基于FLAC3D的某电站边坡稳定计算参数分析

郐君

（辽宁省水利工程技术审核与造价管理中心，辽宁 沈阳 110003）

某水电站大坝下游右岸开挖时发生滑坡，滑坡土石方量约为4×104m3。经多次现场调查，发现滑坡范围继续扩大，滑坡体后缘约447 m高程和480 m高程处均有裂缝，裂缝最大宽度约为10 cm，且在整个边坡范围内发现多处裂缝并有加大趋势。钻孔资料显示边坡覆盖层主要为碎石混合土，挡墙开挖时，开挖深度内全部为碎石混合土，深度为10 m，基岩埋藏较深，为中等风化的熔岩凝灰岩。

为保障设计和施工安全，需要对开挖的右岸边坡进行稳定分析，因此文中采用FLAC3D数值模拟方法，选择稳定性最差的设计剖面为典型计算剖面，分析了边坡稳定参数的敏感性，进而确定了该边坡稳定分析的参数选择方法。

1 FLAC3D模型

FLAC 3D模型由美国I-TASCA咨询集团于1986年研制推出，该模型采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，对模拟材料的塑性破坏和流动精度较高。因为不需要形成刚度矩阵，所以对计算机要求相对较低，在求解大数量单元体的三维问题上有较明显的优势[1-2]。

FLAC3D模型与多数有限元软件相似，主要通过大量的单元体来模拟实际的结构，能够进行各种材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。单元材料的本构模型不受线性和非线性限制，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动。

2 参数敏感性分析

边坡稳定敏感度是指稳定系数变化的百分率与参数变化的百分率的比值，敏感度系数越高，表示稳定系数对该参数的敏感程度越高。本文主要针对某电站坝下右岸边坡碎石土的粘聚力、内摩擦角和剪胀角等参数进行多个单因素的敏感性分析，确定稳定系数与有关参数变化的关系，从中找出影响边坡稳定的关键参数，进而指导边坡工程设计。

2.1 粘聚力的影响

计算确定粘聚力变化区间为[4 kpa，64 kpa]，变化梯度 Kc，即Ci=KcCi-1，其中Ci和Ci-1为第 i步变化对应的粘聚力和第i-1步变化对应的粘聚力。得到边坡安全系数与粘聚力的变化关系如表1。从表中可以看出，稳定系数对粘聚力的敏感度系数均为正值，表明稳定安全系数与粘聚力呈同方向变化。粘聚力由16～32 kPa变化时，敏感度系数最大，在该区间变化时对稳定系数的影响最大。另外，随着粘聚力的增大，边坡稳定安全系数也显著增大。从图1可以看出，对于碎石土边坡粘聚力越小，所得到的塑性区范围越小越狭窄，滑动面越接近坡面。稳定系数随粘聚力的变化曲线如图1。

表1 粘聚力与稳定系数的关系

图1 安全系数随粘聚力变化的曲线

2.2 摩擦角的影响

分别对摩擦角为10°，15°，20°，25°，30°时边坡进行稳定计算，得到的稳定系数、敏感度系数与摩擦角之间的关系如表2。从表中可以看出，稳定系数对摩擦角的敏感度系数均为正值，表明稳定安全系数与摩擦角呈同方向变化。摩擦角由[10°,15°]及[20°,25°]两个区间变化时，敏感度系数较大，对稳定系数的影响较大。随着摩擦角的增大，边坡稳定安全系数也显著增大。

表2 摩擦角与稳定系数的关系

图2给出不同摩擦角时边坡发生破坏时的塑性应变分布。可以看出塑性破坏区的形状和分布与摩擦角的大小有很大关系，摩擦角越大，所得到的塑性破坏区范围越小。另外破坏滑动面的位置与摩擦角的大小也有很大关系，摩擦角越大，破坏时形成的滑动圆弧越小所造成的破坏也越小，摩擦角很小时，滑动圆弧深度越大，离坡面越远，这与粘聚力对滑动面位置的影响完全相反。

图2 安全系数随粘聚力变化的曲线

2.3 剪胀角的影响

在设计中，边坡稳定分析最常用的极限平衡法，该方法不考虑材料的剪胀性。常用的以极限分析法为基础的边坡稳定计算程序，都是假定剪胀角等于材料的内摩擦角，即ψ=φ。但是，大量的试验结果表明，剪胀角要比内摩擦角低很多。数值分析方法可以建立在非关联流动法则基础上，将剪胀角的影响考虑到边坡稳定计算中。在大多数土工数值计算中，往往只考虑了两种极限情况，即剪胀角等于摩擦角和剪胀角等于零两种状态，很少考虑剪胀角在零与摩擦角之间变化的情况。结合电站边坡实际，针对不同的剪胀角进行数值计算，给出不同剪胀角下的稳定系数及敏感度系数如表3所示。稳定系数随剪胀角变化曲线如图3。

表3 剪胀角与稳定系数的关系

图3 安全系数随剪胀角变化的曲线

计算结果表明：稳定系数随剪胀角增大而增大。从敏感度系数的变化来看，稳定系数对剪胀角的变化敏感性较小。剪胀角一般在[0°,20°]区间内变化，其对稳定系数的影响是有限的。

3 参数的确定方法

由上述模拟分析可以看出，粘聚力、摩擦角均对边坡稳定的安全系数影响较大，其中摩擦角的影响最大。剪胀角对稳定系数影响较小。在进行边坡稳定分析前，需进行科学合理的参数选择，尤其对粘聚力和摩擦角的选取应慎重。

稳定性计算所需的粘聚力、摩擦角、剪胀角参数一般可采用工程地质类比法、现场直剪试验法、现场取样室内直剪试验法等手段获得[3-4]。

水利工程边坡地质条件复杂，进行大规模的现场直剪试验难度较大且不经济。因此，根据某电站工程建设的实际情况，结合各参数的敏感性分析结论，根据我国其它行业的作法及大量现场试验，综合采用试验、工程地质类比和反演分析等方法确定了某电站边坡土体的粘聚力和内摩擦角，采用反演分析法确定了剪胀角。根据施工期间反馈的地质资料和安全监测资料，对参数进行了必要的修正。

4 结论

文中采用FLAC 3D模型对边坡稳定参数的敏感性进行分析，并结合敏感性分析结果，确定了某边坡稳定分析参数选择的方法，主要结论如下：

1）随着粘聚力增大安全系数增幅明显加大。

2）摩擦角对滑动面的深度和稳定系数的影响主要有如下表现：摩擦角较小时，稳定系数较小，滑动面的深度较大；摩擦角增大时，稳定系数增大，滑动面的深度较浅。

3）剪胀角的增大会提高边坡的稳定系数，但是影响范围有限。

4）根据边坡力学参数的敏感性分析结果，按其对边坡稳定性影响的重要性排序为：摩擦角φ、粘聚力c、剪胀角ψ。

5）边坡稳定性力学参数的确定应采用多次的动态的方法获得，其获得的过程应贯穿边坡设计的全生命周期中，需综合应用工程地质类比法、区域调查分析法、现场直剪试验、取样室内试验法、反演分析法等多种方法。