基于FLAC^3D的巖質(zhì)邊坡滲流特性分析

黃天成 祝新星

摘 要：巖質(zhì)邊坡的地下水滲流是一個比較復(fù)雜的問題，完全耦合用時較長。文章論述了FLAC3D中流固耦合的簡化方法，初步討論了不同地下水位、流體模量、滲透系數(shù)等因素對單滑面巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)的影響，并進(jìn)行了工程實(shí)例分析。

關(guān)鍵詞：flac3D；邊坡穩(wěn)定；地下水滲流

中圖分類號：TU457 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）19-0068-02

Abstract： Groundwater seepage of rock slope is a complicated problem， and the time of complete coupling is longer. In this paper， the simplified method of fluid-solid coupling in FLAC3D is discussed， and the influence of different factors such as groundwater level， fluid modulus and permeability coefficient on the safety factor of rock slope with single sliding surface is discussed， and an engineering example is analyzed.

Keywords： FLAC3D； slope stability； groundwater seepage

1 基本原理

1.1 基本公式[1]

流體擴(kuò)散方程由達(dá)西定律推導(dǎo)得到：

1.2 流固耦合分析方法選擇

通常進(jìn)行流固耦合分析需消耗大量時間，但在一些情況下可采用非耦合方法進(jìn)行簡化分析。假設(shè)ts為問題需要分析的時標(biāo)，tc為耦合擴(kuò)散時間所需要的特征時間，在FLAC3D中，當(dāng)ts遠(yuǎn)小于tc時，可不進(jìn)行滲流分析；當(dāng)ts遠(yuǎn)大于tc時，屬于長期分析，需打開滲流模式[3]；當(dāng)ts與tc差別不大，若為孔壓引起的擾動，可分滲流與力學(xué)兩步求解，若為力學(xué)引起的，則需要按真實(shí)的流體模量進(jìn)行流固耦合計算。

2 特性分析

為分析不同水位、流體模量及滲透系數(shù)對滑面中水壓力分布及邊坡安全的影響，取單滑面巖質(zhì)邊坡作為研究對象（見圖1）。計算中不考慮巖土的可壓縮性（比奧系數(shù)為1）。

為縮短計算時長，本例不進(jìn)行流固耦合，采用1.2節(jié)的簡化計算，具體步驟如下：1.打開滲流模式，關(guān)閉力學(xué)狀態(tài)，進(jìn)行滲流計算，流體模量采用真實(shí)值；2.待滲流穩(wěn)定后，打開力學(xué)模式，進(jìn)行靜力計算，流體模量取0。

模型底部采用不透水邊界，側(cè)面設(shè)為固定水位的透水邊界，假設(shè)滑動體為不透水體，地表孔壓設(shè)為0。相關(guān)的計算參數(shù)見表1。

由圖2可知，與均質(zhì)邊坡的水壓力分布規(guī)律不同[4]～[6]，單滑面邊坡滑動體底部孔壓在中部某處達(dá)到峰值，兩側(cè)出露點(diǎn)為0，隨著坡頂?shù)叵滤坏奶Ц?，孔壓及其影響范圍逐漸增大，峰值點(diǎn)向上游移動。從邊坡穩(wěn)定的角度，隨著滑面孔隙水壓力的增加，法向有效應(yīng)力逐漸減小，邊坡的抗滑能力隨之下降，據(jù)表2，水位的升高與安全系數(shù)的降低呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。當(dāng)坡頂水位升高到230m時，邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)。

對表2中流體模量及滲透系數(shù)進(jìn)行敏感性分析后得出，兩參數(shù)的量級變化對單滑面巖質(zhì)邊坡的安全系數(shù)影響較小?？梢娫诓豢紤]土體壓縮性的情況下，有效應(yīng)力對流體模量的改變并不敏感，而計算模型的邊界條件相對固定，不同滲透系數(shù)下孔壓沒有明顯變化。在計算時長方面，由于在含浸潤面的穩(wěn)態(tài)滲流條件下流體的計算時步與滲透系數(shù)及流體模量的倒數(shù)成正比[2]，對于單滑面巖質(zhì)邊坡，取較小的流體模量和較大的滲透系數(shù)，可以縮短滲流計算的時間，且對安全系數(shù)的影響不大。

3 工程實(shí)例

計算對象為某水電站拱壩下游左岸壩肩邊坡，其順河向長690m，橫河向?qū)?75m，坡高約420m。根據(jù)地勘資料，主要考慮作用在底滑面上的水壓力，以此擬合地下水的初始條件，滑面上的水壓力作用見圖3。

經(jīng)計算，天然狀態(tài)及一期置換后，無水荷載作用下的位移比同期考慮水荷載的情況要小2～5mm，其出現(xiàn)位移突變的時間要滯后，表3中滑動面的屈服變化與位移演變是對應(yīng)的。施加水荷載后，邊坡的安全系數(shù)降低了0.04。當(dāng)進(jìn)行完二期置換后邊坡的位移變化得到了有效的控制，說明隨著底滑面置換體的施加，水壓力的影響不斷減小。

4 結(jié)束語

單滑面巖質(zhì)邊坡的地下水滲流問題可采用非流固耦合的簡化方法，地下水位的高度與安全系數(shù)成反比關(guān)系，流體模量和滲透系數(shù)的取值對安全系數(shù)影響不大。實(shí)際工程中的滲流邊界條件較為復(fù)雜，安全系數(shù)的變化受滲流初始條件、滑面加固措施等因素的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫書偉，林杭，任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[2]鄧思遠(yuǎn)，楊其新，蔣雅君，等.FLAC3D流固耦合滲流模型探討[J].隧道建設(shè)，2016，2（02）：179-185.

[3]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[4]陳祖煜.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析：原理方法程序[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[5]銀曉鵬.降雨條件下的邊坡滲流數(shù)值模擬及穩(wěn)定性分析[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2008.

[6]陳守義.考慮入滲和蒸發(fā)影響的土坡穩(wěn)定性分析方法[J].巖土力學(xué)，1997，18（2）：8-1.

[7]蔣博聞.巖質(zhì)邊坡可靠性的研究方法發(fā)展現(xiàn)狀[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（15）：193.