基于FLAC3D的边坡渗流模拟及稳定性分析

罗　群　刘维森

(1.长沙市中等城乡建设职业技术学校,湖南 长沙　410000；　2.中国人寿财产保险长沙市中心支公司，湖南 长沙　410000)

1　概述

水对边坡稳定性具有重要的影响。一方面，孔隙水压力使土体的有效应力降低，影响了土体的抗剪强度，从而降低了边坡的稳定性。另一方面，孔隙水的重力产生使边坡土体下滑的作用效果，这部分的力对边坡稳定性的影响更为明显。通常，孔隙水压力采用渗流场进行模拟。蒋中明等[1]采用FLAC3D软件分析了边坡在非饱和条件下的稳定性计算方法。对于矿山边坡，于振等[2]采用FLAC3D软件计算了应力和渗流耦合作用下的稳定性。王伟兴等[3]结合Geo-Studio和FLAC2D分析了边坡的流固耦合效应。基于离散单元法，关千军[4]采用UDEC软件研究了渗流对岩质裂隙边坡的稳定性影响。

边坡稳定性计算的商业软件均嵌入了分析渗流场作用的模块。例如，FLAC3D采用configure fluid命令进入渗流求解模式[5]；Geo-Studio中的Seep/W模块模拟渗流场。在实际的使用中，不同边界条件的处理对渗流的计算效果有较为明显的差别。本文基于FLAC3D有限差分软件，计算分析了不同渗流边界条件对计算结果的影响，以期对边坡的设计和施工提供一些参考。

2　FLAC3D渗流耦合的计算方法

流固耦合作用的模拟是数值模拟方法中比较复杂的问题。FLAC3D在渗流计算方面具有一些优势，可以在设定流体介质和土体介质渗流参数的情况下，模拟得到合理的渗流场。同时，借助于耦合模型，能够将孔压变化而引起的应力场影响进行分析计算。此外，渗流边界条件对流场的影响也较为显著。

2.1　渗流分析的参数设置

在FLAC3D渗流模式下，需要设置的参数包括：渗透系数、流体密度。除此之外，对于颗粒可以压缩的土体，需要设置比奥系数和比奥模量；对于不可压缩的土体，需要设置流体的体积模量和孔隙率。如软土地基堆载等情况，需将土体视为可压缩土体。边坡稳态分析中，通常将土体简化为不可压缩土体，主要反映出孔隙水的重力作用对边坡稳定性的影响。此外，稳态分析中，采用较低的流体模量可以加快渗流计算的收敛。

2.2　流体边界

通常采用的流体边界有两种：不透水边界和透水边界。两者最大的区别在于不透水边界上的孔压值可以自由变化，而透水边界上的孔压值是固定的。FLAC3D默认边界为不透水边界。而在实际稳定渗流情况下，边坡的边界上的孔压值经常是是固定不变的，这就需要将边界设置为透水边界。在FLAC3D中，透水边界可以采用fix或apply命令进行设置，命令如下：

{fix pp孔压值(可省略)range节点范围}；或{apply pp孔压值range节点范围}。

fix命令需要和initial pp命令联合使用。在apply命令中可以采用grad关键词来表示孔压的变化情况，或者采用hist来定义随时间变化的孔压值。需要注意的是，在坡面(斜面)为透水边界的情况下，节点范围指定在该坡面上的命令如下：

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

该命令中，坡面平面采用normal和origin这两个向量参数进行指定，范围限制在z向0 m～10 m范围内的平面。

3　安全系数计算结果对比

在分析边坡稳定性分析中，可以采用固定孔压的方法进行有效应力的分析，或者采用数值模拟所得到的稳定流场进行计算分析。相比较渗流耦合的方法，固定孔压方法能够节省大量的计算时间。本文分别采用固定孔压方式和稳定流场两种模式进行分析边坡稳定性。

建立如图1所示的模型。边坡高度为10 m，坡角为45°。h为右侧边界水位距坡趾的距离。分别选取三种计算条件，即h=-0.25 m，0 m，5 m。在h=5 m的情况下，即坡体外水压对坡面具有一定的作用效果。这部分力对边坡产生反压作用。本文采用applynstress命令，将水压力视为法向力作用于坡面，从而模拟这部分的作用效果。

表1　计算参数取值表

固定孔压情况下的计算过程为：

1)生成初始应力场，位移场清零。2)采用water table命令生成水面，水面以下的孔压由程序自动计算完成。该计算条件下，不需要打开config fluid模式。3)采用强度折减法和二分算法，计算边坡的安全系数，程序自动计算得到边坡在临界状态下的滑移面。稳定渗流场情况下的计算过程为：1)生成初始应力场，位移场清零。2)打开config fluid渗流模式。采用initial pp命令指定边界孔压分布情况，通过fix或apply命令将边界设置为透水条件，即固定边界处的孔压。3)关闭应力计算模式，计算稳定渗流场。命令为：set fluid on mech off。4)关闭渗流场计算，打开应力场模式，同时将流体模量设置为0，避免应力变化再次引起孔压的变化。

两种模式下，均采用强度折减法和二分算法，计算得到边坡的安全系数。在不同水头情况下，边坡的安全系数计算结果如表2所示。从表2可以看出，采用渗流耦合方法计算得到的安全系数略小于固定孔压模式。其原因是，渗流模式的孔压值略大于固定孔压模式。此外，随着边坡外水面的升高，边坡的安全系数在增大。特别是h=5 m的情况，边坡外水的反压作用比较明显，安全系数有明显的提高。图2，图3为流场的等值线云图。图4，图5分别是h=0和h=5 m情况下的剪切应变增量云图，图中存在明显的剪切带，即为边坡的滑移面。从图4和图5中可以看出，随着坡体外水位的增高，滑移面具有明显的变化。h=5 m时，边坡的滑移范围扩大，滑移面有可能越过坡趾，形成垮塌。

表2　安全系数计算结果对比

4　结语

基于FLAC3D分析软件，模拟了边坡的渗流场。对于渗流场边界的设置方法以及需要注意的问题进行了说明。分别计算并讨论了不同流场边界条件对渗流场的影响。结合强度折减法，计算了固定孔压模式和稳定渗流模式两种情况下边坡的安全系数。计算结果表明渗流耦合方法计算得到的安全系数略小于固定孔压模式。此外，坡体外水压对坡面的反压效果比较明显，安全系数增大，且潜在的滑移面变化较大。

参考文献: