基于FLAC3D的坝肩高陡边坡稳定性分析

蒋买勇

（湖南水利水电职业技术学院长沙市410131）

基于FLAC3D的坝肩高陡边坡稳定性分析

蒋买勇

（湖南水利水电职业技术学院长沙市410131）

通过建立三维数值模型，利用FLAC3D对某水电站工程坝肩高陡边坡开挖支护进行模拟分析，分析不同开挖工况下边坡位移及应力分布规律，从而确定最优开挖方案，并在此基础上，考虑强降雨、地震工况。为确保该边坡长期稳定以及安全冗余，对其不同的支护方案进行模拟分析，对支护措施进行参数敏感性分析，从而确定最佳支护方案。

坝肩边坡有限差分法稳定性分析边坡支护FLAC3D

近年来，随着水利类重大项目与水电类项目的兴建，伴随而来的大型边坡越来越多，边坡地质灾害问题也越来越突出，工程边坡的稳定性以及安全措施对整个工程的建设与运行至关重要，因此，工程界一直以来都十分重视边坡稳定性问题的研究分析。

传统的边坡稳定性评价主要采用极限平衡法、极限分析法、滑移线场法等[1]。自20世纪60年代以来，数值模拟技术广泛应用于边坡稳定性分析中[2～6]，其在计算方法及计算模型和岩土参数的确定方面都有了长足的进步，为边坡稳定性分析计算精度和计算效率的提高创造了有利条件。

FLAC3D是美国ITASCA公司20世纪80年代开发的仿真计算软件，该软件基于“显式拉格朗日”理论和“混合－离散分区”技术，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析，并能输出相应的位移、应力、速度等矢量等值线图，对边坡的稳定性进行分析。该软件在分析连续介质变形上表现优异且计算功能强大，现已被广泛用于岩土问题的分析计算中[7～10]。

本文以某水电站工程坝肩高陡边坡为例，利用FLAC3D对其进行稳定性模拟分析，从而确定最优开挖和最佳支护方案。

1 工程概况

该坝肩边坡所在水电站，采用河床式开发，电站正常蓄水位578.00 m，总库容2 191万m3，挡水建筑物最大坝高49.5 m，装机容量300 MW。坝址区两岸山体雄厚，边坡陡峻，漫滩、阶地发育，河流左岸地形坡度35°～40°，右岸地形坡度40°～50°，拟建坝址处河床宽约250 m，枯水期河水面宽约80 m，呈基本对称的“V”型，坝址区河流呈向北凸出的弧形拐弯。坝址区岩性除第四系松散层外，基岩主要为下元古界峨边群第一段蚀变玄武岩，第二段钙泥质石英粉砂岩与含绿泥石板岩互层、震旦系上统灯影组白云岩及中条期花岗斑岩、澄江期辉绿岩以及第四系崩坡积、冲洪积层。

此外，根据坝址区地下水赋存条件，可分为第四系松散层中的孔隙性潜水和基岩裂隙性潜水两种类型。孔隙性潜水主要赋存于河谷及两岸第四系松散层中，受大气降水的补给和两岸地下水补给，河漫滩的地下水与河水呈互补关系。基岩裂隙性潜水赋存于基岩裂隙中，受大气降水补给，向河谷排泄。

根据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL 5180-2003）及《水电水利工程边坡设计规范》（DL/T 5353-2006）的有关规定：本工程为二等工程，工程规模为大（Ⅱ）型。

2 边坡稳定性分析

2.1 建立模型

该边坡的地质剖面如图1所示，存在6条发育断层且倾向坡外，构成了对边坡稳定不利的组合区域。该边坡自下而上，可细分为4层，①层为卵石层，②层为泥砾石层，③层为含漂石卵石层，④层为基岩属蚀变辉绿岩。

图1 边坡地质剖面图

为了提高建模精度和建模效率，首先在AutoCAD中完成该地质剖面的绘制和模型划分，经进一步处理后导入到ANSYS中实现模型的网格划分以及材料分区，然后将生成的计算模型导入到FLAC3D中进行计算，如图2所示。

图2 数值计算模型图

2.2 确定计算参数

在整个计算中，采用摩尔-库伦模型，对边坡三维模型进行模拟分析，主要采用的模型参数，根据现场勘探、原位测试以及室内土工试验，最终确定如表1所示。

表1 边坡岩土体参数取值

2.3 计算过程及稳定性分析

根据工程实际情况，对该边坡分别拟定了一次、二次、四次等三种不同开挖方案，针对其不同开挖工况进行数值模拟，研究不同工况下边坡的位移及应力分布规律，计算边坡的安全系数。并在四次开挖稳定分析的基础上，进一步考虑了降雨对边坡土层的软化以及地震对边坡土层的振动对安全系数的影响。

（1）一次开挖方案。

对一次开挖工况进行数值模拟，计算结果如图3。图3（a）为剪应力增量云图，图3（b）为X方向位移云图。从图3（a）可以看出，剪应力增量主要分布在F2和F3构成的折线断层面以及F6断层面，由于F6断层面倾向与坡向相反，因而处于稳定状态。如图3（b）坡体沿X方向的位移也发生在F2和F3构成的折线断层面以上不稳定区域，最大位移为129.22 mm。结果表明F2和F3构成的折线断层面以上的土体处于不稳定状态。根据强度折减法计算该工况的安全系数为1.11，低于该边坡的设计安全系数1.15。

（2）二次开挖方案。

为提高该边坡的稳定性，考虑对该边坡采用二次开挖的方法，并对开挖过程进行了数值模拟分析。计算结果如图4。图4（a）为剪应力增量云图，图4（b）为X方向位移云图。从图4（a）可以看出，剪应力增量同样集中分布在F2和F3构成的折线断层面以及F6断层面。如图4（b）坡体沿X方向的位移也发生在F2和F3构成的折线断层面以上不稳定区域，最大位移为129.02 mm。F2和F3构成的折线断层面以上的土体仍处于不稳定状态。根据强度折减法计算该工况的安全系数为1.13，低于该边坡的设计安全系数1.15。

图3 一次开挖计算结果

图4 二次开挖计算结果

（3）四次开挖方案。

由于边坡分两次开挖，明显提高了该边坡的稳定性，为进一步提高该边坡的稳定性，故采用四次开挖，并对该工况下进行了数值模拟分析，其计算结果如图5。图5（a）剪应力增量云图，图5（b）为X方向位移云图。与一次开挖和二次开挖两种工况一致，F2和F3构成的折线断层面以上的块体仍处于不稳定状态，从图5（b）可以看出，坡体沿X方向的最大位移为125.97 mm。根据强度折减法计算该工况的安全系数为1.14，低于该边坡的设计安全系数1.15。

图5 四次开挖计算结果

根据以上三种不同开挖方案的模拟分析，可以看出该边坡采用四次开挖方案时，其安全系数最高为1.14，虽小于设计安全系数1.15，但基本与1.15接近，故建议采用方案三，即四次开挖方案对该边坡进行开挖。

为了进一步分析该边坡在长期运行过程中遭遇强降雨和地震对其稳定性的影响，在四次开挖稳定分析的基础上，对其分别增加暴雨工况和地震工况进行了数值模拟分析。暴雨工况：岩层容重取浮容重；地震工况：场地地震烈度为Ⅶ度，采用50年超越概率10%的基岩水平向地震动峰值加速度为102.7gal设计，采用拟静力法计算。分析得出该边坡在暴雨工况下的安全系数为1.04，地震工况下的安全系数为1.03，均低于该边坡的设计安全系数1.05。

3 边坡支护分析

从上一节的稳定性计算分析可以看出，F2和F3构成的折线断层面以上的土体处于不稳定状态，为了确保该边坡的稳定性，需通过分析不同支护方案下的边坡稳定性，来寻求最佳的支护方案。支护锚杆采用为40 m长的1 000 kN预应力锚索（排间距为6 m×6 m，下倾20°），分别拟定7排、8排、9排、10排四个支护方案，分别对其进行模拟分析，其支护方案（排数）以及对应的边坡安全系数如表2所示。

表2 边坡支护分析

通过以上分析对比，最终确定采用9排锚杆支护方案，锚杆支护结果如图6所示，图6（a）为剪应力增量云图，图6（b）为X向位移云图。此时，坡体沿X方向的最大位移为120.42 mm。

图6 锚杆支护计算结果

4 结论

在现场调查及地质分析的基础上，利用有限差分计算软件FLAC3D对坝肩高陡边坡进行数值模拟，并用强度折减理论计算边坡在不同工况下的安全系数，对边坡的稳定性进行评价。在此基础上，进一步开展边坡支护分析，得到以下结论：

（1）在开挖工况下，剪应力增量主要分布在F2和F3构成的折线断层面以及F6断层面，由于F6断层面倾向与坡向相反，处于稳定状态。而F2和F3构成的折线断层面以上的滑块处于不稳定状态。通过计算安全系数得出，四次开挖为最优开挖方案。

（2）针对F2和F3构成的折线断层面以上的不稳定区域，通过不同的锚杆支护方案，计算边坡安全系数，分析对比最终确定9排锚杆支护为最佳支护方案。

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2016-09-19）

蒋买勇（1983-），男，湖南邵阳人，硕士，讲师、工程师，主要从事水利工程安全评价与病害防治技术、工程项目管理技术等方面的教学与研究工作，E-mail：jmaiyong@163.com。