基于FLAC3D与强度折减法的大岗山右岸边坡稳定性分析

张 亮，关 爽

（1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南省昆明市 650041；2.鞍钢集团朝阳钢铁有限公司，辽宁省朝阳市 122000）

基于FLAC3D与强度折减法的大岗山右岸边坡稳定性分析

张 亮1，关 爽2

（1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南省昆明市 650041；2.鞍钢集团朝阳钢铁有限公司，辽宁省朝阳市 122000）

大岗山水电站右岸边坡为高地应力区高陡边坡，破体内部存在多处顺倾断层与软弱辉绿岩岩脉，地质条件较差。边坡开挖过程中，坡体内部卸荷裂隙带受影响，导致坡体稳定性急剧下降，坡面出现若干宏观裂缝，对边坡的安全造成严重威胁，为准确获取坡体安全状态与可能的破坏模式，本文采用FLAC3D与强度折减法对右岸边坡典型剖面进行稳定性分析计算，给出安全系数及潜在滑面位置，为边坡的加固治理提供参考。

大岗山水电站右岸边坡；强度折减法；稳定性评价

0 引言

坝址附近边坡的稳定性直接关系到坝体与库区的安全，一直以来就是水电建设中的关键问题。随着水电建设规模的扩大，在加大利用我国西南地区丰富水能资源的同时，由于该区域地质条件复杂，山高谷深，地质构造发育，水电建设中复杂地质条件下高陡边坡稳定性问题越来越突出。这些边坡通常发育有断层、卸荷裂隙、节理、软弱结构面，加之施工过程中对卸荷裂隙带的扰动，稳定性大大降低，成为影响工程的关键因素。

近年来，数值模拟技术在岩土工程中得到了越来越广泛的使用，其中以FLAC3D为代表，在解决边坡稳定性分析、隧道围岩稳定性分析等方面都有着很好的表现[1]。与此同时，以强度折减法与离心加载法为代表的数值模拟稳定性分析理论也得到深入的研究[2]，其中强度折减法更是得到业界的认同。

本文采用岩土工程中广泛使用的数值模拟软件FLAC3D与强度折减法，对大岗山水电站右岸边坡典型剖面进行稳定性分析，获取安全状况及潜在破坏模式。

1 工程地质条件

大岗山水电站右岸边坡位于大渡河中游峡谷地段，处于大渡河断裂和磨西断裂切割断块上，边坡后缘高程1347m，右开挖坡高达420m，地应力高，卸荷强烈。坡体主要由黑云二长花岗岩和辉绿岩等组成，内部发育 β5（f1）、β82（f74）、β117（f78）、β85、β43、β8（f7）、γL5、f65、f85、XL316-1、XL9-15等主要岩脉，节理，断层及卸荷裂隙带等软弱结构。

坡体在自然状态下处于稳定状态，但由于开挖过程中的卸荷作用，在坝顶高程1135m以上沿产状SN/E∠40°～50°，走向与边坡近平行方向扰动倾向破外的卸荷裂隙带XL316-1，在坝顶以上距离开挖坡面 30～50m，XL316-1上 盘 约 25m 处 扰 动 N10°W/NE/47°～52°的卸荷裂隙带XL9-15。两主要卸荷裂隙带与顺倾断层组合，形成不稳定块体，安全稳定性问题十分突出[2，3]。

2 数值模拟计算

2.1 计算模型

根据右岸边坡卸荷裂隙带分布及发育特征，选取Ⅵ-Ⅵ剖面作为代表剖面建立数值二维计算模型。如图1所示，模型概化为从上至下分为5个地层，对于工程地质调研中提供的软弱结构，计算中仅考虑在边坡稳定性中的关键影响因素，即裂隙带XL316-1、XL9-15。

模型全区域约束z方向位移，以模拟平面应变问题，x方向（水平方向）两侧边界条件为法向位移约束，底部为全约束。计算中仅考虑重力荷载。

图1 大岗山电站右岸边坡2维计算模型Fig.1 The calculation model of 2 dimensional right slope of Dagangshan Hydropower Station

2.2 计算材料参数

计算采用Mohr-Coulumb模型，材料参数为现场提供综合材料参数，岩层编号从上至下。其中，抗拉强度取黏聚力的0.8倍，具体参数如表1所示。

表1 边坡材料力学参数Tab.1 Mechanical parameters of slope materials

2.3 计算过程

计算过程分三步实施：①计算初始地应力场，以重力在开挖前坡体中所产生的应力为地应力；②开挖计算，按照施工过程分10步进行开挖，获取开挖结束时坡体状态为当前状态；③稳定性评价计算，通过对坡体实施强度折减，获得当前坡体安全系数。

其中，强度折减法通过FLAC3D中fish语言编写二次开发程序实现。坡体整体折减，对内摩擦角、黏聚力、抗拉强度等比例折减，以当前材料参数为基础，折减系数依次增大，每增加一步折减系数，程序自动计算一次，寻找受力平衡状态，所取平衡条件为不平衡率小于1e-5，当坡体损伤恰好形成宏观的滑面时，即认为折减至临界状态，此时强度折减系数即定义为安全系数K。

3 计算结果及分析

3.1 初始状态

初始状态的计算采用更改强度参数的弹塑性求解法。具体实施方式如下：①设置内摩擦角ϕ=60°，黏聚力c=1e9Pa，抗拉强度为t=1e9Pa，计算至收敛，此时坡体内无塑性区；②将坡体材料参数设置为表1所示材料参数，计算至收敛，以此作为坡体的初始状态。

如图2所示，初始状态中，位移主要发生在坡体表面中上部，大约为0.25m，且沿XL316-1中上段出现位移的不连续，变形有沿卸荷裂隙带出现局部化的趋势。图3表明，XL316-1处为剪应变率集中区，大约为4e-8/s，仍较小，未出现整体破坏特征，结合图4中塑性区的分布图，可知XL316-1中出现较大的剪切塑性带，但未贯穿，坡体内部虽然局部化特征较明显，呈现沿XL316-1整体滑动的趋势，但目前仍能处于稳定状态。

图2 初始位移场Fig.2 Initial displacement field

图3 初始剪应变率场Fig.3 Initial shear strain rate field

图4 初始塑性区分布Fig.4 Initial plastic zone distribution

3.2 开挖应力场

开挖由上至下共分为10级台阶，从上到下依次开挖。数值模拟中保证每次开挖后计算至不平衡率小于1e-5，以表征整个开挖过程的准静态特征。

图5表明，开挖过程对位移场的扰动不大，坡体最大位移始终分布在坡面中上部，大小约为0.256m，尽管位移分布沿XL316-1有一定的不连续性，但仍能维持稳定。

图6所示，伴随开挖，坡体内部的塑性区逐渐减小，挖至第三级时已完全消失，挖至第9级时XL316与开挖平台相交处出现塑性区。这是由于所开挖台阶上部对于XL316而言为荷载，开挖相当于减小了滑动力，而所开挖台阶下部为阻滑块体，开挖导致抗滑力降低，出现塑性区。开挖结束时，坡体内部仅有少量塑性区，处于稳定状态。

图5 开挖过程位移分布Fig.5 Displacement distribution during excavation

3.3 强度折减

采用整体逐步折减，每次折减计算至收敛，以出现贯穿塑性带时的折减系数作为安全系数。

图6 开挖过程塑性区分布Fig.6 Plastic zone distribution during excavation

图7 不同强度折减系数位移分布Fig.7 Displacement distribution of reduction factor with different strength

图8 不同强度折减系数剪应变率分布Fig.8 Shear strain rate distribution with different strength reduction factors

图9 不同强度折减系数塑性区分布Fig.9 Plastic region distribution of reduction factor with different strength

图7～图9中分别展示了强度折减系数为1.05、1.1、1.15、1.2时的位移分布、剪应变率分布及塑性区分布。由图可知，随折减系数增大，位移增减增大，沿XL316整体滑动趋势逐渐明显，当折减系数小于1.2时，位移增长缓慢，每次折减造成位移增加约为0.002m，当折减系数为1.2时，位移迅速增加至0.02m，出现沿XL316的整体滑动。剪切应变率也有类似的过程，随折减系数的增大，高剪切应变率区域沿XL316-1逐渐向上发展，且最大剪切应变率逐步增大，在折减系数为1.2时增加明显高于折减系数小于1.2时。整体折减过程中，塑性区沿XL316-1向上发展，呈现牵引式滑坡的特征，折减系数为1.2时，塑性区沿XL316-1贯通，沿最下一级台阶剪出，形成滑体，塑性区域主要为剪切塑性区，靠近滑体后缘处出现少量张拉塑性区。综上所述，强度折减系数为1.2时，坡体出现塑性区贯通、剪应变率增加等失稳特征，形成沿XL316-1的滑体，并沿底部台阶剪出，滑坡当前状态安全系数为1.2。

4 结束语

FLAC3D与强度折减法是边坡稳定性分析中常用方法，本文结合二者对大岗山水电站右岸边坡典型剖面进行了当前状态稳定性分析，获取了安全系数及潜在破坏模式。计算分析表明：

（1）边坡安全系数约为1.2;

（2）边坡潜在破坏模式为以XL316-1为主滑面的牵引式滑坡。针对该边坡的加固措施应以提高XL316-1的强度为关注点。

[1] 陈育民，徐鼎平.FlAC/FLAC3D基础与工程实例 [M].北京：中国水利水电出版社.2009.CHEN Yumin，XU Dingping.FlAC/FLAC3D foundation and engineering example [M].Beijing ：China Water Power Press，2009.

[2] 郑颖人，陈祖煜，王恭先.边坡与滑坡工程治理 [M].北京：人民交通出版社.2007.ZHENG Yingren，CHEN Zuyu，WANG Gongxian，Slope and Landslide Engineering Management [M].Beijing ：China Communications Press，2007.

[3] 马克，唐春安，等.基于微震监测与数值模拟的大岗山右岸边坡抗剪洞加固效果分析 [J].岩石力学与工程，2013，32（6）：1239-1247.MA Ke，TANG Chunan，etc.Reinforcement Effects of Anti-Shear Gallery of Dagangshan Right Bank Slope Based on Microseismic Monitoring and Numerical Simulations[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32（6）：1239-1247.

[4] 高键，徐涛，等.基于强度折减法的大岗山水电站边坡稳定性分析 [J].人民长江，2011，42（24）：65-68.GAO Jian，XU Tao，etc.Slope stability analysis of Dagangshan Hydropower Station by strength reduction method[J].Yangtze River，2011，42（24）：65-68.

2016-05-09

2017-03-09

张 亮（1982—），男，高级工程师，主要研究方向：精密工程测量和安全监测，E-mail：41023473@qq.com

关 爽（1983—），男，工程师，主要研究方向：施工现场技术管理。E-mail：66066570@qq.com

Stability Analysis of Dagangshan Right Bank Slope，Based on FLAC3Dand Strength Reduction Method

ZHANG Liang1，GUAN Shuang2
（1.Power China Kunming Engineering Corporation Limited，Kungming 650041，China；2.Ansteel Chaoyang lorn and steel group corporation，Chaoyang 122000，China）

The right bank slope of Dagangshan hydropower station is high and cliff with high in-situstress，and lots of dip faults and weak diabase dikes are generated inside the slope，which result in a poor geological conditions.During slope excavation process，the unloading fissures inside the slope is influenced，which leads to a sharp decrease in the stability of the slope.Besides，lots of macroscopic cracks are generated on the surface of the slope，which causes the decrease in the safety index of the slope.In this piece of work，in order to find out the safety state and possible failure modes of the slope accurately，FLAC3Dand strength reduction method were used to analysis the stability of the typical profile of the right bank slope.The aim is to understand the safety index and the positions of potential slippage，and to provide advice of reinforcing the slope.

Dagangshan hydropower right bank slope; strength reduction; stability analysis

TV73

A学科代码：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.021