黄天成 祝新星

摘 要：岩质边坡的地下水渗流是一个比较复杂的问题，完全耦合用时较长。文章论述了FLAC3D中流固耦合的简化方法，初步讨论了不同地下水位、流体模量、渗透系数等因素对单滑面岩质边坡安全系数的影响，并进行了工程实例分析。

关键词：flac3D；边坡稳定；地下水渗流

中图分类号：TU457 文献标志码：A 文章编号：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]

流体扩散方程由达西定律推导得到：

1.2 流固耦合分析方法选择

通常进行流固耦合分析需消耗大量时间，但在一些情况下可采用非耦合方法进行简化分析。假设ts为问题需要分析的时标，tc为耦合扩散时间所需要的特征时间，在FLAC3D中，当ts远小于tc时，可不进行渗流分析；当ts远大于tc时，属于长期分析，需打开渗流模式[3]；当ts与tc差别不大，若为孔压引起的扰动，可分渗流与力学两步求解，若为力学引起的，则需要按真实的流体模量进行流固耦合计算。

2 特性分析

为分析不同水位、流体模量及渗透系数对滑面中水压力分布及边坡安全的影响，取单滑面岩质边坡作为研究对象（见图1）。计算中不考虑岩土的可压缩性（比奥系数为1）。

为缩短计算时长，本例不进行流固耦合，采用1.2节的简化计算，具体步骤如下：1.打开渗流模式，关闭力学状态，进行渗流计算，流体模量采用真实值；2.待渗流稳定后，打开力学模式，进行静力计算，流体模量取0。

模型底部采用不透水边界，侧面设为固定水位的透水边界，假设滑动体为不透水体，地表孔压设为0。相关的计算参数见表1。

由图2可知，与均质边坡的水压力分布规律不同[4]～[6]，单滑面边坡滑动体底部孔压在中部某处达到峰值，两侧出露点为0，随着坡顶地下水位的抬高，孔压及其影响范围逐渐增大，峰值点向上游移动。从边坡稳定的角度，随着滑面孔隙水压力的增加，法向有效应力逐渐减小，边坡的抗滑能力随之下降，据表2，水位的升高与安全系数的降低呈现一定的线性关系。当坡顶水位升高到230m时，边坡出现失稳。

对表2中流体模量及渗透系数进行敏感性分析后得出，两参数的量级变化对单滑面岩质边坡的安全系数影响较小。可见在不考虑土体压缩性的情况下，有效应力对流体模量的改变并不敏感，而计算模型的边界条件相对固定，不同渗透系数下孔压没有明显变化。在计算时长方面，由于在含浸润面的稳态渗流条件下流体的计算时步与渗透系数及流体模量的倒数成正比[2]，对于单滑面岩质边坡，取较小的流体模量和较大的渗透系数，可以缩短渗流计算的时间，且对安全系数的影响不大。

3 工程实例

计算对象为某水电站拱坝下游左岸坝肩边坡，其顺河向长690m，横河向宽675m，坡高约420m。根据地勘资料，主要考慮作用在底滑面上的水压力，以此拟合地下水的初始条件，滑面上的水压力作用见图3。

经计算，天然状态及一期置换后，无水荷载作用下的位移比同期考虑水荷载的情况要小2～5mm，其出现位移突变的时间要滞后，表3中滑动面的屈服变化与位移演变是对应的。施加水荷载后，边坡的安全系数降低了0.04。当进行完二期置换后边坡的位移变化得到了有效的控制，说明随着底滑面置换体的施加，水压力的影响不断减小。

4 结束语

单滑面岩质边坡的地下水渗流问题可采用非流固耦合的简化方法，地下水位的高度与安全系数成反比关系，流体模量和渗透系数的取值对安全系数影响不大。实际工程中的渗流边界条件较为复杂，安全系数的变化受渗流初始条件、滑面加固措施等因素的影响。

参考文献：

[1]孙书伟，林杭，任连伟.FLAC3D在岩土工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

[2]邓思远，杨其新，蒋雅君，等.FLAC3D流固耦合渗流模型探讨[J].隧道建设，2016，2（02）：179-185.

[3]陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[4]陈祖煜.岩质边坡稳定分析：原理方法程序[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[5]银晓鹏.降雨条件下的边坡渗流数值模拟及稳定性分析[D].兰州：兰州理工大学，2008.

[6]陈守义.考虑入渗和蒸发影响的土坡稳定性分析方法[J].岩土力学，1997，18（2）：8-1.

[7]蒋博闻.岩质边坡可靠性的研究方法发展现状[J].科技创新与应用，2015（15）：193.