FLAC 在順層邊坡穩定性計算中的對比應用

李洪碧 耿海洋

(1.內江師范學院，四川 內江 641112;2.四川省清源工程咨詢有限公司，四川 成都 610072)

0 引言

目前土建工程中常遇到邊坡穩定與支護等問題，我們對常見的邊坡按照組成地層巖性分類分為巖質邊坡與土質邊坡;對于巖質邊坡按照巖層結構分為:層狀結構、塊狀結構、網狀結構邊坡;巖質邊坡的破壞形式有滑坡、塌滑、崩塌、剝落等［1］;影響巖質邊坡穩定的因素主要分為內因和外因，內因:巖土性質、地質構造、巖土結構、水的作用、地震作用、地應力和殘余應力等，外因:工程荷載條件、振動、斜坡形態及風化等;對于邊坡的穩定性評價應根據其地形地貌、形態特征、地層條件、地下水條件和出露位置等因素綜合確定。當前對于邊坡的安全穩定性分析有多種方法可以采用，常見的有數值分析法及極限平衡法等，文中采用的是數值分析法中的顯示數值差分法，來分析一個順層巖質邊坡的安全穩定性，采用極限平衡法的結果做對比。

1 FLAC理論

1.1 FLAC 簡介

近年來數值模擬方法隨計算機技術的進步有較快的發展，文中采用的顯示數值差分程序是FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continuum)——“快速拉格朗日差分分析”。

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是由Itasca公司研發推出的連續介質力力學分析軟件，是國際通用的巖土工程專業分析軟件，具有強大的計算功能和廣泛的模擬能力，尤其在大變形問題的分析方面具有獨特的優勢［2］。軟件提供的針對巖土體和支護體系的各種本構模型和結構單元更突出了FLAC的“專業”特性，在國際土木工程(尤其是巖土工程)學術界和工業界享有盛譽。

FLAC程序主要是為巖土工程應用而開發的巖石力學計算程序，程序中包括了反映巖土材料力學效應的特殊計算功能，可解算巖土類材料的高度非線性(包括應變硬化/軟化)、不可逆剪切破壞和壓密、粘彈(蠕變)、孔隙介質的固—流耦合、熱—力耦合以及動力學行為等。

圖1 基本顯式計算循環圖

1.2 計算原理

FLAC計算時用戶先將模型分成由四邊形單元組成的有限差分網格，FLAC程序再將每個單元生成兩組重合的三角形單元。在外力的作用下單元根據材料的本構關系，單元應力會發生改變，同時引起材料的變形。計算過程是首先調用運動方程，從應力和外力導出了新的速度和位移，然后根據速度導出應變速率，以及由應變速率得出新的應力［3］，見圖1。在計算時FLAC采用盡可能小的時步，假設每個單元的變形尚未傳遞到相鄰單元，在這種假設下經多次循環，得出最弱結果。

1.3 FLAC程序的優、缺點

1)對于模擬塑性大變形及流動模型時采用了混合單元離散模型;2)對于靜態系統也采用了動態方程，使得FLAC可以模擬物理不穩定進程;3)顯式解決方案使得對于非線性應力—應變法則與線性法則相比同樣快速;4)對于不同本構模型不用調用不同的算法;5)FLAC的不足有對比線性模擬更適用于處理非線性或大應變問題［3］。

2 工程實例

2.1 工程簡介

工程為某水電站壩址右岸邊坡，邊坡走向N33°W，傾向NE∠57°，平均坡度∠42°，平均坡高220 m;巖性為灰色～灰黑色，中厚層狀變質砂巖夾中薄層狀板巖;巖層產狀:N40°W/NE∠40°～46°，優勢節理發育有兩組:1)N77°E/SE∠64°，節理面平直，微粗糙，間距5 cm～20 cm，延伸長度5 m～8 m，多充填有0.5 mm～3 mm的石英脈;2)N27°E/NW∠66°，節理面微起伏，粗糙，間距0.5 m～1 m，延伸長3 m～5 m，閉合無充填。坡體表面局部分布覆蓋層，主要為崩坡積塊碎石及沖洪積的含漂砂卵礫石層，覆蓋層主要分布在河床及坡腳位置，勘探揭示最大厚度為12.0 m，見圖2～圖5。壩址的地震水平峰值加速度為0.1g，地震基本烈度為7度。

圖2 工程地質平面圖

2.2 計算參數確定

根據現場地質勘察，對巖土體取樣做室內試驗，得到的邊坡巖土體物理力學參數見表1。

圖3 節理裂隙及坡面產狀赤平投影

根據現場勘察結果，確定各勘探剖面在邊坡體中的位置，考慮邊坡體實際情況，確定典型計算剖面，見圖6。

圖4 順層巖體變形破壞現狀

圖5 巖層構造

表1 巖土物理力學參數表

圖6 典型剖面圖

2.3 計算工況及荷載組合

由于水電站在運行期間水位的變化及自然因素影響，所以要考慮多種工況下的邊坡穩定，特選取以下幾種可能工況及荷載組合來校驗邊坡安全系數，見表2。

表2 工況組合

2.4 計算模型

由于本工程所涉及的為巖質邊坡，巖體有明顯的層理、軟弱夾層發育，層理傾向為順坡向，因此對邊坡做穩定性分析時要考慮到層面的影響，本邊坡巖體層理發育的影響，造成順層面方向抗剪強度較垂直層面方向小，巖石將沿抗剪強度較小的方向破壞，在建立邊坡計算模型時基巖材料要采用各向異性材料——節理化模型，見圖7，圖8，軟弱面的搜索采用拆線破壞面求解。

圖7 極限平衡法計算模型

圖8 FLAC計算模型

2.5 計算結果

根據土工實驗數據分別采用極限平衡法和顯式有限差分法的計算結果，見表3。

表3 不同計算方法下安全系數K值

通過對所得安全系數可見兩種方法的結果偏差在6.2%以內，最小誤差為2.8%，滑動破壞面及工程量也基本一致，FLAC計算結果與工程現場勘察較為相符，計算結果具有一定的可靠性。

3 結論與建議

根據以上的計算結果對比得出結論如下:

1)FLAC可以用于均質各向異性巖質邊坡的穩定性分析;

2)FLAC的計算結果與極限平衡法計算的結果接近，分析成果合理;

3)FLAC的計算結果可以作為對比應用，此邊坡在蓄水后安全性較差，若在此建壩，建議對邊坡采取支護處理。

［1］《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊［M］.第4版.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［2］Flac Help，Flac隨機指南手冊［Z］.

［3］劉 波，［美］韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［4］魏繼紅，吳繼敏，孫少銳，等.FLAC3D在邊坡穩定性分析中的應用［J］.勘察科學技術，2005(2):89-92.

［5］馬 聰，譚躍虎，何世海，等.卡拉水電站田三滑坡體風險分 析［J］.巖土工程技術，2011(4):11-15.