基于FLAC 3D的高邊坡安全穩(wěn)定靜動(dòng)力分析

高佳東，劉逸輝，張 巍

(1.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

我國重大水利工程大壩建設(shè)處于較為領(lǐng)先的水平，而水庫大壩作為重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，廣泛應(yīng)用于防洪、供水、泥沙控制、改善水環(huán)境和解決水資源分布不均等問題[1-2]。但由于工程質(zhì)量缺陷及洪水、地震、凍害現(xiàn)象、氣候變化等極端事件的不利影響，以及人為因素影響、管理不當(dāng)?shù)纫l(fā)的非常規(guī)運(yùn)行工況，均會(huì)影響到水庫大壩的運(yùn)行安全[3-7]、經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境影響[8-10]。

甘肅玉門抽水蓄能電站屬于一等大(1)型工程，工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度。其上水庫布置于照壁山山頂臺(tái)地，東南外側(cè)陡崖高差大，坡面陡峭，卸荷強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，巖體破碎，其穩(wěn)定性直接影響到上水庫大壩的運(yùn)行安全。

隨著現(xiàn)代計(jì)算土力學(xué)的發(fā)展，為更好地研究邊坡安全穩(wěn)定性，數(shù)值計(jì)算已成為主要計(jì)算手段。任東興等11]、董杰華等[12]以邊坡工程實(shí)例為背景，利用ABAQUS軟件模擬邊坡破壞機(jī)理，研究其應(yīng)力變形特征及其穩(wěn)定性；何彬[13]、吳旭敏等[14]針對(duì)邊坡失穩(wěn)的問題，利用Geo-studio軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析邊坡穩(wěn)定性的影響因素；徐宏等[15]運(yùn)用MIDAS GTS NX軟件計(jì)算不同力學(xué)參數(shù)下的邊坡安全系數(shù)，研究邊坡安全系數(shù)影響因素的敏感性；匡義等[16]、毛正君等[17]通過對(duì)不同地區(qū)的邊坡采用FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，研究邊坡破壞模式和穩(wěn)定性影響因素。目前，大部分三維有限元法中采用隱式求解方案，求解非線性復(fù)雜問題所花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，且存在累計(jì)誤差；在模擬物理上極限狀態(tài)的不穩(wěn)定過程時(shí)采用靜態(tài)方程求解，存在數(shù)值上的障礙。而FLAC 3D軟件基于顯式有限差分法計(jì)算原理[22]，在求解非線性問題時(shí)，不需通過迭代來滿足本構(gòu)關(guān)系，避免了累計(jì)誤差以及解決了花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)的問題，應(yīng)力通過應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，跟隨應(yīng)變實(shí)時(shí)變化，進(jìn)而跟蹤系統(tǒng)的演化過程，使得計(jì)算時(shí)間幾乎與線性本構(gòu)關(guān)系相同；同時(shí)采用動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程描述地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生破壞的力學(xué)行為，可用于模擬巖體開挖卸荷效應(yīng)問題。

因此，本文利用FLAC 3D軟件對(duì)上水庫外側(cè)高邊坡進(jìn)行計(jì)算分析，評(píng)價(jià)上水庫在不同工況下邊坡的穩(wěn)定性和抗震安全性，并結(jié)合分析結(jié)果，提出邊坡防護(hù)工程措施及上水庫工程布置合理性建議。

1 工程概況

上水庫庫區(qū)為北、東及南側(cè)三面開挖，西側(cè)筑壩成庫。庫壩軸線環(huán)庫全長(zhǎng)2863m，西北側(cè)窄，東南側(cè)稍寬。主壩布置在西南側(cè)和南側(cè)，長(zhǎng)1228m，最大壩高65.8m，副壩位于水庫東南側(cè)，長(zhǎng)92m，最大壩高12m，壩型均采用瀝青混凝土面板堆石壩，庫壩線距離東南端側(cè)山體的最近水平距離約200m。上水庫外側(cè)高邊坡示意如圖1所示。

圖1 上水庫外側(cè)高邊坡示意圖

照壁山四周現(xiàn)狀地形均為陡崖，東南外側(cè)陡崖邊緣與溝底最大高差約900m，平面距離1350～1900m。陡崖段平面長(zhǎng)度350～600m，高度400m左右，山體坡度以50°～70°為主，局部近直立或倒坡；在高程2350～2400m形成寬度100～300m的緩坡平臺(tái)，2350m平臺(tái)向溝底形成一連續(xù)的斜坡段，平面長(zhǎng)度約1km，地形坡度整體以小于30°為主。受斷裂構(gòu)造、巖體卸荷及凍融作用等影響，陡崖段近山頂處巖體形成不穩(wěn)定塊體，崩塌、坐落現(xiàn)象強(qiáng)烈，在坡腳及緩坡段堆積有崩積物。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 模型建立

2.1.1三維整體模型

選取上水庫外側(cè)照壁山區(qū)域建立三維整體計(jì)算分析模型。模型的x坐標(biāo)軸與大地坐標(biāo)系的東西方向重合，總長(zhǎng)2740m；模型的y坐標(biāo)軸與大地坐標(biāo)系的南北方向重合，總長(zhǎng)1130m；模型的z坐標(biāo)軸與鉛直向重合，向下覆蓋的最低高程為1260m，向上則建模至地表，覆蓋范圍內(nèi)最低的地表高程為2020m，最高的地表高程為2900m，故模型在高程方向上的高度為760～1640m。

計(jì)算分析模型共考慮覆蓋范圍內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)化、弱微風(fēng)化奧陶系微泥晶灰?guī)r等巖層和F1斷層，以及上水庫臨邊坡一側(cè)的堆石壩和壩后堆渣體。其中，與堆石壩平行布置的壩后堆渣體以實(shí)體單元形式建出(如圖2所示)，其他壩后堆渣體則通過在計(jì)算時(shí)施加覆蓋范圍內(nèi)地表等效荷載的方式來考慮。

圖2 三維整體模型網(wǎng)格圖

2.1.2準(zhǔn)三維模型

在主壩最大壩高位置沿垂直壩軸線建立準(zhǔn)三維模型。該模型長(zhǎng)1930m，高690～1320m，覆蓋范圍的地表高程從2320m增加至2950m，網(wǎng)格劃分考慮強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化和微風(fēng)化地層，以及F1斷層和L1結(jié)構(gòu)面。進(jìn)一步給出了準(zhǔn)三維模型的邊坡坡表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置，如圖3所示。

圖3 準(zhǔn)三維模型的模型圖

2.2 本構(gòu)模型及計(jì)算參數(shù)

邊坡巖體的本構(gòu)模型采用FLAC 3D的考慮拉伸修正的摩爾庫倫模型和遍布節(jié)理模型。根據(jù)地勘結(jié)果可知，上水庫外側(cè)陡崖地層巖性主要為微泥晶灰?guī)r，其邊坡巖體物理力學(xué)性質(zhì)和透水性指標(biāo)見表1、構(gòu)面力學(xué)指標(biāo)見表2。采用動(dòng)力時(shí)程計(jì)算地震作用時(shí)，巖體的動(dòng)態(tài)物理力學(xué)參數(shù)與靜態(tài)值一致。考慮工程主要關(guān)注邊坡巖體的穩(wěn)定性，初始地應(yīng)力通過自重應(yīng)力場(chǎng)方法計(jì)算。

表1 邊坡巖體物理力學(xué)性質(zhì)和透水性指標(biāo)

表2 邊坡巖體構(gòu)面力學(xué)指標(biāo)

2.3 計(jì)算分析工況

計(jì)算工況選取天然狀態(tài)工況、庫水滲漏工況和設(shè)計(jì)地震工況。其中設(shè)計(jì)地震工況是在壩后堆渣工況的基礎(chǔ)上，計(jì)算設(shè)計(jì)地震荷載采用100年超越概率2%設(shè)防水平、基巖水平峰值加速度為514.2g工況。

以上工況均采用整體三維模型進(jìn)行計(jì)算分析，其中設(shè)計(jì)地震工況采用擬靜力法計(jì)算，并進(jìn)一步采用準(zhǔn)三維模型，通過動(dòng)力時(shí)程法進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)地震安全性評(píng)價(jià)建議的基巖設(shè)計(jì)規(guī)準(zhǔn)反應(yīng)譜，采用人工合成的方法，生成加速度時(shí)程曲線，如圖4所示。并根據(jù)規(guī)范考慮計(jì)算分析模型的底部到地表的距離超過50m，因此直接將加速度時(shí)程折半后，作為設(shè)計(jì)地震荷載輸入模型底部。

圖4 加速度時(shí)程曲線

3 邊坡穩(wěn)定分析

3.1 天然狀態(tài)工況

通過探究上水庫外側(cè)陡崖邊坡的初始地應(yīng)力場(chǎng)與邊坡應(yīng)力分布的對(duì)應(yīng)規(guī)律，可為后續(xù)邊坡穩(wěn)定性分析提供可靠的初始應(yīng)力場(chǎng)條件。采用三維強(qiáng)度折減方法，對(duì)處于天然狀態(tài)下的邊坡求取強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)。如圖5所示，當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)為1.50時(shí)，邊坡關(guān)鍵點(diǎn)變形的變化曲線開始出現(xiàn)拐點(diǎn)，顯示邊坡開始進(jìn)入臨界失穩(wěn)狀態(tài)。因此，天然狀態(tài)下的邊坡安全系數(shù)可取為1.50。

圖5 邊坡關(guān)鍵點(diǎn)變形隨強(qiáng)度參數(shù)折減系數(shù)的變化曲線

對(duì)于處于臨界狀態(tài)的邊坡，其失穩(wěn)模式為剪切滑移+后緣拉裂破壞。其中，前緣剪出口位于2520m高程左右的邊坡坡表，后緣為拉裂破壞，拉裂面在2800m高程附近的邊坡坡表出露。邊坡變形和邊坡剪切滑動(dòng)帶分布如圖6—7所示。

圖6 處于臨界狀態(tài)的邊坡變形圖

圖7 處于臨界狀態(tài)的邊坡剪切滑動(dòng)帶分布

3.2 庫水滲漏工況

假定正常蓄水工況條件下，庫盆防滲措施失效，引發(fā)上水庫庫水持續(xù)滲入邊坡，且上水庫水源可得到穩(wěn)定補(bǔ)給，使上水庫庫水水位保持不變，使計(jì)算分析模型最終形成穩(wěn)定滲流場(chǎng)。

在上水庫庫水持續(xù)入滲邊坡且維持庫水水位不變的條件下，地下水在邊坡坡表溢出，最終形成穩(wěn)定滲流場(chǎng)時(shí)，邊坡坡表溢出區(qū)域的高程在2600m附近，其孔隙水壓力如圖8所示。

圖8 庫水滲漏入滲邊坡后孔隙水壓力在三維模型內(nèi)的分布(單位：MPa)

根據(jù)邊坡滲流場(chǎng)計(jì)算滲流荷載，并分析由滲流荷載引起的邊坡巖體變形。由庫水入滲的滲透荷載引起的邊坡變形在18.1mm以內(nèi)，變形矢量總體為沿著邊坡坡表指向下，且邊坡巖體的變形分布受到F1斷層的一定影響，在斷層上下盤出現(xiàn)一定的不連續(xù)分布特征。邊坡變形和邊坡剪切滑動(dòng)帶分布如圖9—10所示。

圖9 處于臨界狀態(tài)的邊坡變形圖

圖10 處于臨界狀態(tài)的邊坡剪切滑動(dòng)帶分布

如圖11所示，庫水入滲工況條件下的邊坡安全系數(shù)可取為1.48，對(duì)應(yīng)的邊坡失穩(wěn)模式與天然狀態(tài)工況下的基本一致。

圖11 邊坡關(guān)鍵點(diǎn)變形隨強(qiáng)度參數(shù)折減系數(shù)的變化曲線

3.3 設(shè)計(jì)地震工況

3.3.1擬靜力法

首先采用擬靜力法計(jì)算設(shè)計(jì)地震荷載，如圖12所示，設(shè)計(jì)地震工況條件下的邊坡安全系數(shù)可取為1.26，對(duì)應(yīng)的邊坡失穩(wěn)模式與天然狀態(tài)工況下的基本一致。

圖12 邊坡關(guān)鍵點(diǎn)變形隨強(qiáng)度參數(shù)折減系數(shù)的變化曲線

3.3.2動(dòng)力時(shí)程法

通過準(zhǔn)三維計(jì)算分析模型，采用動(dòng)力時(shí)程分析方法考慮設(shè)計(jì)地震荷載效應(yīng)，計(jì)算分析邊坡的穩(wěn)定性。采用圖4給出的加速度記錄輸入模型。通過觀察邊坡巖體變形，分析邊坡巖體動(dòng)位移分布；通過A、B、C、D四個(gè)部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)反應(yīng)邊坡的動(dòng)位移時(shí)程曲線特性，以及地震動(dòng)作用完成時(shí)刻的殘余動(dòng)位移特征；在完成動(dòng)力時(shí)程計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用強(qiáng)度折減法求取邊坡安全系數(shù)。

(1)邊坡巖體的動(dòng)位移分布和邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)位移特性在地震動(dòng)作用過程中，邊坡巖體總體上呈現(xiàn)位移一致響應(yīng)的特征，邊坡的整體性較好。邊坡水平向動(dòng)位移分布在2.19～24.50cm。邊坡巖體的動(dòng)位移在絕大部分時(shí)刻均指向坡外側(cè)，且在斷層部位出現(xiàn)動(dòng)位移不連續(xù)現(xiàn)象，如圖13所示。

圖13 邊坡巖體水平向動(dòng)位移分布

如圖14所示，邊坡坡表不同高程的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在地震動(dòng)荷載作用下的動(dòng)位移時(shí)程曲線形態(tài)相同，變化規(guī)律也較為一致，僅是量值上存在一定區(qū)別。監(jiān)測(cè)點(diǎn)A～D在地震動(dòng)作用完成時(shí)的殘余動(dòng)位移分布在6.74～12.62cm，見表3，其中量值相對(duì)較大的部位為結(jié)構(gòu)面附近的測(cè)點(diǎn)，其他部位的殘余動(dòng)位移相對(duì)較小。

表3 邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)位移特征參數(shù)統(tǒng)計(jì) 單位：cm

圖14 邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)位移時(shí)程曲線

(2)安全系數(shù)。如圖15所示，在加速度記錄輸入的設(shè)計(jì)地震工況條件下的邊坡安全系數(shù)可取為1.15，對(duì)應(yīng)的邊坡失穩(wěn)模式與天然狀態(tài)工況下的基本一致。

圖15 邊坡關(guān)鍵點(diǎn)變形隨強(qiáng)度參數(shù)折減系數(shù)的變化曲線

對(duì)比擬靜力法計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在整體三維模型計(jì)算時(shí)，潛在失穩(wěn)邊坡受到兩側(cè)未失穩(wěn)區(qū)域的約束，即存在邊坡變形的三維效應(yīng)，使得計(jì)算得到的安全系數(shù)大于準(zhǔn)三維模型計(jì)算得到的安全系數(shù)。

4 結(jié)語

研究采用FLAC 3D軟件，對(duì)玉門抽水蓄能電站上水庫外側(cè)高邊坡的穩(wěn)定性開展了靜動(dòng)力數(shù)值模擬分析，主要結(jié)論為：

(1)針對(duì)上水庫外側(cè)高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，各計(jì)算工況的邊坡潛在失穩(wěn)區(qū)域和失穩(wěn)模式一致，安全系數(shù)均大于容許值，上水庫布置方案基本合理。考慮因斷層構(gòu)造、巖溶溶隙等不良地質(zhì)現(xiàn)象影響，產(chǎn)生的局部不穩(wěn)定塊體，需進(jìn)行局部的錨噴加固處理。

(2)地震動(dòng)作用對(duì)邊坡巖體的結(jié)構(gòu)面影響相對(duì)顯著，結(jié)構(gòu)面附近的淺表層邊坡發(fā)生一定量值的錯(cuò)動(dòng)且在臨空面出露區(qū)域更為明顯。但總體位移絕對(duì)量值較小，對(duì)邊坡巖體的影響有限。

(3)研究通過動(dòng)力時(shí)程法分析地震工況時(shí)輸入了單一的時(shí)程曲線，為提高計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，需進(jìn)一步考慮采用不同的相角對(duì)應(yīng)的時(shí)程曲線進(jìn)行計(jì)算。