分布不均匀性对渣场边坡稳定性数值模拟结果的影响

孙国梅

(喀左县水利勘测设计队,辽宁 朝阳 122300)

1 研究背景

随着我国经济社会的迅速发展，水利工程建设迎来一波新的建设高潮。在水利工程施工中往往需要进行大量的土石方开挖，进而产生数量巨大的弃渣，这些弃渣一般由松散的土体和碎石构成，具有非饱和、欠密实和多孔隙的特点，因此堆渣体强度低、易滑坡[1]。辽宁省蒲石河抽水蓄能电站是东北地区兴建的最大抽水蓄能电站，主要由上下游水库、大坝、地下厂房以及输水系统构成[2]。由于电站在建设中需要进行大量土石方开挖，并产生数量较大的渣土，因此设置了上水库库盆、下水库库盆、六道坎和泉眼沟四处渣场。其中，六道坎渣场的堆渣量为34.56万m3，属于大型渣场，由于堆渣量大，高度高，其边坡稳定性研究具有重要的工程意义[3]。

随着计算机信息技术的发展，数值模拟分析方法被广泛应用于边坡稳定性计算领域，并发挥重要的作用和价值[4]。但是，在目前的实际工程应用领域，一般会将土石混合边坡简化为均质土边坡进行稳定性分析。虽然梁希林等[5]研究了土石混合边坡中不同含石量对边坡稳定性的影响，但是在研究中仍将边坡视为均匀含石量的混合边坡，而没有考虑含石量在空间上的分布差异。在堆渣体形成过程中，弃渣中不同粒径的渣石会在自重作用的影响下出现自然分选，从而形成明显的分层和分区结构[6]。基于此，本文以蒲石河抽水蓄能电站六道坎弃渣场为例，对不同分层、分区模型下的边坡稳定性进行计算，以获取分布不均匀性对堆渣体边坡稳定性的影响。

2 研究方法

2.1 计算方案设计

结合渣场堆渣体的分层的实际特点以及六道坎渣场的具体情况，设置了四种不同的计算模型，分别为计算模型1、计算模型2、计算模型3和计算模型4。其中，计算模型1将边坡视为均质边坡，边坡的岩土体采用完全相同的物理力学参数；计算模型2将堆渣体的边坡分为3层，并对每层岩土体赋予不同的物理力学参数值；计算模型3将堆渣体的边坡分为5层，并对每层岩土体赋予不同的物理力学参数值；计算模型4将堆渣体边坡进行分层和分区处理，共划分为5层14个不同区域，每个区域的岩土体均赋予不同的物理力学参数值。对上述四种不同的模型在自然工况下的位移、应力和安全系数进行数值模拟计算，以获取岩土体分布不均匀性对堆渣体边坡稳定性的影响。

2.2 计算模型的构建

由于FLAC3D软件不具备较强的前处理功能，不利于进行比较复杂的三维模型构建[7]。因此，本研究中考虑结合使用其他软件进行建模。根据渣场的实际勘查报告，确定出具体的模型计算范围，然后将计算范围内的CAD地形平面图，进行插值计算，获取对应的三维等高线图，并在CAD软件中输出.sat文件，并导入到HyperMesh 文件，对六道坎渣场的基岩、覆盖层以及弃渣边坡进行三维实体建模和网格剖分，最后再导入FLAC3D软件进行不同计算方案下的对渣场堆渣体边坡的稳定性进行计算。

鉴于模型的边界条件对模拟计算结果的影响较大。因此，在计算模型的构建过程中需要针对边坡的实际对模型的边界条件进行适当的简化，以实现合理、便捷模拟计算的目的。由于本次研究的是自然工况下堆渣体边坡的稳定性，因此主要采用静力边界条件。具体而言，在模型的四周施加水平位移约束，在模型的底部施加全位移约束。本构模型也是计算结果的重要影响因素，因此本构模型的合理选择也十分重要。FLAC3D内置11种本构模型，由于本次研究的堆渣体边坡主要是土石混合物，因此选择摩尔-库伦本构模型。对构建的模型利用四面体单元进行网格划分，并对局部区域进行加密处理。

3 计算结果与分析

3.1 位移计算结果与分析

在自然工况下，利用上节构建的数值计算模型对渣场堆石体边坡的位移进行模拟计算，获得如图1～图4所示的边坡总位移云图。由计算结果可知，在模型1中，最大位移值大约为106.54 mm，位于边坡中部偏下的部位，边坡的位移量从位移最大值部位向边坡的两端逐渐减小。总体而言，边坡上部的位移量大于坡脚。模型2的最大位移量为96.74 mm，与模型1相比，减小了约9.20%，该模型下边坡的上部和坡脚的位移值范围也明显较小。模型3的最大位移值为83.29 mm，与模型1相比减小了约21.82%，且边坡的上部和坡脚的位移范围继续缩小。模型4的最大位移值为59.85 mm，与模型1相比减小了约43.82%，且边坡的上部和坡脚的位移范围进一步缩小。总之，在各种不同的计算模型下，边坡位移最大值均出现在中部偏下的部位。究其原因，主要是该部位的地形有些凸起。同时，随着模型分层与分区的不断细化，边坡的位移量也呈现出逐渐减小的趋势，且模型4与模型1相比，最大位移值减小了约43.82%，说明边坡分布不均匀性对边坡位移量存在比较显著的影响。

图1 模型1总位移云图

图2 模型2总位移云图

图3 模型3总位移云图

图4 模型4总位移云图

3.2 应变计算结果与分析

为了进一步了解渣场堆渣体边坡在自然工况下的应变特征，研究中选择X-Z方向的典型剖面，并利用上节构建的模型对该剖面的应变进行模拟计算，结果如图5～图8所示。由计算结果可知，所有四个计算模型在堆渣体边坡的下部形成了贯通的剪切带。四个模型相比而言，模型1的最大剪应变的区域最大，模型2和模型3比较接近，与模型1相比剪切带明显变薄，同时最大剪应变的范围也有一定的缩小。模型4与其他三个模型相比，剪切带变得更薄，同时最大剪应变的区域进一步变小。由此可见，在模型分层分区的情况下，边坡剪应变区域范围变小，剪切带也不断变薄。

图5 模型1典型剖面剪应变云图

图8 模型4典型剖面剪应变云图

3.3 安全系数计算结果与分析

研究中利用极限平衡法对边坡的安全性系数进行计算，结果显示，模型1、模型2、模型3和模型4的安全系数分别为1.44、1.46、1.54和1.50。根据《建筑边坡工程技术规范》GB 50330—2013的相关标准，边坡均处于稳定状态。四种不同的模型相比，模型2、模型3和模型4的安全系数比模型1分别提高了1.38%、6.94%和4.16%。由此可见，随着模型分层和分区细化，堆渣体边坡的总位移不断减小，边坡的安全系数有明显的增加。

4 结 论

(1)在各种不同的计算模型下，边坡位移最大值均出现在中部偏下的部位；随着模型分层与分区的不断细化，边坡的位移量也呈现出逐渐减小的趋势；模型4与模型1相比，最大位移值减小了约43.82%，说明边坡分布不均匀性对边坡位移量存在比较显著的影响。

(2)在模型分层分区的情况下，边坡剪应变区域范围变小，剪切带也不断变薄。

(3)随着模型分层和分区细化，堆渣体边坡的安全系数有明显的增加。

综上所述，堆渣体的分布不均匀性对边坡稳定性存在比较显著的影响，建议在不均匀性比较明显的堆渣体边坡稳定性研究中，采用细化分层、分区的模型。