程中，塑性區(qū)沿XL316-1向上發(fā)展，呈現(xiàn)牽引式滑坡的特征，折減系數(shù)為1.2時，塑性區(qū)沿XL316-1貫通，沿最下一級臺階剪出，形成滑體，塑性區(qū)域主要為剪切塑性區(qū)，靠近滑體后緣處出現(xiàn)少量張拉塑性區(qū)。綜上所述，強度折減系數(shù)為1.2時，坡體出現(xiàn)塑性區(qū)貫通、剪應(yīng)變率增加等失穩(wěn)特征，形成沿XL316-1的滑體，并沿底部臺階剪出，滑坡當(dāng)前狀態(tài)安全系數(shù)為1.2。

4 結(jié)束語

FLAC3D與強度折減法是邊坡穩(wěn)定性分析中常用方法，本文結(jié)合二者對大崗山水電站右岸邊坡典型剖面進行了當(dāng)前狀態(tài)穩(wěn)定性分析，獲取了安全系數(shù)及潛在破壞模式。計算分析表明：

（1）邊坡安全系數(shù)約為1.2;

（2）邊坡潛在破壞模式為以XL316-1為主滑面的牽引式滑坡。針對該邊坡的加固措施應(yīng)以提高XL316-1的強度為關(guān)注點。

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[3] 馬克，唐春安，等.基于微震監(jiān)測與數(shù)值模擬的大崗山右岸邊坡抗剪洞加固效果分析 [J].巖石力學(xué)與工程，2013，32（6）：1239-1247.MA Ke，TANG Chunan，etc.Reinforcement Effects of Anti-Shear Gallery of Dagangshan Right Bank Slope Based on Microseismic Monitoring and Numerical Simulations[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32（6）：1239-1247.

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2016-05-09

2017-03-09

張 亮（1982—），男，高級工程師，主要研究方向：精密工程測量和安全監(jiān)測，E-mail：41023473@qq.com

關(guān) 爽（1983—），男，工程師，主要研究方向：施工現(xiàn)場技術(shù)管理。E-mail：66066570@qq.com

Stability Analysis of Dagangshan Right Bank Slope，Based on FLAC3Dand Strength Reduction Method

ZHANG Liang1，GUAN Shuang2
（1.Power China Kunming Engineering Corporation Limited，Kungming 650041，China；2.Ansteel Chaoyang lorn and steel group corporation，Chaoyang 122000，China）

The right bank slope of Dagangshan hydropower station is high and cliff with high in-situstress，and lots of dip faults and weak diabase dikes are generated inside the slope，which result in a poor geological conditions.During slope excavation process，the unloading fissures inside the slope is influenced，which leads to a sharp decrease in the stability of the slope.Besides，lots of macroscopic cracks are generated on the surface of the slope，which causes the decrease in the safety index of the slope.In this piece of work，in order to find out the safety state and possible failure modes of the slope accurately，F(xiàn)LAC3Dand strength reduction method were used to analysis the stability of the typical profile of the right bank slope.The aim is to understand the safety index and the positions of potential slippage，and to provide advice of reinforcing the slope.

Dagangshan hydropower right bank slope; strength reduction; stability analysis

TV73

A學(xué)科代碼：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.021