乐慧琳，魏继红，施　威，宋京雷

(1．河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京　210098； 2. 江苏省地质调查研究院，江苏 南京　210018)



SLIDE和FLAC在某水电站边坡稳定性分析中的应用及对比

乐慧琳1，魏继红1，施威1，宋京雷2

(1．河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京210098； 2. 江苏省地质调查研究院，江苏 南京210018)

摘要：为比较SLIDE和FLAC这2款软件在分析边坡稳定性、计算边坡安全系数时的差异，利用这2款软件对福建省关公凹水电站某开挖边坡进行稳定性分析并求解安全系数。模拟过程中发现，SLIDE软件需要预先设定滑动面的形态和滑动面圆心的范围，滑动面形态和滑动面圆心范围设置的不同将会导致计算得到的安全系数有很大的差异，这使得SLIDE软件求解安全系数时受主观性影响大，导致误差增大。通过计算发现，运用SLIDE软件进行计算时，设置集中搜索框与否对计算所得的安全系数影响很小。与SLIDE软件不同，FLAC考虑了岩体的应力应变关系，能通过模仿材料性能找到破坏面，无需人为设置破坏面，得到的滑动面比SLIDE软件中假定的圆弧滑动面更加合理，强度折减法得到的安全系数更加准确。所得结论对其他类似工程具有一定指导作用，对使用这2款软件的业内人士有一定帮助。

关键词：FLAC；SLIDE；稳定性分析；强度折减法

随着我国经济社会的快速发展，各地都在大力开展基础设施建设，尤其是水电站的建设，而建设过程中经常要大量挖方、填方，形成了大量的裸露边坡，从而带来一系列环境问题，已严重影响我国经济社会的可持续发展。滑坡是常见的地质灾害之一，常常表现为摧毁房屋、中断交通、阻碍河流、破坏各种地下管线等，对人民的生命和财产安全造成极大的伤害[1-2]。特别是在我国西南地区，其独特的地形地貌、地层岩性、气象水文等条件，都是孕育滑坡的温床，造成的损失也是巨大的。人们在开发利用水电资源的同时，也为滑坡的形成提供了便利条件[3]。边坡稳定性的分析和评价是边坡工程的核心问题，是岩土工程领域的一个重要课题。目前有很多的数值分析软件对边坡的稳定性进行分析，其中SLIDE软件使用较为简单，容易操作，在从事岩土行业的人员中运用得十分普遍，被广泛运用于边坡、基坑、路基稳定性的计算[4-6]。FLAC软件功能强大，不仅被用于简单的边坡稳定性分析，还常常被用来模拟地下水、地震、渗流、暴雨、蓄水等多种工况[7-13]；但是，对于这2种软件进行边坡稳定性分析的对比研究很少，较难判断这2种软件的优劣之处。本文以福建省关公凹水电站某边坡为例，运用这2种软件对其进行稳定性分析，得出2种软件在进行边坡稳定性分析时的不同之处，比较2种软件的计算结果，希望给使用这2款软件的业内人士提供一些指导。

1边坡概况

1.1　地质概况

该边坡位于福建省清流县关公凹水电站左岸坝肩，左岸坝区地形坡度下陡上缓，地层岩性为上泥盆统桃子坑组变质石英砂砾岩、石英云母片岩。该边坡是在水电站建设过程中对山体进行开挖造成的，边坡长约70 m，高约38 m，边坡表层岩层产状N30~65W/SW∠25~43。据现场勘察资料揭示，边坡上部为强风化石英砂砾岩，厚度约为28 m，下部为弱风化石英砂砾岩，厚度约为10 m。边坡内部夹一层厚1~3 m的石英云母片岩，在坝基范围及上下游一定范围内，连续性好，为贯穿性结构面。据现场地质调查发现，该结构面已变为破碎，剪切劈理密集发育且泥化，并有被挤出蠕变的明显迹象，还有下降泉水从结构面底流出，初步判定此结构面为滑动带。

1.2　力学参数及计算模型

通过对现场进行地质勘探、对边坡区域岩层进行原位测试，并类比其他相似工程[14]所取参数，各岩层的物理力学参数取值如表1所示。

表1　边坡物理力学参数

本文所采用的计算模型为边坡的实际形态，取坡高为38 m，坡底宽70 m，坡度下缓上陡，坡面形态为工程中开挖的形态，坡面上有3个人工开挖出的马道。上部强风化石英砂砾岩厚度设置为28 m，下部弱风化石英砂砾岩厚度设置为10 m，在边坡内部模拟一层软弱夹层，厚度设置为1.5 m。平面应变计算模式不考虑地震作用影响。

2SLIDE模拟过程及计算结果

利用SLIDE软件对边坡稳定性进行分析,模型体如图1所示。模型体模拟了边坡开挖后的真实形态。采用摩尔库伦模型对边坡进行弹塑性稳定性分析，计算所需的物理参数为各岩层重度、黏聚力和内摩擦角。

图1　边坡简图

2.1　软件计算原理

本文采用毕肖普简化法、简布简化法和一般极限平衡法进行计算，这些方法都是建立在极限平衡理论基础上的条分法，在已知滑动面上对边坡进行力学平衡计算，从而求出边坡稳定安全系数。本文采用的3种方法属于条分技术中的几个方法，计算过程相似，不同之处在于对条间力和条间关系的假设。上述方法都能满足力和力矩平衡、摩尔-库伦破坏准则和应力边界条件，但不能考虑岩土体本身的应力应变关系；因此这些方法求出的只是假定滑动面上的安全系数。图2表示一个典型的滑坡体被离散成的土条和土条上可能的作用力。正应力和剪应力分别作用在土条的底部和土条侧面。

图2　滑坡体被离散成的土条和土条上的作用力

2.2　过程模拟及结果分析

在分析时，需要估计破坏线的位置和形态，在SLIDE软件中，滑动面的形态可以选择，有圆弧滑动面和非圆弧滑动面2种形态。由于边坡破坏形式并未确定，所以这2种滑动形式都有可能出现，需要对2种滑动形式分别进行计算。

2.2.1圆弧滑动面破坏模拟

2.2.1.1模拟过程

选择圆弧滑动形式进行计算，由于地质报告中没有发现明显的圆弧滑动面，在数值模拟时采用自动搜索破坏面的形式计算安全系数。SLIDE软件可以添加搜索窗口，对指定的区域进行集中搜索，所以首先对整个边坡进行分析，然后对软弱夹层附件区域设置集中搜索窗口再次进行安全系数的计算。SLIDE计算时，需要设置滑动面的圆心，圆心的范围可以通过软件中的网格范围进行设置，网格中的每一个点都是可能滑动面的圆心。网格越细，计算量就越大。

2.2.1.2计算结果分析

在计算中发现，网格位置的不同将导致安全系数的变化，而网格位置是人为设置的，需要依赖设计人员的经验，常常误差较大。在该边坡中，本文采用了3个不同位置的网格进行计算，处于位置一的网格靠近坡底，处于位置二的网格靠近边坡中部，处于位置三的网格靠近坡顶。计算模型见图3。

计算得到的边坡安全系数见表2。通过表2可知，对3个不同位置的网格进行计算，安全系数变化较大，说明网格的位置将会影响计算结果。采用3种计算方法得到的安全系数均远远大于1，说明该边坡不会发生圆弧滑动。

图3　不同位置的网格计算模型

网格位置毕肖普简化法简布简化法一般极限平衡法位置一23.06723.31323.058位置二12.08813.09837.499位置三13.70513.57340.228

设置不同位置的集中搜索窗口对边坡进行稳定性计算，集中搜索窗一靠近坡脚，集中搜索窗二靠近边坡中部，集中搜索窗三靠近坡顶。在计算中发现，采用毕肖普法和简布法计算出的安全系数不会发生变化；采用一般极限平衡法计算出的安全系数会发生变化，但是数值的变化很小，说明设置集中搜索窗口与否对结果的影响不大。模型见图4，计算所得安全系数见表3。

图4　不同位置的集中搜索窗计算模型

网格位置毕肖普简化法简布简化法一般极限平衡法集中搜索窗一13.30113.91835.618集中搜索窗二13.30113.91836.292集中搜索窗三13.30113.91836.471

2.2.2非圆弧滑动面破坏模拟

2.2.2.1模拟过程

采用非圆弧滑动形式进行计算时，由于在地质调查报告中提到，边坡中的软弱夹层已变为破碎，剪切劈理密集发育且泥化，并有被挤出蠕变的明显迹象，所以添加一个沿软弱夹层发育的不规则的滑动面。与计算圆弧滑动破坏不同，非圆弧滑动面破坏的计算采用条块计算的方法，不需要找到滑动面圆心，所以不需要设置网格位置和大小，计算结果是唯一的。

2.2.2.2计算结果分析

计算得到的边坡安全系数见表4，模型见图5。通过表4可知，3种计算方法得到的安全系数都小于1，说明边坡是不稳定的，会发生破坏，与地质调查报告的结果是一致的。通过图5可知，边坡最有可能发生破坏的面就在软弱夹层的内部，边坡有可能沿着软弱夹层滑动导致整体失稳，后期必须采取加固措施。

表4　设置不规则滑面边坡安全系数

图5设定不规则滑动面计算模型

3FLAC模拟过程及计算结果

利用FLAC软件对边坡稳定性进行分析，模型体的二维有限差分网格如图6所示。模型体模拟了边坡开挖后的真实形态。采用摩尔库伦模型对边坡进行弹塑性稳定性分析，计算所需的物理参数为各岩层重度、黏聚力、内摩擦角、抗拉强度。在FLAC中岩土体变形参数用的是体积模量和剪切模量，地质报告中给出了变形模量和泊松比，利用公式(1)、(2)可以计算出体积模量和剪切模量，如表5所示。

，　(1)

图6边坡二维有限差分网格图

3.1　软件计算原理

FLAC软件采用强度折减法对边坡的稳定性进行分析，通过直接模仿材料性能找到破坏面和破坏机制。强度折减法的基本原理是在计算边坡稳定性时不断调整材料的强度参数，将c值和tanφ值同时除以一个折减系数k，得到一组新的c′和tanφ′。将新得到的c′和tanφ′作为材料参数进行边坡稳定性计算，直到达到临界状态。此时，得到的折减系数k即为安全系数Fs，其分析过程为：

c=c′/k，

(3)

tanφ′=tanφ′/k。

(4)

3.2　计算结果分析

图7为边坡的剪切应变率分布图，图8为边坡的速度矢量图。计算结果表明，边坡的稳定系数为0.87。从图7可知：当达到边坡失稳临界状态时，在边坡内部沿着软弱夹层出现了一条不规则的滑动带；该区域的岩土体的剪切应变量远大于边坡其他区域，尤其是软弱夹层滑出的位置，剪切应变量是最大的。这表示该区域的岩土体剪切破坏，边坡沿着该条带滑出。从图8可知：以不规则的滑动带为界，边坡靠近开挖面的部分区域的岩土体速度较大，而边坡内部速度接近于零，这与边坡实际失稳的情况一致。

图7　边坡剪切应变率分布图

图8　边坡速度矢量图

4软件计算结果分析与对比

表6示出SLIDE计算的不同滑面形态的安全系数。可知圆弧滑动面的计算结果都远远大于1，说明该边坡不会发生圆弧滑动。非圆弧滑动面的计算结果远远小于圆弧滑动面的计算结果，并且都小于1，说明可能发生滑动，并且滑面形态不规则。因为在非圆弧滑动面的计算条件下，模型中添加了一个沿软弱夹层发育的不规则的滑动面，这个滑动面的抗滑力很小，边坡容易沿着此滑动面发生滑动。

表6　不同滑面形态所得安全系数

表7为SLIDE和FLAC 计算结果的对比表，SLIDE计算结果取各种计算条件下的最小值。通过表7可知，一般极限分析法所得安全系数最大，强度折减法的计算结果最小，这是因为 FLAC软件数值模拟时考虑了材料的变形，得到的安全系数更加保守。

5结论

1)在计算边坡稳定性时，SLIDE软件需要的参数少，只需要岩石重度、岩石的黏聚力和内摩擦角。而FLAC软件需要的参数较多，除了上述的3个参数之外，还需要岩石的抗拉强度、剪切模量和体积模量。

2)在用SLIDE软件进行计算时，预先设置滑动面的状态十分重要。FLAC会通过直接模仿材料性能找到破坏面和破坏机制，不需要设置滑动面的形态，从这一点来说，运用FLAC软件更加方便。

3)在用SLIDE软件进行计算时，需要设置滑动面的圆心位置，位置设置的不同对安全系数的计算有较大的影响，所以相较于FLAC软件，运用SLIDE软件进行计算时主观性较大，依赖于设计人员的经验。

4)运用SLIDE软件进行计算时，可以非常方便地设置搜索范围，在FLAC软件中，这一点很难做到。设置不同位置的集中搜索框对安全系数影响较小。

5)本文采用有限差分FLAC软件和刚体极限平衡法的SLIDE软件，对福建省关公凹水电站的开挖边坡进行稳定性分析。2种计算方法的结果表明：开挖边坡的稳定性系数均小于1，边坡稳定性达不到要求。通过边坡剪切应变率分布图和边坡速度矢量图可以看出边坡将会沿着软弱夹层滑动，后期需要对边坡采取加固措施。

6)对比2种方法的计算结果可以看出，由于FLAC软件数值模拟考虑了材料的变形，其安全系数计算结果要小于SLIDE软件的计算结果。2种方法计算边坡的滑动面类似，而刚体极限平衡法计算的边坡下部滑出点更接近坡脚。

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(编校：叶超)

Application and Comparison of SLIDE and FLAC in Stability Analysis for Slope of a Hydropower Station

LE Huilin1, WEI Jihong1, SHI Wei1, SONG Jinglei2

(1.DepartmentofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098China;

2.GeologicalSurveyofJiangsuProvince,Nanjing210018China)

Abstract:The analysis of slope stability is always a common problem. it is difficult in the engineering construction. Two kinds of software, namedSLIDE and FLAC, are often used to simulate the state of the slope and calculate the slope safety factor. To compare the difference between these two software in the analysis of slope stability, these two software were used to analyze the slope stability of Guangongao hydropower station in Fujian province and solve the safety factor. During the simulations, we found that the SLIDE software requires to set the shape of the sliding surface and the range of center of the sliding surface. Different sliding surface morphology and range of center result in different calculated safety factor, which makes SLIDE greatly influenced by subjectivity and leads to the error increases. We also found that centralized search box has little effect on the calculated safety factor. . Unlike the SLIDE, FLAC considered the stress-strain relationship of rock. The failure surface can be found through the material properities simulation avoid setting failure surface . The sliding surface set with FLAC is more reasonable than that with SLIDE. In addition, the safety factor calculated with strength reduction method is more accurate. The results would give some guidance to the similar engineering and provide assistance for insiders who use these two kinds of software.

Keywords:FLAC; SLIDE; stability analysis; strength reduction method

doi:10.3969/j.issn.1673-159X.2016.01.022

中图分类号：TU471.99

文献标志码：A

文章编号：1673-159X(2016)01-0103-05

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41102162)。

收稿日期：2015-03-11

第一作者：乐慧琳(1992—)，女，博士研究生，主要研究方向为岩土体稳定性。

·建筑与土木工程·