利用Flac3D 進行庫區消落帶邊坡穩定性研究

李望成 冉益銘

(重慶科技學院建筑工程學院，重慶401331)

三峽庫區建成以來，每年冬天蓄水發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經歷一次干濕循環，長期發展下去，會對消落帶邊坡穩定性造成一定的影響，消落帶邊坡巖質多為砂巖，砂巖在經過一定次數的干濕循環后，對其基本物理力學性質造成一定的影響，抗劈裂強度、內摩擦角和粘聚力等影響邊坡穩定性的參數會隨著干濕循環次數的增加而降低[1]，從而影響到邊坡安全系數，造成邊坡失穩的情況發生。長江三峽大壩建成后，水庫蓄水及庫岸的二次改造會對長江沿岸岸坡造成深刻的影響，包括崩塌和坍塌、滑動和滑移、蠕移、沉降或沉陷、碎石流與泥石流及洪沖垮塌等[2];隨著庫區水位升降變化，滑坡體安全系數隨著巖體干濕循環的次數呈指數降低，最終造成邊坡失穩[3]；前4次干濕循環作用將造成抗剪強度參數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]；隨著干濕循環次數增加，坡體下滑力與抗滑力的平衡被打破而造成坡體失穩，而后又恢復平衡狀態，坡體間的平衡狀態會隨著干濕作用的次數增加而更加容易被打破，造成邊坡穩定性安全系數降低[5]。

1 Flac3D 的原理與步驟

Flac3D 是美國ITASCA 公司開發的仿真模擬軟件，利用源于流體力學的拉格朗日差分法，研究在規定時間內的位移與應力的變化[6]，Flac3D 把模型劃分為由多個六面體網格組成，網格數量根據需求來設置，更多的網格會造成更久的計算時間，但可以更精確的得到計算結果；Flac3D 動力學分析基于顯式有限差分方案，使用從周圍區域的實際密度（而不是用于靜態解決方案的虛擬質量） 導出集總網格點來求解完整的運動方程。FLAC3D 采用完全非線性分析方法，加入了“滯后阻尼”的因子對動荷載產生的非線性材料累積變形具有很好的還原能力，動荷載分為Fish 函數和Table 數表兩種類型，前者是在面施加荷載，后者是在點上施加荷載。

Flac3D 進行實際工程建模分析步驟如下：（1）根據工程中的地形地貌，進行一定程度的簡化和省略，建立出工程中關鍵地形地貌，根據計算精度不同和需要分組與劃分網格；（2）定義模型材料塑性并根據實際地形定義模型的邊界條件，施加初始重力，完成初始應力計算；（3）根據實際情況施加動荷載，在循環的過程中改變巖體基本物理參數；（4）設置邊坡穩定性安全系數，當破邊穩定性安全系數超過設定值時停止循環。

2 數值模擬分析

假設庫區邊坡水位勻速升降，巖體均質且符合彈性本構關系，基本物理參數在每一次水位升降后出現劣化，不考慮邊坡坡面水位升降造成的沖刷與侵蝕以及風化后巖體的損失。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格單元，本模型一共有81000 單元，整個模型采用摩爾庫倫彈塑性模型本構關系進行邊坡干濕循環位移量的模擬，模型的三個垂直方面底面及頂面固定，坡面施加一個循環的梯度荷載。計算過程中，地面和頂面的橫向動荷載隨著水位的升降變化，水位會在一年的時間內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，每經歷一次一年內的水位升降，邊坡巖體的基本物理參數就會發生一次劣化，從而影響到后續邊坡位移的變化；

3 計算參數

摩爾庫倫彈塑性模型材料屬性參數包括體積模量、粘聚力、剪脹角、內摩擦角、泊松比、剪切模量、抗拉強度、彈性模量等，本次模擬僅選用其中一部分材料參數進行計算，具體參數如表1：

表1 計算參數

4 計算過程及結果分析

本文主要從以下步驟進行庫區邊坡模型計算：步驟一：建立邊坡模型，按尺寸劃分網格，建立彈性本構關系，設置邊界條件和初始重力場并進行計算。

圖1 初始重力場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；應力方面卻是從上到下逐漸增加。步驟二：以最高水位點作為計算的起始點，當邊坡水位上漲到最高點時，水作用于邊坡坡面一個遞增的梯度力，因此在邊坡坡面施加一個指向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：梯度力對邊坡沉降有一定影響，邊坡在梯度力和重力的影響下產生的沉降相比于在重力的作用下的沉降量更少；而在應力方面，梯度力對邊坡坡面產生了負方向的應力，且在邊坡底角的應力更加集中了。步驟三：作用在邊坡坡面的梯度力會隨著水位升降循環增加減小，且在水位升降過程中，邊坡也進行了一次干濕循環，而干濕循環會對巖質邊坡產生劣化作用，降低巖體的彈性模量和泊松比等基本物理力學參數，所以在每一次水位升降之后對基本力學參數進行調整，盡量還原現場實際情況。如圖3 為循環梯度荷載作用下邊坡在X 的應力云圖，由于梯度荷載循環作用，在X 方向上，邊坡頂部的應力向X 的正方向，底部應力向X 的負方向，呈現出自上而下逐漸減小的應力。

圖3 Z 向應力云圖

圖4、圖5 為X、Z 兩個方向的位移云圖，X 方向上的位移整體呈現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，在Z 方向的位移為左右分化的趨勢，邊坡坡面中部位置出現了最大的Z 正方向位移，坡面頂部和底部都僅有少量的位移，而在邊坡內部中部位置具有最大的Z 負方向的位移，也就是在內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 不同點的應變趨勢

5 結論

本文通過FLAC3D6.0 分析了庫區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論：通過對庫區消落帶邊坡進行有限元差分數值模擬分析可知，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向上的變形為5.6x10-3，而在邊坡的內部具有最大的向下變形為4.7x10-3。