李洪碧 耿海洋

(1.内江师范学院，四川 内江 641112;2.四川省清源工程咨询有限公司，四川 成都 610072)

0 引言

目前土建工程中常遇到边坡稳定与支护等问题，我们对常见的边坡按照组成地层岩性分类分为岩质边坡与土质边坡;对于岩质边坡按照岩层结构分为:层状结构、块状结构、网状结构边坡;岩质边坡的破坏形式有滑坡、塌滑、崩塌、剥落等［1］;影响岩质边坡稳定的因素主要分为内因和外因，内因:岩土性质、地质构造、岩土结构、水的作用、地震作用、地应力和残余应力等，外因:工程荷载条件、振动、斜坡形态及风化等;对于边坡的稳定性评价应根据其地形地貌、形态特征、地层条件、地下水条件和出露位置等因素综合确定。当前对于边坡的安全稳定性分析有多种方法可以采用，常见的有数值分析法及极限平衡法等，文中采用的是数值分析法中的显示数值差分法，来分析一个顺层岩质边坡的安全稳定性，采用极限平衡法的结果做对比。

1 FLAC理论

1.1 FLAC 简介

近年来数值模拟方法随计算机技术的进步有较快的发展，文中采用的显示数值差分程序是FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continuum)——“快速拉格朗日差分分析”。

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是由Itasca公司研发推出的连续介质力力学分析软件，是国际通用的岩土工程专业分析软件，具有强大的计算功能和广泛的模拟能力，尤其在大变形问题的分析方面具有独特的优势［2］。软件提供的针对岩土体和支护体系的各种本构模型和结构单元更突出了FLAC的“专业”特性，在国际土木工程(尤其是岩土工程)学术界和工业界享有盛誉。

FLAC程序主要是为岩土工程应用而开发的岩石力学计算程序，程序中包括了反映岩土材料力学效应的特殊计算功能，可解算岩土类材料的高度非线性(包括应变硬化/软化)、不可逆剪切破坏和压密、粘弹(蠕变)、孔隙介质的固—流耦合、热—力耦合以及动力学行为等。

图1 基本显式计算循环图

1.2 计算原理

FLAC计算时用户先将模型分成由四边形单元组成的有限差分网格，FLAC程序再将每个单元生成两组重合的三角形单元。在外力的作用下单元根据材料的本构关系，单元应力会发生改变，同时引起材料的变形。计算过程是首先调用运动方程，从应力和外力导出了新的速度和位移，然后根据速度导出应变速率，以及由应变速率得出新的应力［3］，见图1。在计算时FLAC采用尽可能小的时步，假设每个单元的变形尚未传递到相邻单元，在这种假设下经多次循环，得出最弱结果。

1.3 FLAC程序的优、缺点

1)对于模拟塑性大变形及流动模型时采用了混合单元离散模型;2)对于静态系统也采用了动态方程，使得FLAC可以模拟物理不稳定进程;3)显式解决方案使得对于非线性应力—应变法则与线性法则相比同样快速;4)对于不同本构模型不用调用不同的算法;5)FLAC的不足有对比线性模拟更适用于处理非线性或大应变问题［3］。

2 工程实例

2.1 工程简介

工程为某水电站坝址右岸边坡，边坡走向N33°W，倾向NE∠57°，平均坡度∠42°，平均坡高220 m;岩性为灰色～灰黑色，中厚层状变质砂岩夹中薄层状板岩;岩层产状:N40°W/NE∠40°～46°，优势节理发育有两组:1)N77°E/SE∠64°，节理面平直，微粗糙，间距5 cm～20 cm，延伸长度5 m～8 m，多充填有0.5 mm～3 mm的石英脉;2)N27°E/NW∠66°，节理面微起伏，粗糙，间距0.5 m～1 m，延伸长3 m～5 m，闭合无充填。坡体表面局部分布覆盖层，主要为崩坡积块碎石及冲洪积的含漂砂卵砾石层，覆盖层主要分布在河床及坡脚位置，勘探揭示最大厚度为12.0 m，见图2～图5。坝址的地震水平峰值加速度为0.1g，地震基本烈度为7度。

图2 工程地质平面图

2.2 计算参数确定

根据现场地质勘察，对岩土体取样做室内试验，得到的边坡岩土体物理力学参数见表1。

图3 节理裂隙及坡面产状赤平投影

根据现场勘察结果，确定各勘探剖面在边坡体中的位置，考虑边坡体实际情况，确定典型计算剖面，见图6。

图4 顺层岩体变形破坏现状

图5 岩层构造

表1 岩土物理力学参数表

图6 典型剖面图

2.3 计算工况及荷载组合

由于水电站在运行期间水位的变化及自然因素影响，所以要考虑多种工况下的边坡稳定，特选取以下几种可能工况及荷载组合来校验边坡安全系数，见表2。

表2 工况组合

2.4 计算模型

由于本工程所涉及的为岩质边坡，岩体有明显的层理、软弱夹层发育，层理倾向为顺坡向，因此对边坡做稳定性分析时要考虑到层面的影响，本边坡岩体层理发育的影响，造成顺层面方向抗剪强度较垂直层面方向小，岩石将沿抗剪强度较小的方向破坏，在建立边坡计算模型时基岩材料要采用各向异性材料——节理化模型，见图7，图8，软弱面的搜索采用拆线破坏面求解。

图7 极限平衡法计算模型

图8 FLAC计算模型

2.5 计算结果

根据土工实验数据分别采用极限平衡法和显式有限差分法的计算结果，见表3。

表3 不同计算方法下安全系数K值

通过对所得安全系数可见两种方法的结果偏差在6.2%以内，最小误差为2.8%，滑动破坏面及工程量也基本一致，FLAC计算结果与工程现场勘察较为相符，计算结果具有一定的可靠性。

3 结论与建议

根据以上的计算结果对比得出结论如下:

1)FLAC可以用于均质各向异性岩质边坡的稳定性分析;

2)FLAC的计算结果与极限平衡法计算的结果接近，分析成果合理;

3)FLAC的计算结果可以作为对比应用，此边坡在蓄水后安全性较差，若在此建坝，建议对边坡采取支护处理。

［1］《工程地质手册》编委会.工程地质手册［M］.第4版.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［2］Flac Help，Flac随机指南手册［Z］.

［3］刘 波，［美］韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［4］魏继红，吴继敏，孙少锐，等.FLAC3D在边坡稳定性分析中的应用［J］.勘察科学技术，2005(2):89-92.

［5］马 聪，谭跃虎，何世海，等.卡拉水电站田三滑坡体风险分 析［J］.岩土工程技术，2011(4):11-15.