王偉興, 何文勇, 高　楊

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 貴州 貴陽　550025;　2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 貴州 貴陽　550081)

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基于Geo-Studio和Flac 2D的邊坡流固耦合作用分析

王偉興1,2, 何文勇2, 高楊1,2

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 貴州 貴陽550025;2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 貴州 貴陽550081)

[摘要]以貴州省凱里至羊甲高速公路小苗嶺巖堆邊坡RK9+130～RK9+410右側(cè)滑坡項(xiàng)目為依托，通過邊坡應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的耦合作用分析該邊坡因地下水位抬升發(fā)生失穩(wěn)的原因。采用Geo-Studio軟件中的滲流分析模塊Seep/W和邊坡穩(wěn)定性分析模塊Slope/W分析不同水力梯度下邊坡的安全系數(shù)，采用Flac 2D分析邊坡隨著地下水位的抬升塑性區(qū)的變化。分析和論證了由于降雨入滲，使坡體內(nèi)部產(chǎn)生滲流場(chǎng)，在流固耦合作用下使邊坡發(fā)生失穩(wěn)甚至破壞。

[關(guān)鍵詞]流固耦合； 邊坡穩(wěn)定性； Geo-Studio； Flac 2D； 塑性區(qū)

0前言

工程巖土體中存在應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)等多場(chǎng)并存且相互影響、相互作用，構(gòu)成一種耦合關(guān)系。滲流場(chǎng)產(chǎn)生的滲流體積力[1]作用于巖土介質(zhì)，會(huì)使巖土介質(zhì)應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)發(fā)生變化；巖土介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)的變化將改變其滲流性質(zhì)，即應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的改變使得巖土介質(zhì)的孔隙比、孔隙率發(fā)生變化；同時(shí)由于多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)[2]與其孔隙的分布情況關(guān)系很大，孔隙比、孔隙率的變化必然引起介質(zhì)滲透性能即滲透系數(shù)的改變，巖土介質(zhì)的滲流場(chǎng)受到影響也會(huì)發(fā)生改變。所以說巖土滲流性質(zhì)的變化又將改變滲流場(chǎng)的分布規(guī)律，同時(shí)也改變了巖土介質(zhì)的滲透力；應(yīng)力場(chǎng)對(duì)滲流場(chǎng)影響的實(shí)質(zhì)是應(yīng)力場(chǎng)改變了巖土介質(zhì)中孔隙的分布狀況，從而改變了巖土介質(zhì)的滲透特性。當(dāng)滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變時(shí)，常常伴有一系列的工程問題產(chǎn)生。本文以小苗嶺邊坡為研究對(duì)象，由于邊坡開挖過程中出現(xiàn)持續(xù)降雨導(dǎo)致地下水位抬升，使得坡體內(nèi)部的滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變且相互作用即流固耦合作用，通過Geo-Studio和Flac 2D分析流固耦合作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

1工程概況

1.1施工設(shè)計(jì)

貴州省凱里至羊甲高速公路路基挖方路段邊坡RK9+130～RK9+410，設(shè)計(jì)為六級(jí)邊坡，第一級(jí)坡比1∶1.25，第二～六級(jí)坡比1∶1.5。該邊坡于2013年9月開始開挖，2013年12月底開挖至第一級(jí)平臺(tái)后，坡體后側(cè)出現(xiàn)零星裂縫，2014年3月初，于填方段坡體后側(cè)發(fā)現(xiàn)開裂，且逐漸發(fā)展現(xiàn)已形成較大錯(cuò)臺(tái)。2014年3月7日～3月28日期間對(duì)滑坡進(jìn)行了深層位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，滑坡最大變形深度達(dá)35.5 m，變形速率為9.0～13.0 mm/d，處于孺滑狀態(tài)且該期間場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)降雨。目前裂縫已基本貫通，統(tǒng)一滑面基本形成，最大裂縫已擴(kuò)展至路基右側(cè)260 m處，裂縫最大錯(cuò)距1.7 m。

1.2地層巖性

路段區(qū)覆蓋層為殘、坡積層粉質(zhì)粘(Qel+dl)，坡積層角礫土(Qdl)及崩積層(Qc)碎石土。下伏基巖為二疊系上統(tǒng)吳家坪組(P2w)砂巖夾炭質(zhì)泥巖及志留系中統(tǒng)翁項(xiàng)組(S2w)砂巖。

1.3水文地質(zhì)

① 地下水。場(chǎng)區(qū)地下水為基巖裂隙水及第四系松散層類孔隙水，地下水主要靠大氣降水垂直補(bǔ)給。

② 水位的監(jiān)測(cè)。在RK9+260斷面(見圖1)共布置深部位移監(jiān)測(cè)孔3個(gè)即JCK03、JCK04、JCK05(見圖2)。

圖1　RK9+260斷面圖Figure 1　RK9+260 section

圖2　JCK03、JCK04、JCK05測(cè)斜管內(nèi)水位變化圖Figure 2　JCK03, JCK05, JCK04 water level variation in the inclined tube

由圖2可知： 在一個(gè)月內(nèi)的水位監(jiān)測(cè)中，JCK03、JCK04、JCK05內(nèi)水位均有不同程度抬升，尤其JCK04、JCK05內(nèi)水位抬升幅度較大約20 m，JCK03內(nèi)水位基本穩(wěn)定，2014-03-18到03-30期間邊坡區(qū)域范圍內(nèi)出現(xiàn)連續(xù)降雨，從圖中可知從2014-03-18開始水位變化幅度增大，在2014-03-30前后監(jiān)測(cè)孔相繼被剪斷，此時(shí)邊坡處于孺滑階段[3]，可以認(rèn)為2014-03-30所測(cè)得的水位為該監(jiān)測(cè)期間的最高水位，而自2014-03-02開始水位變化幅度較小且水位較為穩(wěn)定，此時(shí)的水位為該監(jiān)測(cè)期間的最低水位。由于滑動(dòng)面的范圍遠(yuǎn)超過測(cè)斜管JCK05的位置，為此在計(jì)算當(dāng)中應(yīng)用的浸潤線位置應(yīng)該延伸到邊坡后緣，根據(jù)所測(cè)得的水位資料繪出5條不同水位情況見圖3。

圖3　不同水位條件下的浸潤線位置Figure 3　The position of the line at different water level

由圖3中可知: 邊坡后緣最高水位高程為930 m，最低水位高程為910 m，變化幅度為20 m，與監(jiān)測(cè)的水位資料情況相符，邊坡前緣水位基本穩(wěn)定水位高程為855 m，因此需要分析水位高程分別為910、915、920、925、930 m(即后緣水頭高度為70、75、80、85、90 m，前緣水頭高度為15 m)時(shí)坡體內(nèi)部流固耦合作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

1.4計(jì)算參數(shù)

碎石土的彈性模量為30 MPa，泊松比0.25，干重度20 kN/m3，飽和重度22 kN/m3，內(nèi)摩擦角為25°，粘聚力為10 kPa，滲透系數(shù)3.3e-4 m/sec。

2Geo-Studio的流固耦合作用分析

2.1Geo-Studio軟件耦合計(jì)算原理

在GeoStudio系統(tǒng)軟件中Seep/W模塊可以完成孔隙水壓力的計(jì)算并可以得到不同水力梯度下的浸潤線，然后將計(jì)算所得的孔隙水壓力的結(jié)果導(dǎo)入Slope/W模塊中得到在不同水力梯度下邊坡的安全系數(shù)即流固耦合作用[4，5]下的安全系數(shù)。

2.2Geo-Studio模型建立

由于通過Seep/W模塊和Slope/W模塊進(jìn)行耦合計(jì)算時(shí)，為了能更加真實(shí)的反應(yīng)實(shí)際情況，因此滑動(dòng)面設(shè)定為“指定滑動(dòng)面位置”的方式進(jìn)行耦合計(jì)算，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)深部位移監(jiān)測(cè)曲線(見圖1)據(jù)測(cè)斜管被剪斷掉的位置來確定滑動(dòng)面的位置見圖1。因此以斷面RK9+260為依托建立計(jì)算模型見圖4。

圖4　Geo-Studio計(jì)算模型Figure 4　Geo-Studio calculation model

2.3基于Geo-Studio的不同水力梯度下的邊坡安全系數(shù)(見圖5)

不同水力梯度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響(見表1)。

通過表1可知: 隨著水位的不斷升高，邊坡安全系數(shù)逐漸下降，當(dāng)水位上升至90 m即監(jiān)測(cè)期間的最高水位時(shí)，邊坡安全系數(shù)約為F=1.00，可以認(rèn)為邊坡處于極限平衡狀態(tài)[6，7]，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)斜資料可知JCK03、JCK04、JCK05在此水位條件下相繼被剪斷，即邊坡開始出現(xiàn)滑動(dòng)，與計(jì)算結(jié)果基本相符，如果水位繼續(xù)上升，邊坡將會(huì)失穩(wěn)而演變成滑坡。

圖5　不同水位時(shí)的邊坡穩(wěn)定性分析Figure 5　Analysis of slope stability under different water levels

表1 不同水位下安全系數(shù)Table1 Safetyfactorunderdifferentwaterlevels水頭/m方法OrdinaryBishopJanbuM-P701.2091.2611.1891.207751.1751.2201.1561.173801.1361.1741.1191.135851.0891.1211.0731.088901.0361.0641.0211.035

3Flac 2D的流固耦合作用分析

3.1Flac 2D模型建立

以RK9+260斷面(見圖1)為依托建立模型如圖6所示。

圖6　Flac 2D計(jì)算模型Figure 6　Flac 2D computing model

3.2基于Flac 2D的不同水力梯度下邊坡的塑性區(qū)變化

分析當(dāng)后緣水頭高度分別為70、75、80、85、90 m，前緣水頭高度為15 m時(shí)，邊坡塑性區(qū)的變化(見圖7)。

圖7　不同水位時(shí)的塑性區(qū)Figure 7　the plastic zone under different water level

結(jié)果分析：

通過不同水力梯度下的塑性區(qū)對(duì)比分析可以看出：由于邊坡前后緣存在一定的水力梯度[8，9]，在此水力梯度的作用下坡體內(nèi)部產(chǎn)生滲流場(chǎng)，隨著水位的抬升，在坡腳處產(chǎn)生塑性區(qū)，并且該塑性區(qū)有逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)水位上升至90 m時(shí)，塑性區(qū)貫通，從圖15中可以看出: 坡體表面出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，若水位繼續(xù)上升，該邊坡將誘發(fā)成滑坡，從圖7可以看出: 坡體后緣出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，而通過現(xiàn)場(chǎng)可知邊坡后緣存在拉裂縫[10，11]，這與實(shí)際情況相符。

4監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

在該邊坡坡面設(shè)置地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)JCD18見圖1所示，邊坡從2013年9月份開始開挖到2014年8月份JCD18的位移曲線如圖8所示。

圖8　JCD18(ΔX,ΔY,ΔZ)位移曲線圖Figujre 8　JCD18 (ΔX,ΔY,ΔZ) displacement curve

從圖8中可以看出: 自2013年12月起邊坡開始發(fā)生變形，此時(shí)邊坡開挖至一級(jí)平臺(tái)，坡體后側(cè)出現(xiàn)零星裂縫，邊坡繼續(xù)開挖且場(chǎng)區(qū)出現(xiàn)持續(xù)降雨，邊坡變形逐漸增大，通過Geo-Studio和Flac 2D分析中可以看出邊坡地下水位逐漸抬升，邊坡安全系數(shù)[12，13]逐漸下降，在坡腳處邊坡塑性區(qū)[14，15]逐漸增大和邊坡位移量逐漸增大，這與圖8所示的位移變化情況基本相符。

5結(jié)論

① 利用GeoStudio軟件中Seep/W模塊和Slope/W模塊分析邊坡內(nèi)部流固耦合作用是一種基于剛體極限平衡理論的分析方法，得到不同水力梯度下的安全系數(shù)是流固耦合作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的一個(gè)定量的評(píng)價(jià)。

② 利用Flac 2D分析邊坡流固耦合作用，是基

于彈塑性本構(gòu)模型的，對(duì)于流固耦合作用的影響是一個(gè)定性評(píng)價(jià)，主要揭示該邊坡演變成滑坡的過程。

③ 通過2種不同的分析方法可知，隨著地下水位的抬升，邊坡安全系數(shù)逐漸下降直至出現(xiàn)孺滑狀態(tài)，同樣邊坡塑性區(qū)逐漸從坡腳向后緣延伸，最終達(dá)到塑性區(qū)貫通，即邊坡發(fā)生失穩(wěn)乃至破壞。

④ 由于地下水位的抬升使得坡體內(nèi)部出現(xiàn)水力梯度差，產(chǎn)生滲流場(chǎng)并與坡體內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)相互作用，降低邊坡的安全儲(chǔ)備，對(duì)于工程造成損失甚至產(chǎn)生危險(xiǎn)，因此在工程施工前應(yīng)注重排水的重要性。

⑤ 通過現(xiàn)場(chǎng)地表位移監(jiān)測(cè)資料的對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了基于GeoStudio和Flac 2D的流固耦合作用分析的正確性和與現(xiàn)場(chǎng)情況的一致性，同時(shí)也證明了滲流場(chǎng)存在的真實(shí)性。

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Analysis of Fluid Solid Coupling of Slope Based on Geo-Studio and Flac 2D

WANG Weixin1,2, HE Wenyong2, GAO Yang1,2

(1.Resource & Environment Engineering College of GuiZhou university, Guiyang， Guizhou 550025，China;2.Guizhou Transportation Planning Survey & Design Academe CO.,LTD Guiyang， Guizhou 550081,China)

[Abstract]depend on the project that a highway of Xiao Miaoling from Kaili to Yangjia rock pile slope RK9+130 to RK9+410 right landslide in Guizhou province, the analysis of the reason that the slope is unstability due to underground water level uplift by the stress field and seepage field. calculate the safety factor of slope by Slope/W and Seep/W of Geo-Studio software, Flac 2D was used to analyze the change of the plastic zone of the slope. Analysis and demonstration of the rainfall infiltration, so that the field was produced in the slope, under the flow and solid coupling to make the slope instability and even damage.

[Key words]fluid structure coupling; slope stability; geo-studio; flac 2D; plastic zone

[中圖分類號(hào)]U 416.1+4

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674—0610(2016)02—0178—04

[作者簡介]王偉興(1990—)，男，吉林長春人，碩士研究生，從事邊坡穩(wěn)定性分析和治理方面研究，研究方向：巖土體工程性質(zhì)及其應(yīng)用。

[基金項(xiàng)目]貴州省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2012-022-132)

[收稿日期]2015—09—22