基于FLAC3D的壩肩高陡邊坡穩定性分析

蔣買勇

（湖南水利水電職業技術學院長沙市410131）

基于FLAC3D的壩肩高陡邊坡穩定性分析

蔣買勇

（湖南水利水電職業技術學院長沙市410131）

通過建立三維數值模型，利用FLAC3D對某水電站工程壩肩高陡邊坡開挖支護進行模擬分析，分析不同開挖工況下邊坡位移及應力分布規律，從而確定最優開挖方案，并在此基礎上，考慮強降雨、地震工況。為確保該邊坡長期穩定以及安全冗余，對其不同的支護方案進行模擬分析，對支護措施進行參數敏感性分析，從而確定最佳支護方案。

壩肩邊坡有限差分法穩定性分析邊坡支護FLAC3D

近年來，隨著水利類重大項目與水電類項目的興建，伴隨而來的大型邊坡越來越多，邊坡地質災害問題也越來越突出，工程邊坡的穩定性以及安全措施對整個工程的建設與運行至關重要，因此，工程界一直以來都十分重視邊坡穩定性問題的研究分析。

傳統的邊坡穩定性評價主要采用極限平衡法、極限分析法、滑移線場法等[1]。自20世紀60年代以來，數值模擬技術廣泛應用于邊坡穩定性分析中[2～6]，其在計算方法及計算模型和巖土參數的確定方面都有了長足的進步，為邊坡穩定性分析計算精度和計算效率的提高創造了有利條件。

FLAC3D是美國ITASCA公司20世紀80年代開發的仿真計算軟件，該軟件基于“顯式拉格朗日”理論和“混合－離散分區”技術，能夠進行土質、巖石和其它材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析，并能輸出相應的位移、應力、速度等矢量等值線圖，對邊坡的穩定性進行分析。該軟件在分析連續介質變形上表現優異且計算功能強大，現已被廣泛用于巖土問題的分析計算中[7～10]。

本文以某水電站工程壩肩高陡邊坡為例，利用FLAC3D對其進行穩定性模擬分析，從而確定最優開挖和最佳支護方案。

1 工程概況

該壩肩邊坡所在水電站，采用河床式開發，電站正常蓄水位578.00 m，總庫容2 191萬m3，擋水建筑物最大壩高49.5 m，裝機容量300 MW。壩址區兩岸山體雄厚，邊坡陡峻，漫灘、階地發育，河流左岸地形坡度35°～40°，右岸地形坡度40°～50°，擬建壩址處河床寬約250 m，枯水期河水面寬約80 m，呈基本對稱的“V”型，壩址區河流呈向北凸出的弧形拐彎。壩址區巖性除第四系松散層外，基巖主要為下元古界峨邊群第一段蝕變玄武巖，第二段鈣泥質石英粉砂巖與含綠泥石板巖互層、震旦系上統燈影組白云巖及中條期花崗斑巖、澄江期輝綠巖以及第四系崩坡積、沖洪積層。

此外，根據壩址區地下水賦存條件，可分為第四系松散層中的孔隙性潛水和基巖裂隙性潛水兩種類型。孔隙性潛水主要賦存于河谷及兩岸第四系松散層中，受大氣降水的補給和兩岸地下水補給，河漫灘的地下水與河水呈互補關系。基巖裂隙性潛水賦存于基巖裂隙中，受大氣降水補給，向河谷排泄。

根據《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》（DL 5180-2003）及《水電水利工程邊坡設計規范》（DL/T 5353-2006）的有關規定：本工程為二等工程，工程規模為大（Ⅱ）型。

2 邊坡穩定性分析

2.1 建立模型

該邊坡的地質剖面如圖1所示，存在6條發育斷層且傾向坡外，構成了對邊坡穩定不利的組合區域。該邊坡自下而上，可細分為4層，①層為卵石層，②層為泥礫石層，③層為含漂石卵石層，④層為基巖屬蝕變輝綠巖。

圖1 邊坡地質剖面圖

為了提高建模精度和建模效率，首先在AutoCAD中完成該地質剖面的繪制和模型劃分，經進一步處理后導入到ANSYS中實現模型的網格劃分以及材料分區，然后將生成的計算模型導入到FLAC3D中進行計算，如圖2所示。

圖2 數值計算模型圖

2.2 確定計算參數

在整個計算中，采用摩爾-庫倫模型，對邊坡三維模型進行模擬分析，主要采用的模型參數，根據現場勘探、原位測試以及室內土工試驗，最終確定如表1所示。

表1 邊坡巖土體參數取值

2.3 計算過程及穩定性分析

根據工程實際情況，對該邊坡分別擬定了一次、二次、四次等三種不同開挖方案，針對其不同開挖工況進行數值模擬，研究不同工況下邊坡的位移及應力分布規律，計算邊坡的安全系數。并在四次開挖穩定分析的基礎上，進一步考慮了降雨對邊坡土層的軟化以及地震對邊坡土層的振動對安全系數的影響。

（1）一次開挖方案。

對一次開挖工況進行數值模擬，計算結果如圖3。圖3（a）為剪應力增量云圖，圖3（b）為X方向位移云圖。從圖3（a）可以看出，剪應力增量主要分布在F2和F3構成的折線斷層面以及F6斷層面，由于F6斷層面傾向與坡向相反，因而處于穩定狀態。如圖3（b）坡體沿X方向的位移也發生在F2和F3構成的折線斷層面以上不穩定區域，最大位移為129.22 mm。結果表明F2和F3構成的折線斷層面以上的土體處于不穩定狀態。根據強度折減法計算該工況的安全系數為1.11，低于該邊坡的設計安全系數1.15。

（2）二次開挖方案。

為提高該邊坡的穩定性，考慮對該邊坡采用二次開挖的方法，并對開挖過程進行了數值模擬分析。計算結果如圖4。圖4（a）為剪應力增量云圖，圖4（b）為X方向位移云圖。從圖4（a）可以看出，剪應力增量同樣集中分布在F2和F3構成的折線斷層面以及F6斷層面。如圖4（b）坡體沿X方向的位移也發生在F2和F3構成的折線斷層面以上不穩定區域，最大位移為129.02 mm。F2和F3構成的折線斷層面以上的土體仍處于不穩定狀態。根據強度折減法計算該工況的安全系數為1.13，低于該邊坡的設計安全系數1.15。

圖3 一次開挖計算結果

圖4 二次開挖計算結果

（3）四次開挖方案。

由于邊坡分兩次開挖，明顯提高了該邊坡的穩定性，為進一步提高該邊坡的穩定性，故采用四次開挖，并對該工況下進行了數值模擬分析，其計算結果如圖5。圖5（a）剪應力增量云圖，圖5（b）為X方向位移云圖。與一次開挖和二次開挖兩種工況一致，F2和F3構成的折線斷層面以上的塊體仍處于不穩定狀態，從圖5（b）可以看出，坡體沿X方向的最大位移為125.97 mm。根據強度折減法計算該工況的安全系數為1.14，低于該邊坡的設計安全系數1.15。

圖5 四次開挖計算結果

根據以上三種不同開挖方案的模擬分析，可以看出該邊坡采用四次開挖方案時，其安全系數最高為1.14，雖小于設計安全系數1.15，但基本與1.15接近，故建議采用方案三，即四次開挖方案對該邊坡進行開挖。

為了進一步分析該邊坡在長期運行過程中遭遇強降雨和地震對其穩定性的影響，在四次開挖穩定分析的基礎上，對其分別增加暴雨工況和地震工況進行了數值模擬分析。暴雨工況：巖層容重取浮容重；地震工況：場地地震烈度為Ⅶ度，采用50年超越概率10%的基巖水平向地震動峰值加速度為102.7gal設計，采用擬靜力法計算。分析得出該邊坡在暴雨工況下的安全系數為1.04，地震工況下的安全系數為1.03，均低于該邊坡的設計安全系數1.05。

3 邊坡支護分析

從上一節的穩定性計算分析可以看出，F2和F3構成的折線斷層面以上的土體處于不穩定狀態，為了確保該邊坡的穩定性，需通過分析不同支護方案下的邊坡穩定性，來尋求最佳的支護方案。支護錨桿采用為40 m長的1 000 kN預應力錨索（排間距為6 m×6 m，下傾20°），分別擬定7排、8排、9排、10排四個支護方案，分別對其進行模擬分析，其支護方案（排數）以及對應的邊坡安全系數如表2所示。

表2 邊坡支護分析

通過以上分析對比，最終確定采用9排錨桿支護方案，錨桿支護結果如圖6所示，圖6（a）為剪應力增量云圖，圖6（b）為X向位移云圖。此時，坡體沿X方向的最大位移為120.42 mm。

圖6 錨桿支護計算結果

4 結論

在現場調查及地質分析的基礎上，利用有限差分計算軟件FLAC3D對壩肩高陡邊坡進行數值模擬，并用強度折減理論計算邊坡在不同工況下的安全系數，對邊坡的穩定性進行評價。在此基礎上，進一步開展邊坡支護分析，得到以下結論：

（1）在開挖工況下，剪應力增量主要分布在F2和F3構成的折線斷層面以及F6斷層面，由于F6斷層面傾向與坡向相反，處于穩定狀態。而F2和F3構成的折線斷層面以上的滑塊處于不穩定狀態。通過計算安全系數得出，四次開挖為最優開挖方案。

（2）針對F2和F3構成的折線斷層面以上的不穩定區域，通過不同的錨桿支護方案，計算邊坡安全系數，分析對比最終確定9排錨桿支護為最佳支護方案。

[1]趙尚毅，鄭穎人，時衛民，等.用有限元強度折減法求邊坡穩定安全系數[J].巖土工程學報，2002，24（3）:343-346.

[2]林清，張季和.公路開挖邊坡的穩定性分析方法研究[J].長江科學院院報，2003，20（5）:42-44.

[3]夏元友，李梅.邊坡穩定性評價方法研究及發展趨勢[J].巖石力學與工程學報，2002，21（7）:1087-1091.

[4]劉立平，雷進生.邊坡穩定性分析方法的最新進展[J].重慶大學學報：自然科學版，2000，23（3）:115-118.

[5]楊學堂，王飛.邊坡穩定性評價方法及發展趨勢[J].巖土工程技術，2004，18（2）:103-106.

[6]李春忠，陳國興，樊有維.基于ABAQU的強度折減有限元法邊坡穩定性分析[J].防災減災工程學報，2006，26（2）：207-212.

[7]劉春玲，祁生文，童立強.利用FLAC3D分析某邊坡地震穩定性[J].巖石力學與工程學報，2004，23（16）:2730-2733.

[8]魏繼紅，吳繼敏，孫少銳.FLAC3D在邊坡穩定性分析中的應用[J].勘察科學技術，2005（2）：27-30.

[9]喬國文，王運生，房冬恒.西南某電站右岸開挖邊坡穩定性的FLAC3D分析[J].工程地質學報，2004，12（3）：280-284.

[10]艾興.基于FLAC3D的邊坡變形破壞機理數值模擬研究[J].露天采礦技術，2012，（4）:59-61.

2016-09-19）

蔣買勇（1983-），男，湖南邵陽人，碩士，講師、工程師，主要從事水利工程安全評價與病害防治技術、工程項目管理技術等方面的教學與研究工作，E-mail：jmaiyong@163.com。