鄶君

（遼寧省水利工程技術(shù)審核與造價管理中心，遼寧 沈陽 110003）

某水電站大壩下游右岸開挖時發(fā)生滑坡，滑坡土石方量約為4×104m3。經(jīng)多次現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)滑坡范圍繼續(xù)擴(kuò)大，滑坡體后緣約447 m高程和480 m高程處均有裂縫，裂縫最大寬度約為10 cm，且在整個邊坡范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)多處裂縫并有加大趨勢。鉆孔資料顯示邊坡覆蓋層主要為碎石混合土，擋墻開挖時，開挖深度內(nèi)全部為碎石混合土，深度為10 m，基巖埋藏較深，為中等風(fēng)化的熔巖凝灰?guī)r。

為保障設(shè)計和施工安全，需要對開挖的右岸邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，因此文中采用FLAC3D數(shù)值模擬方法，選擇穩(wěn)定性最差的設(shè)計剖面為典型計算剖面，分析了邊坡穩(wěn)定參數(shù)的敏感性，進(jìn)而確定了該邊坡穩(wěn)定分析的參數(shù)選擇方法。

1 FLAC3D模型

FLAC 3D模型由美國I-TASCA咨詢集團(tuán)于1986年研制推出，該模型采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，對模擬材料的塑性破壞和流動精度較高。因為不需要形成剛度矩陣，所以對計算機(jī)要求相對較低，在求解大數(shù)量單元體的三維問題上有較明顯的優(yōu)勢[1-2]。

FLAC3D模型與多數(shù)有限元軟件相似，主要通過大量的單元體來模擬實際的結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)行各種材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動分析。單元材料的本構(gòu)模型不受線性和非線性限制，在外力作用下，當(dāng)材料發(fā)生屈服流動后，網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)生變形和移動。

2 參數(shù)敏感性分析

邊坡穩(wěn)定敏感度是指穩(wěn)定系數(shù)變化的百分率與參數(shù)變化的百分率的比值，敏感度系數(shù)越高，表示穩(wěn)定系數(shù)對該參數(shù)的敏感程度越高。本文主要針對某電站壩下右岸邊坡碎石土的粘聚力、內(nèi)摩擦角和剪脹角等參數(shù)進(jìn)行多個單因素的敏感性分析，確定穩(wěn)定系數(shù)與有關(guān)參數(shù)變化的關(guān)系，從中找出影響邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而指導(dǎo)邊坡工程設(shè)計。

2.1 粘聚力的影響

計算確定粘聚力變化區(qū)間為[4 kpa，64 kpa]，變化梯度 Kc，即Ci=KcCi-1，其中Ci和Ci-1為第 i步變化對應(yīng)的粘聚力和第i-1步變化對應(yīng)的粘聚力。得到邊坡安全系數(shù)與粘聚力的變化關(guān)系如表1。從表中可以看出，穩(wěn)定系數(shù)對粘聚力的敏感度系數(shù)均為正值，表明穩(wěn)定安全系數(shù)與粘聚力呈同方向變化。粘聚力由16～32 kPa變化時，敏感度系數(shù)最大，在該區(qū)間變化時對穩(wěn)定系數(shù)的影響最大。另外，隨著粘聚力的增大，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)也顯著增大。從圖1可以看出，對于碎石土邊坡粘聚力越小，所得到的塑性區(qū)范圍越小越狹窄，滑動面越接近坡面。穩(wěn)定系數(shù)隨粘聚力的變化曲線如圖1。

表1 粘聚力與穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系

圖1 安全系數(shù)隨粘聚力變化的曲線

2.2 摩擦角的影響

分別對摩擦角為10°，15°，20°，25°，30°時邊坡進(jìn)行穩(wěn)定計算，得到的穩(wěn)定系數(shù)、敏感度系數(shù)與摩擦角之間的關(guān)系如表2。從表中可以看出，穩(wěn)定系數(shù)對摩擦角的敏感度系數(shù)均為正值，表明穩(wěn)定安全系數(shù)與摩擦角呈同方向變化。摩擦角由[10°,15°]及[20°,25°]兩個區(qū)間變化時，敏感度系數(shù)較大，對穩(wěn)定系數(shù)的影響較大。隨著摩擦角的增大，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)也顯著增大。

表2 摩擦角與穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系

圖2給出不同摩擦角時邊坡發(fā)生破壞時的塑性應(yīng)變分布。可以看出塑性破壞區(qū)的形狀和分布與摩擦角的大小有很大關(guān)系，摩擦角越大，所得到的塑性破壞區(qū)范圍越小。另外破壞滑動面的位置與摩擦角的大小也有很大關(guān)系，摩擦角越大，破壞時形成的滑動圓弧越小所造成的破壞也越小，摩擦角很小時，滑動圓弧深度越大，離坡面越遠(yuǎn)，這與粘聚力對滑動面位置的影響完全相反。

圖2 安全系數(shù)隨粘聚力變化的曲線

2.3 剪脹角的影響

在設(shè)計中，邊坡穩(wěn)定分析最常用的極限平衡法，該方法不考慮材料的剪脹性。常用的以極限分析法為基礎(chǔ)的邊坡穩(wěn)定計算程序，都是假定剪脹角等于材料的內(nèi)摩擦角，即ψ=φ。但是，大量的試驗結(jié)果表明，剪脹角要比內(nèi)摩擦角低很多。數(shù)值分析方法可以建立在非關(guān)聯(lián)流動法則基礎(chǔ)上，將剪脹角的影響考慮到邊坡穩(wěn)定計算中。在大多數(shù)土工數(shù)值計算中，往往只考慮了兩種極限情況，即剪脹角等于摩擦角和剪脹角等于零兩種狀態(tài)，很少考慮剪脹角在零與摩擦角之間變化的情況。結(jié)合電站邊坡實際，針對不同的剪脹角進(jìn)行數(shù)值計算，給出不同剪脹角下的穩(wěn)定系數(shù)及敏感度系數(shù)如表3所示。穩(wěn)定系數(shù)隨剪脹角變化曲線如圖3。

表3 剪脹角與穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系

圖3 安全系數(shù)隨剪脹角變化的曲線

計算結(jié)果表明：穩(wěn)定系數(shù)隨剪脹角增大而增大。從敏感度系數(shù)的變化來看，穩(wěn)定系數(shù)對剪脹角的變化敏感性較小。剪脹角一般在[0°,20°]區(qū)間內(nèi)變化，其對穩(wěn)定系數(shù)的影響是有限的。

3 參數(shù)的確定方法

由上述模擬分析可以看出，粘聚力、摩擦角均對邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)影響較大，其中摩擦角的影響最大。剪脹角對穩(wěn)定系數(shù)影響較小。在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析前，需進(jìn)行科學(xué)合理的參數(shù)選擇，尤其對粘聚力和摩擦角的選取應(yīng)慎重。

穩(wěn)定性計算所需的粘聚力、摩擦角、剪脹角參數(shù)一般可采用工程地質(zhì)類比法、現(xiàn)場直剪試驗法、現(xiàn)場取樣室內(nèi)直剪試驗法等手段獲得[3-4]。

水利工程邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，進(jìn)行大規(guī)模的現(xiàn)場直剪試驗難度較大且不經(jīng)濟(jì)。因此，根據(jù)某電站工程建設(shè)的實際情況，結(jié)合各參數(shù)的敏感性分析結(jié)論，根據(jù)我國其它行業(yè)的作法及大量現(xiàn)場試驗，綜合采用試驗、工程地質(zhì)類比和反演分析等方法確定了某電站邊坡土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角，采用反演分析法確定了剪脹角。根據(jù)施工期間反饋的地質(zhì)資料和安全監(jiān)測資料，對參數(shù)進(jìn)行了必要的修正。

4 結(jié)論

文中采用FLAC 3D模型對邊坡穩(wěn)定參數(shù)的敏感性進(jìn)行分析，并結(jié)合敏感性分析結(jié)果，確定了某邊坡穩(wěn)定分析參數(shù)選擇的方法，主要結(jié)論如下：

1）隨著粘聚力增大安全系數(shù)增幅明顯加大。

2）摩擦角對滑動面的深度和穩(wěn)定系數(shù)的影響主要有如下表現(xiàn)：摩擦角較小時，穩(wěn)定系數(shù)較小，滑動面的深度較大；摩擦角增大時，穩(wěn)定系數(shù)增大，滑動面的深度較淺。

3）剪脹角的增大會提高邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，但是影響范圍有限。

4）根據(jù)邊坡力學(xué)參數(shù)的敏感性分析結(jié)果，按其對邊坡穩(wěn)定性影響的重要性排序為：摩擦角φ、粘聚力c、剪脹角ψ。

5）邊坡穩(wěn)定性力學(xué)參數(shù)的確定應(yīng)采用多次的動態(tài)的方法獲得，其獲得的過程應(yīng)貫穿邊坡設(shè)計的全生命周期中，需綜合應(yīng)用工程地質(zhì)類比法、區(qū)域調(diào)查分析法、現(xiàn)場直剪試驗、取樣室內(nèi)試驗法、反演分析法等多種方法。