基于FLAC3D的邊坡滲流模擬及穩定性分析

羅　群　劉維森

(1.長沙市中等城鄉建設職業技術學校,湖南 長沙　410000；　2.中國人壽財產保險長沙市中心支公司，湖南 長沙　410000)

1　概述

水對邊坡穩定性具有重要的影響。一方面，孔隙水壓力使土體的有效應力降低，影響了土體的抗剪強度，從而降低了邊坡的穩定性。另一方面，孔隙水的重力產生使邊坡土體下滑的作用效果，這部分的力對邊坡穩定性的影響更為明顯。通常，孔隙水壓力采用滲流場進行模擬。蔣中明等[1]采用FLAC3D軟件分析了邊坡在非飽和條件下的穩定性計算方法。對于礦山邊坡，于振等[2]采用FLAC3D軟件計算了應力和滲流耦合作用下的穩定性。王偉興等[3]結合Geo-Studio和FLAC2D分析了邊坡的流固耦合效應。基于離散單元法，關千軍[4]采用UDEC軟件研究了滲流對巖質裂隙邊坡的穩定性影響。

邊坡穩定性計算的商業軟件均嵌入了分析滲流場作用的模塊。例如，FLAC3D采用configure fluid命令進入滲流求解模式[5]；Geo-Studio中的Seep/W模塊模擬滲流場。在實際的使用中，不同邊界條件的處理對滲流的計算效果有較為明顯的差別。本文基于FLAC3D有限差分軟件，計算分析了不同滲流邊界條件對計算結果的影響，以期對邊坡的設計和施工提供一些參考。

2　FLAC3D滲流耦合的計算方法

流固耦合作用的模擬是數值模擬方法中比較復雜的問題。FLAC3D在滲流計算方面具有一些優勢，可以在設定流體介質和土體介質滲流參數的情況下，模擬得到合理的滲流場。同時，借助于耦合模型，能夠將孔壓變化而引起的應力場影響進行分析計算。此外，滲流邊界條件對流場的影響也較為顯著。

2.1　滲流分析的參數設置

在FLAC3D滲流模式下，需要設置的參數包括：滲透系數、流體密度。除此之外，對于顆粒可以壓縮的土體，需要設置比奧系數和比奧模量；對于不可壓縮的土體，需要設置流體的體積模量和孔隙率。如軟土地基堆載等情況，需將土體視為可壓縮土體。邊坡穩態分析中，通常將土體簡化為不可壓縮土體，主要反映出孔隙水的重力作用對邊坡穩定性的影響。此外，穩態分析中，采用較低的流體模量可以加快滲流計算的收斂。

2.2　流體邊界

通常采用的流體邊界有兩種：不透水邊界和透水邊界。兩者最大的區別在于不透水邊界上的孔壓值可以自由變化，而透水邊界上的孔壓值是固定的。FLAC3D默認邊界為不透水邊界。而在實際穩定滲流情況下，邊坡的邊界上的孔壓值經常是是固定不變的，這就需要將邊界設置為透水邊界。在FLAC3D中，透水邊界可以采用fix或apply命令進行設置，命令如下：

{fix pp孔壓值(可省略)range節點范圍}；或{apply pp孔壓值range節點范圍}。

fix命令需要和initial pp命令聯合使用。在apply命令中可以采用grad關鍵詞來表示孔壓的變化情況，或者采用hist來定義隨時間變化的孔壓值。需要注意的是，在坡面(斜面)為透水邊界的情況下，節點范圍指定在該坡面上的命令如下：

{apply pp 0 range plane normal-1 0 1 origin 0 0 0 z 0 10}。

該命令中，坡面平面采用normal和origin這兩個向量參數進行指定，范圍限制在z向0 m～10 m范圍內的平面。

3　安全系數計算結果對比

在分析邊坡穩定性分析中，可以采用固定孔壓的方法進行有效應力的分析，或者采用數值模擬所得到的穩定流場進行計算分析。相比較滲流耦合的方法，固定孔壓方法能夠節省大量的計算時間。本文分別采用固定孔壓方式和穩定流場兩種模式進行分析邊坡穩定性。

建立如圖1所示的模型。邊坡高度為10 m，坡角為45°。h為右側邊界水位距坡趾的距離。分別選取三種計算條件，即h=-0.25 m，0 m，5 m。在h=5 m的情況下，即坡體外水壓對坡面具有一定的作用效果。這部分力對邊坡產生反壓作用。本文采用applynstress命令，將水壓力視為法向力作用于坡面，從而模擬這部分的作用效果。

表1　計算參數取值表

固定孔壓情況下的計算過程為：

1)生成初始應力場，位移場清零。2)采用water table命令生成水面，水面以下的孔壓由程序自動計算完成。該計算條件下，不需要打開config fluid模式。3)采用強度折減法和二分算法，計算邊坡的安全系數，程序自動計算得到邊坡在臨界狀態下的滑移面。穩定滲流場情況下的計算過程為：1)生成初始應力場，位移場清零。2)打開config fluid滲流模式。采用initial pp命令指定邊界孔壓分布情況，通過fix或apply命令將邊界設置為透水條件，即固定邊界處的孔壓。3)關閉應力計算模式，計算穩定滲流場。命令為：set fluid on mech off。4)關閉滲流場計算，打開應力場模式，同時將流體模量設置為0，避免應力變化再次引起孔壓的變化。

兩種模式下，均采用強度折減法和二分算法，計算得到邊坡的安全系數。在不同水頭情況下，邊坡的安全系數計算結果如表2所示。從表2可以看出，采用滲流耦合方法計算得到的安全系數略小于固定孔壓模式。其原因是，滲流模式的孔壓值略大于固定孔壓模式。此外，隨著邊坡外水面的升高，邊坡的安全系數在增大。特別是h=5 m的情況，邊坡外水的反壓作用比較明顯，安全系數有明顯的提高。圖2，圖3為流場的等值線云圖。圖4，圖5分別是h=0和h=5 m情況下的剪切應變增量云圖，圖中存在明顯的剪切帶，即為邊坡的滑移面。從圖4和圖5中可以看出，隨著坡體外水位的增高，滑移面具有明顯的變化。h=5 m時，邊坡的滑移范圍擴大，滑移面有可能越過坡趾，形成垮塌。

表2　安全系數計算結果對比

4　結語

基于FLAC3D分析軟件，模擬了邊坡的滲流場。對于滲流場邊界的設置方法以及需要注意的問題進行了說明。分別計算并討論了不同流場邊界條件對滲流場的影響。結合強度折減法，計算了固定孔壓模式和穩定滲流模式兩種情況下邊坡的安全系數。計算結果表明滲流耦合方法計算得到的安全系數略小于固定孔壓模式。此外，坡體外水壓對坡面的反壓效果比較明顯，安全系數增大，且潛在的滑移面變化較大。

參考文獻: