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        基于FLAC3D的某電站邊坡穩(wěn)定計算參數(shù)分析

        2018-09-25 07:52:08鄶君
        東北水利水電 2018年9期
        關(guān)鍵詞:粘聚力摩擦角敏感度

        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?yàn)椴恍枰纬蓜偠染仃嚕詫τ嬎銠C(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(shí)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(yàn)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(shí)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(yàn)法、現(xiàn)場取樣室內(nèi)直剪試驗(yàn)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(yàn)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(shí)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(yàn),綜合采用試驗(yàn)、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?yàn)椋耗Σ两铅?、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(yàn)、取樣室內(nèi)試驗(yàn)法、反演分析法等多種方法。

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