分布不均勻性對渣場邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果的影響

孫國梅

(喀左縣水利勘測設(shè)計隊,遼寧 朝陽 122300)

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟社會的迅速發(fā)展，水利工程建設(shè)迎來一波新的建設(shè)高潮。在水利工程施工中往往需要進行大量的土石方開挖，進而產(chǎn)生數(shù)量巨大的棄渣，這些棄渣一般由松散的土體和碎石構(gòu)成，具有非飽和、欠密實和多孔隙的特點，因此堆渣體強度低、易滑坡[1]。遼寧省蒲石河抽水蓄能電站是東北地區(qū)興建的最大抽水蓄能電站，主要由上下游水庫、大壩、地下廠房以及輸水系統(tǒng)構(gòu)成[2]。由于電站在建設(shè)中需要進行大量土石方開挖，并產(chǎn)生數(shù)量較大的渣土，因此設(shè)置了上水庫庫盆、下水庫庫盆、六道坎和泉眼溝四處渣場。其中，六道坎渣場的堆渣量為34.56萬m3，屬于大型渣場，由于堆渣量大，高度高，其邊坡穩(wěn)定性研究具有重要的工程意義[3]。

隨著計算機信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬分析方法被廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性計算領(lǐng)域，并發(fā)揮重要的作用和價值[4]。但是，在目前的實際工程應(yīng)用領(lǐng)域，一般會將土石混合邊坡簡化為均質(zhì)土邊坡進行穩(wěn)定性分析。雖然梁希林等[5]研究了土石混合邊坡中不同含石量對邊坡穩(wěn)定性的影響，但是在研究中仍將邊坡視為均勻含石量的混合邊坡，而沒有考慮含石量在空間上的分布差異。在堆渣體形成過程中，棄渣中不同粒徑的渣石會在自重作用的影響下出現(xiàn)自然分選，從而形成明顯的分層和分區(qū)結(jié)構(gòu)[6]。基于此，本文以蒲石河抽水蓄能電站六道坎棄渣場為例，對不同分層、分區(qū)模型下的邊坡穩(wěn)定性進行計算，以獲取分布不均勻性對堆渣體邊坡穩(wěn)定性的影響。

2 研究方法

2.1 計算方案設(shè)計

結(jié)合渣場堆渣體的分層的實際特點以及六道坎渣場的具體情況，設(shè)置了四種不同的計算模型，分別為計算模型1、計算模型2、計算模型3和計算模型4。其中，計算模型1將邊坡視為均質(zhì)邊坡，邊坡的巖土體采用完全相同的物理力學(xué)參數(shù)；計算模型2將堆渣體的邊坡分為3層，并對每層巖土體賦予不同的物理力學(xué)參數(shù)值；計算模型3將堆渣體的邊坡分為5層，并對每層巖土體賦予不同的物理力學(xué)參數(shù)值；計算模型4將堆渣體邊坡進行分層和分區(qū)處理，共劃分為5層14個不同區(qū)域，每個區(qū)域的巖土體均賦予不同的物理力學(xué)參數(shù)值。對上述四種不同的模型在自然工況下的位移、應(yīng)力和安全系數(shù)進行數(shù)值模擬計算，以獲取巖土體分布不均勻性對堆渣體邊坡穩(wěn)定性的影響。

2.2 計算模型的構(gòu)建

由于FLAC3D軟件不具備較強的前處理功能，不利于進行比較復(fù)雜的三維模型構(gòu)建[7]。因此，本研究中考慮結(jié)合使用其他軟件進行建模。根據(jù)渣場的實際勘查報告，確定出具體的模型計算范圍，然后將計算范圍內(nèi)的CAD地形平面圖，進行插值計算，獲取對應(yīng)的三維等高線圖，并在CAD軟件中輸出.sat文件，并導(dǎo)入到HyperMesh 文件，對六道坎渣場的基巖、覆蓋層以及棄渣邊坡進行三維實體建模和網(wǎng)格剖分，最后再導(dǎo)入FLAC3D軟件進行不同計算方案下的對渣場堆渣體邊坡的穩(wěn)定性進行計算。

鑒于模型的邊界條件對模擬計算結(jié)果的影響較大。因此，在計算模型的構(gòu)建過程中需要針對邊坡的實際對模型的邊界條件進行適當(dāng)?shù)暮喕詫崿F(xiàn)合理、便捷模擬計算的目的。由于本次研究的是自然工況下堆渣體邊坡的穩(wěn)定性，因此主要采用靜力邊界條件。具體而言，在模型的四周施加水平位移約束，在模型的底部施加全位移約束。本構(gòu)模型也是計算結(jié)果的重要影響因素，因此本構(gòu)模型的合理選擇也十分重要。FLAC3D內(nèi)置11種本構(gòu)模型，由于本次研究的堆渣體邊坡主要是土石混合物，因此選擇摩爾-庫倫本構(gòu)模型。對構(gòu)建的模型利用四面體單元進行網(wǎng)格劃分，并對局部區(qū)域進行加密處理。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 位移計算結(jié)果與分析

在自然工況下，利用上節(jié)構(gòu)建的數(shù)值計算模型對渣場堆石體邊坡的位移進行模擬計算，獲得如圖1～圖4所示的邊坡總位移云圖。由計算結(jié)果可知，在模型1中，最大位移值大約為106.54 mm，位于邊坡中部偏下的部位，邊坡的位移量從位移最大值部位向邊坡的兩端逐漸減小。總體而言，邊坡上部的位移量大于坡腳。模型2的最大位移量為96.74 mm，與模型1相比，減小了約9.20%，該模型下邊坡的上部和坡腳的位移值范圍也明顯較小。模型3的最大位移值為83.29 mm，與模型1相比減小了約21.82%，且邊坡的上部和坡腳的位移范圍繼續(xù)縮小。模型4的最大位移值為59.85 mm，與模型1相比減小了約43.82%，且邊坡的上部和坡腳的位移范圍進一步縮小。總之，在各種不同的計算模型下，邊坡位移最大值均出現(xiàn)在中部偏下的部位。究其原因，主要是該部位的地形有些凸起。同時，隨著模型分層與分區(qū)的不斷細(xì)化，邊坡的位移量也呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，且模型4與模型1相比，最大位移值減小了約43.82%，說明邊坡分布不均勻性對邊坡位移量存在比較顯著的影響。

圖1 模型1總位移云圖

圖2 模型2總位移云圖

圖3 模型3總位移云圖

圖4 模型4總位移云圖

3.2 應(yīng)變計算結(jié)果與分析

為了進一步了解渣場堆渣體邊坡在自然工況下的應(yīng)變特征，研究中選擇X-Z方向的典型剖面，并利用上節(jié)構(gòu)建的模型對該剖面的應(yīng)變進行模擬計算，結(jié)果如圖5～圖8所示。由計算結(jié)果可知，所有四個計算模型在堆渣體邊坡的下部形成了貫通的剪切帶。四個模型相比而言，模型1的最大剪應(yīng)變的區(qū)域最大，模型2和模型3比較接近，與模型1相比剪切帶明顯變薄，同時最大剪應(yīng)變的范圍也有一定的縮小。模型4與其他三個模型相比，剪切帶變得更薄，同時最大剪應(yīng)變的區(qū)域進一步變小。由此可見，在模型分層分區(qū)的情況下，邊坡剪應(yīng)變區(qū)域范圍變小，剪切帶也不斷變薄。

圖5 模型1典型剖面剪應(yīng)變云圖

圖8 模型4典型剖面剪應(yīng)變云圖

3.3 安全系數(shù)計算結(jié)果與分析

研究中利用極限平衡法對邊坡的安全性系數(shù)進行計算，結(jié)果顯示，模型1、模型2、模型3和模型4的安全系數(shù)分別為1.44、1.46、1.54和1.50。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB 50330—2013的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。四種不同的模型相比，模型2、模型3和模型4的安全系數(shù)比模型1分別提高了1.38%、6.94%和4.16%。由此可見，隨著模型分層和分區(qū)細(xì)化，堆渣體邊坡的總位移不斷減小，邊坡的安全系數(shù)有明顯的增加。

4 結(jié) 論

(1)在各種不同的計算模型下，邊坡位移最大值均出現(xiàn)在中部偏下的部位；隨著模型分層與分區(qū)的不斷細(xì)化，邊坡的位移量也呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢；模型4與模型1相比，最大位移值減小了約43.82%，說明邊坡分布不均勻性對邊坡位移量存在比較顯著的影響。

(2)在模型分層分區(qū)的情況下，邊坡剪應(yīng)變區(qū)域范圍變小，剪切帶也不斷變薄。

(3)隨著模型分層和分區(qū)細(xì)化，堆渣體邊坡的安全系數(shù)有明顯的增加。

綜上所述，堆渣體的分布不均勻性對邊坡穩(wěn)定性存在比較顯著的影響，建議在不均勻性比較明顯的堆渣體邊坡穩(wěn)定性研究中，采用細(xì)化分層、分區(qū)的模型。