考慮水位面時土質邊坡初始應力場生成方法研究

陳志遠

(山東省臨沂市羅莊區水務局，山東 臨沂 276017)

0 引 言

無論在陸地還是海洋，涉及到土地資源利用和開發時，普遍會遇到邊坡工程穩定性問題，在陸地上，邊坡下方都有一定的地下水位面，水位面的波動會對邊坡穩定性產生一定影響，而處于海洋周圍的邊坡，尤其是土質邊坡，經常由于海浪波動，發生崩塌破壞，影響海底環境。學者們在應用數值分析軟件進行邊坡穩定性模擬時，普遍會遇到有地下水存在時，初始平衡狀態的計算問題。FLAC3D軟件在流固耦合問題處理上的優勢，得到學者們的認可和青睞。劉懷忠等基于FISH編程開發了一種在地震作用下邊坡破壞面的搜索方法，并在實際工程中得到了應用，結果證明了其開發的搜索法的正確性。潘網生等采用FLAC3D軟件對煤層開挖影響上方邊坡穩定性的問題進行了研究，對一個真實案例的滑坡進行了機理分析和討論，并預測了未來可能法生的滑坡災害。秦健春等研究了季節性凍土對邊坡穩定性的影響，主要用到了FLAC3D軟件。藍航等基于FLAC3D軟件對礦山開采造成的巖體垮塌進行了研究。韓萬東等對露天條件下的礦山邊坡的穩定性進行了數值模擬研究，主要采用Spence和Bishop兩種方法結合FLAC3D進行。Hsieh等對一個工程邊坡進行了分析研究，得出其穩定性特征，并提出了相應的支護措施[1-3]。

文章在基于對FLAC3D流固耦合原理的一定認識基礎之上，主要針對兩種不同水位面高程情況邊坡的初始平衡狀態下的反應力場的生成方法進行了研究，研究結論對采用FLAC3D軟件進行滲流相關的包括流場的計算提供了一定指導和幫助。

1 FLAC3D初始水壓場設置簡介

有地下水的條件下，在FLAC3D的計算準備階段，用戶需要完成兩件事情：(1)生成正確的水壓場；(2)計算至初始力學平衡狀態，獲得在有水壓條件下的初始平衡應力場。為此，用戶需要采用兩種構建初始水壓場的其中一種方法建立初始的水壓場，這兩種方法主要是采用‘zone gridpoint initialize porepressure’命令對水壓場直接初始化，第二種方法是采用 ‘zone water plane origin’命令指定水位面位置結合‘zone water density’命令指定水的密度一起對初始的水壓場進行構建，第二種方法種的兩個命令缺一不可。在完成了對初始水壓場的構建工作后，需要對水下土體材料賦予一個密度值，水上土體材料賦予另外一個密度值，采用一定的平衡標準對模型求解至平衡態，從而獲得初始應力平衡場，這一步是純力學計算，但是在這一步計算中，軟件卻能夠考慮到初始水壓場對平衡計算的影響，這正式FLAC3D軟件在處理流固耦合問題上的強大之處。

2 模型構建

如圖1所示的所構建的邊坡模型，坡面長20m，坡腳40°，坡頂和坡底各5m寬度，坡體前端高8m，坡體后端高20.7m，坡體底邊長25.4m，坡體向里延伸6m，以避免邊界效應可能帶來的影響，模型整體為土質邊坡，采用摩爾庫倫彈塑性本構模型模擬土體的性質，土體各項參數均采用真實的材料彈塑性參數，固定左右兩側和前后兩端的XY方向的位移，地面固定XY三個方向的位移，水位面主要設置成20.7m和8m高，以模擬現實邊坡的兩種情況：一種完全位于水下，一種一部分位于水下，另一部分位于水上。

圖1 構建的邊坡模型

3 計算結果

以下主要分析在邊坡模型全部位于水下和部分位于水下情況下，邊坡模型初始平衡應力場的生成方法，并指出兩種情況下，采用同一種生成方法時，應注意的細節問題。

1)邊坡模型全部位于水下

當邊坡模型全部位于水位面以下時，也即將水位面高程設置為20.7，與邊坡后端同高時，將邊坡土體材料的密度設置成其飽和密度，并賦予土體其他相關彈塑性材料屬性，施加邊界約束，采用zone water plane origin命令結合zone water density命令設置初始水力場，隨后采用一定的收斂準則進行計算，最終計算結果如圖2所示。當邊坡全部位于水下時，采用力學計算求解初始平衡應力場，此時獲得XX、YY方向初始平衡后的應力場如圖2中(a)、(b)所示，這與理論計算結果基本吻合，模擬結果正確，獲得ZZ方向以及三個方向(XX、YY、ZZ)初始應力求和后的初始平衡后的應力場如圖2中(c)、(d)所示，這與理論計算結果基本吻合，模擬結果正確，在此過程中，需要將邊坡位于水下部分的材料密度設置成其相應的飽和密度。結果表明，在邊坡模型全部位于水下情況下，采用zone water plane origin命令結合zone water density命令設置初始水力場，再通過彈塑性力學計算求解可以獲得正確的初始平衡力場。

(a)XX方向應力 (b)YY方向應力

2)對初始應力進行適當賦值

當邊坡模型部分位于水位面以下時，部分位于水位面以上時，也即將水位面高程設置為8m，與邊坡坡底同高時，將Z坐標≤8m的邊坡土體材料的密度設置成其飽和密度，而Z坐標>8m的邊坡土體材料的密度設置成其天然密度，并賦予土體其他相關彈塑性材料屬性，施加邊界約束，采用zone water plane origin命令結合zone water density命令設置初始水力場，隨后采用一定的收斂準則進行計算，最終計算結果如圖3所示。當邊坡只有部分位于水下時，采用力學計算求解初始平衡應力場，此時獲得XX、YY方向初始平衡后的應力場如圖3中(a)、(b)所示，這與理論計算結果基本吻合，模擬結果正確，獲得ZZ方向以及三個主方向(XX、YY、ZZ)初始應力求和后的初始平衡應力場如圖3中(c)、(d)所示，模擬結果同樣正確，在此過程中，需要將邊坡位于水下部分的材料密度設置成其相應的飽和密度，而位于水上部分的材料密度設置成天然密度。結果表明，邊坡模型部分位于水位面以下情況下，采用zone water plane origin命令結合zone water density命令設置初始水力場，再通過彈塑性力學計算求解可以獲得正確的初始平衡力場。

(a)XX方向應力 (b)YY方向應力

5 結 論

采用zone water plane origin命令結合zone water density命令設置初始水力場后，進行初始力學平衡計算時，應注意以下兩點：

1)當邊坡模型部分位于水位面以下時，需要將邊坡位于水下部分的材料密度設置成其相應的飽和密度，而位于水上部分的材料密度設置成天然密度。

2)當邊坡模型全部位于水位面以下時，需要將邊坡全部土體材料密度設置成其相應的飽和密度。

3)對于初始水力場的設置，文章只采用了其中的一種方法，另一種方法同樣能夠獲得理想的初始水力場，學者們在使用時，可根據實際情況，靈活運用。