基于FLAC3D二次開發(fā)的連續(xù)強(qiáng)降雨工況路塹高邊坡支護(hù)效果研究①

查 俊，蔡 軍，許勝才，雷文凱

（1.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530000；2.賀州學(xué)院 建筑與電氣工程學(xué)院，廣西 賀州 542899）

降雨入滲過程會(huì)增加路塹高邊坡巖土體重度并改變邊坡土體內(nèi)部孔壓分布規(guī)律［1?2］，尤其是在連續(xù)強(qiáng)降雨工況下，邊坡易發(fā)生局部滑坡。連續(xù)強(qiáng)降雨條件下路塹高邊坡發(fā)生局部滑坡時(shí)［3?7］，邊坡穩(wěn)定性分析涉及流固耦合分析，F(xiàn)LAC3D軟件不能直接分析降雨條件下邊坡穩(wěn)定性。為解決這一實(shí)際工程問題，本文利用FISH語言對(duì)FLAC3D軟件進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地分析流固耦合問題，并以廣西百色市隆林各族自治縣進(jìn)城大道工程的邊坡工程為例，驗(yàn)證FISH語言編程的實(shí)用性以及分析支護(hù)后的邊坡工程穩(wěn)定性狀況。

1 FLAC3D軟件二次開發(fā)

利用FLAC3D軟件中FISH語言的編程功能對(duì)FLAC3D軟件進(jìn)行二次開發(fā)，利用FLAC3D軟件內(nèi)置的變量z＿pp確定在降雨入滲過程中邊坡巖土體的孔壓值，通過建立孔壓與飽和度的關(guān)系、飽和度與滲透系數(shù)的關(guān)系［8?10］，解決FLAC3D軟件模擬非飽和土滲流的問題。依據(jù)數(shù)值分析過程中的z＿pp數(shù)值判定土體單元是否飽和，若處于飽和狀態(tài)，將巖土體飽和狀態(tài)下滲透系數(shù)設(shè)置為該部分單元土體的滲透系數(shù)值；否則，結(jié)合Van Genuchten提出的土水特征曲線［9］擬合函數(shù)（式（1））、非飽和滲透系數(shù)與飽和滲透系數(shù)之間的關(guān)系式［10］（式（2））對(duì)土體滲透系數(shù)進(jìn)行賦值。為簡(jiǎn)化FISH語言編程內(nèi)容，將式（1）和式（2）相結(jié)合，可得土體孔壓PP與非飽和土滲透系數(shù)之間的關(guān)系式（見式（3））。

式中θ為體積含水量；θr為殘余含水量；θs為最小吸力含水量；af，nf和mf分別為土水特征曲線的擬合參數(shù)，土體孔壓PP＝ua－uw，其中ua為土體的孔隙氣壓力，uw為土體的孔隙水壓力。

式中ks為土體飽和狀態(tài)下的滲透系數(shù)；k′s為土體非飽和狀態(tài)下的滲透系數(shù)。

FLAC3D軟件二次開發(fā)流程如圖1所示。基本思路是根據(jù)土水特征曲線、飽和滲透系數(shù)與非飽和滲透系數(shù)之間的關(guān)系確定孔壓、滲透系數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其優(yōu)勢(shì)在于FLAC3D軟件二次開發(fā)過程中跳過飽和度的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)在降雨入滲過程中利用邊坡巖土體單元孔壓對(duì)其滲透系數(shù)進(jìn)行控制，從而避免因軟件中難以讀取單元飽和度而增加軟件模擬邊坡巖土體滲透系數(shù)的問題。在降雨加載邊坡坡面時(shí)，邊坡表層土體的孔壓邊界條件需要修改，即降雨加載過程中，若邊坡表層土體單元PP≥0時(shí)，設(shè)定對(duì)應(yīng)土體單元的PP為0，否則PP值不變。

圖1 飽和?非飽和土滲流分析軟件二次開發(fā)流程

2 工程概況

廣西百色市隆林各族自治縣進(jìn)城大道工程路塹邊坡表面主要以粉質(zhì)黏土為主，下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，邊坡具體尺寸如圖2所示。因連續(xù)強(qiáng)降雨，K1＋710段右側(cè)路塹多級(jí)高邊坡坡頂部分土體發(fā)生滑坡，且滑坡仍在繼續(xù)發(fā)展，但未形成整體滑動(dòng)。為避免路塹邊坡持續(xù)滑坡，亟需對(duì)現(xiàn)階段狀態(tài)的路塹邊坡制定滑坡治理方案。

圖2 路塹高邊坡原地面線與設(shè)計(jì)開挖示意（單位：m）

邊坡開挖設(shè)計(jì)方案為放坡，第1級(jí)邊坡坡度比為1∶1，第2～6級(jí)邊坡坡度比為1∶1.25，第1～5級(jí)邊坡高度為10 m，第6級(jí)邊坡坡高為11.7 m。由于研究對(duì)象所處位置常發(fā)生強(qiáng)降雨，在確定邊坡治理方案時(shí)，需要考慮降雨對(duì)支護(hù)邊坡穩(wěn)定性的影響。根據(jù)邊坡所處區(qū)域，本文選取當(dāng)?shù)貥O端的降雨情況，即降雨強(qiáng)度10 mm／h，持續(xù)降雨時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為4 d。路塹邊坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)以及根據(jù)式（1）測(cè)定的土水特征曲線相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)及SWCC擬合參數(shù)

3 分析與討論

3.1 原設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)原設(shè)計(jì)邊坡圖紙構(gòu)建邊坡數(shù)值計(jì)算模型，模型左邊高40 m、右邊高101.7 m，邊坡計(jì)算模型地下水位的左邊界高30 m、右邊界高60 m，模型邊界條件：模型左右兩邊設(shè)置為水平約束，模型前后兩邊設(shè)置為水平約束，模型底部設(shè)置為固定約束，模型頂部為自由端。

分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)考慮在地下水影響下邊坡孔壓（如圖3所示）的作用，由于邊坡巖土體具有一定孔隙率，地下水位以下的巖土體重度相對(duì)于巖土體干密度較重，其計(jì)算公式如式（4）所示。FLAC3D軟件計(jì)算分析邊坡穩(wěn)定系數(shù)時(shí)，可通過強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)（如圖4所示）。

圖3 地下水作用下路塹高邊坡內(nèi)部初始孔壓圖

圖4 地下水作用下路塹高邊坡剪切應(yīng)變圖

式中ρs為不同飽和度下的土體密度；ρd為土體干密度；ρw為雨水密度；n為土體孔隙率；s為土體飽和度。

由圖3和圖4可知，利用本文自編的FISH語言對(duì)FLAC3D軟件進(jìn)行二次開發(fā)能夠有效地模擬地下水作用下邊坡的孔隙水壓力分布，其孔壓分布情況基本與實(shí)際情況相符合。結(jié)合式（4）并利用FLAC3D軟件可得出邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)值和邊坡剪切應(yīng)變?cè)茍D，邊坡安全系數(shù)值為1.23，大于路塹高邊坡設(shè)定的安全系數(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值1.20，所以原設(shè)計(jì)邊坡在自然狀況下處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡剪切應(yīng)變?cè)茍D貫穿整個(gè)邊坡內(nèi)部，但其剪切應(yīng)變位置與邊坡表面較為接近，在特殊降雨條件或其他工況條件下，邊坡有可能出現(xiàn)局部滑坡的情況。

3.2 降雨工況下原設(shè)計(jì)邊坡孔壓變化與穩(wěn)定性分析

為進(jìn)一步分析極端降雨條件下原設(shè)計(jì)邊坡的穩(wěn)定性情況，以擬定的開挖支護(hù)方案為依托，根據(jù)FLAC3D軟件自帶的FISH語言進(jìn)行編程模擬邊坡的極端降雨工況。降雨條件加載在邊坡坡面上和坡頂處，并忽略道路路面降雨入滲對(duì)計(jì)算模型孔隙水壓力的影響。降雨條件下邊坡內(nèi)部孔壓分布情況如圖5所示，剪切應(yīng)變?cè)茍D如圖6所示。

圖5 降雨工況下路塹高邊坡內(nèi)部孔壓分布圖

圖6 降雨工況下路塹高邊坡剪切應(yīng)變?cè)茍D

對(duì)比圖3和圖5可知，與自然條件對(duì)比，極端降雨工況下，路塹高邊坡內(nèi)部孔壓發(fā)生了較大變化，主要表現(xiàn)在降雨工況下路塹高邊坡二級(jí)臺(tái)階以下的邊坡表面有一定積水，二級(jí)臺(tái)階以上邊坡表面孔壓為0。邊坡內(nèi)部孔壓的變化使得邊坡內(nèi)部巖土體重度增加，邊坡內(nèi)部負(fù)孔隙水壓力范圍大幅度增加，它的變化規(guī)律基本符合降雨過程邊坡內(nèi)部孔隙水壓力變化的實(shí)際情況。

對(duì)比圖4與圖6可知，極端降雨工況下，路塹高邊坡剪切應(yīng)變?cè)茍D的滑裂面從原來的坡底至坡頂貫通轉(zhuǎn)變成第四級(jí)邊坡臺(tái)階至坡頂貫通，安全系數(shù)由1.23降至1.15，所以此時(shí)邊坡第四級(jí)臺(tái)階以上邊坡土體處于失穩(wěn)狀態(tài)，邊坡第四級(jí)臺(tái)階巖土體易發(fā)生局部滑坡，需要對(duì)原設(shè)計(jì)路塹高邊坡制定支護(hù)方案，防止邊坡滑坡土體在持續(xù)降雨條件下繼續(xù)發(fā)育。

3.3 降雨工況邊坡支護(hù)方案的穩(wěn)定性分析

原有邊坡共6級(jí)，邊坡高度61.7 m。由于路塹高邊坡第四級(jí)邊坡部分土體發(fā)生滑坡，并有繼續(xù)發(fā)育的趨勢(shì)，根據(jù)該邊坡工程現(xiàn)狀和地質(zhì)條件，提出了放坡＋錨桿支護(hù)的治理方案并分析其在強(qiáng)降雨條件下邊坡穩(wěn)定性狀況。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，錨桿支護(hù)最佳傾角為28°，并選擇長(zhǎng)短相間的支護(hù)形式［11?13］，具體支護(hù)方案如圖7所示，錨桿物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。利用前述極端降雨工況的同等降雨條件加載在治理后的邊坡坡面上進(jìn)行邊坡孔隙水壓力計(jì)算和穩(wěn)定性分析，判定支護(hù)方案的合理性。支護(hù)后的邊坡孔壓分布及邊坡剪切應(yīng)變?cè)茍D分別見圖8和圖9。

表2 錨桿物理力學(xué)參數(shù)

圖7 路塹高邊坡的支護(hù)方案設(shè)計(jì)局部示意

對(duì)比圖5和圖8可知，放坡之后路塹高邊坡局部坡面變低，使得同等降雨條件下邊坡內(nèi)部負(fù)孔隙水壓力值降低。對(duì)比圖6和圖9可知，放坡＋錨桿支護(hù)后路塹高邊坡內(nèi)部剪切應(yīng)變位置由邊坡表面向邊坡內(nèi)部轉(zhuǎn)

圖8 降雨工況下支護(hù)后路塹高邊坡孔壓分布圖

圖9 降雨工況下支護(hù)后路塹高邊坡剪切應(yīng)變?cè)茍D

變，其安全系數(shù)由1.15增至1.43。綜上所述，采用放坡＋錨桿支護(hù)形式能夠確保路塹高邊坡在當(dāng)?shù)貥O端降雨條件下安全穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

1）為解決FLAC3D軟件模擬流固耦合過程難度較大的問題，結(jié)合邊坡土體土水特征曲線函數(shù)、非飽和土與飽和土滲透系數(shù)之間的關(guān)系，建立非飽和土滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力之間的函數(shù)關(guān)系，并通過FISH語言對(duì)FLAC3D軟件進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)模擬降雨條件下邊坡的安全穩(wěn)定性。

2）確定了非飽和土滲透系數(shù)值，降雨條件下模擬邊坡內(nèi)部孔壓變化過程中，極端降雨條件下，原設(shè)計(jì)邊坡內(nèi)部負(fù)孔隙水壓力迅速增加，采用放坡＋錨桿支護(hù)方式能夠有效降低路塹高邊坡負(fù)孔隙水壓力值。

3）極端降雨條件下，原設(shè)計(jì)邊坡在第四級(jí)臺(tái)階處發(fā)生局部滑坡，利用FLAC3D軟件二次開發(fā)模擬結(jié)果與實(shí)際相符；采用放坡＋錨桿支護(hù)，同等降雨條件下安全系數(shù)由1.15增至1.43，確保支護(hù)后的邊坡安全穩(wěn)定。