别江波 宋龙龙 李志勇 刘宏

摘 要：通过分析西南某高填方边坡填筑前的原地形和填筑后的设计方案，建立边坡模型，对边坡填筑体模型进行自重条件下的变形及稳定性模拟计算。结果显示：最终的水平位移和沉降量最大部位均位于第一级平台上部，水平位移最大值为1.63 m，沉降量最大值为2.55 m，且现状边坡安全系数为1.29。此外，该高填方边坡特殊的“Y”字形山沟原始地形，对填筑体的水平位移和沉降量有较大的影响。

关键词：高填方边坡;变形;边坡稳定性;数值模拟

中图分类号：V351.1;TU43文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）16-0077-03

Abstract： Based on the analysis of the original topography before and the design scheme after the filling of the high filling slope， the slope model is established， and then the deformation and stability simulation calculation of the slope filling model under the condition of dead weight is carried out. The results show that the maximum horizontal displacement and settlement are located at the upper part of the first stage platform， the maximum horizontal displacement is 1.63 m， the maximum settlement is 2.55 m， and the safety factor of the current slope is 1.29. The special original topography of the "Y" shaped gully has a great influence on the horizontal displacement and settlement of the filling body.

Keywords： high fill slope;deformation;stability of slope;numerical simulation

某高填方邊坡位于我国西南地区，具有填方量大和填筑高度高的特点。它的变形往往与地基土及填料土的工程特性、地下水、降雨以及原地形地貌等有密切关系，一直以来都是较为复杂的工程问题。目前，针对高填方边坡变形研究的方法主要有原位变形监测、物理模拟以及数值计算等[1]。本文采用的数值计算是直接反映高填方边坡实时变形特征和边坡稳定性的方法，可以通过计算结果更直观地了解该高填方边坡的变形特点。

1 数值模拟

1.1 高填方边坡变形数值模拟

本文运用有限差分数值模拟计算软件建立模型，计算边坡沉降位移、水平位移以及稳定性安全系数，分析该边坡的变形特点和稳定性。

1.2 数值计算基本原理

欧拉法和拉格朗日法是流体力学中研究流体质点运动的两种方法。其中，欧拉法是一种定点观察法，拉格朗日法是一种随机观察法，本文采取的是拉格朗日法。拉格朗日法研究的是每个流体质点随时间变化的状态。当将该方法运用到固体力学时，是将研究的区域划分成网格，将节点当作流体质点，按模拟计算时步，用拉格朗日法来研究网格节点的运动[2-3]。

数值模拟是基于显式差分法来求解运动方程和动力方程。将计算区域分成若干单元网格，再将每个单元自动剖分为两组重叠的常应变单元，各单元之间由节点联结。节点受荷载作用后，其运动方程可以写成时间步长为[Δt]的有限差分形式。在某一微小的时段内，作用于该节点的荷载只对周围若干节点有影响。根据单元节点的速度变化和时段[Δt]，可求出单元之间的相对位移，进而求出单元应变，最后利用单元材料的本构关系即可求出单元应力。随着时段的增长，这一过程将扩展到整个计算区域，在此基础上求出单元之间的失衡力（不平衡力），将失衡力重新作用到节点上，再进行下一步的迭代过程，直到失衡力足够小或节点位移趋于平衡为止。模拟求解过程如图1所示。

2 模型的建立和参数

填筑前，该边坡原地形为“Y”字形山沟，如图2所示。第一级平台上部“Y”字形左侧山沟底高差最大约80 m，填筑厚度为25～83 m;右侧山沟底高差约30 m，填筑厚度为40～70 m。两条山沟在第一级和第二级台阶区域汇合。原地基主要为粉土、黏土、碎石土以及强风化的碳质泥岩、粉砂岩和灰岩[4-5]。经强夯、碾压填筑后，模型土面区填筑总高为156 m，道槽及影响区填筑总高度为76 m。填料主要由不同风化程度的碳质泥岩、石英砂岩以及碎石土等组成。同一填筑高度设计坡率相同，模拟计算为填筑结束后所建立的模型，共生成17 452个有限元区域和10 400节点，如图3所示。模型中各模块所代表岩土层名称和参数如表1所示。

3 模拟结果及分析

3.1 边坡变形

对该高填方边坡填筑结束后，在自重作用下，对模型进行25 409步的计算，得到如图4所示的最终水平方向位移等值线图和如图5所示的最终沉降量等值线图。

3.1.1 模拟结果。第一级平台上部区域水平位移为0.20～1.63 m，受原地形及填筑厚度的影响，该区域水平位移由两侧向中间逐渐增大，中间区域填筑体水平位移为0.20～1.40 m，向下靠近第一级平台区域水平位移为1.20～1.63 m。第一级平台上部区域沉降量为0.50～2.55 m，其中第一级平台上部左侧填筑体的沉降量为0.50～2.55 m，第一级平台上部右侧填筑体的沉降量为0.50～2.50 m。第一级平台与第二级平台间区域的水平位移为0.20～0.80 m，沉降量为0.50～1.50 m。第二级平台下部水平位移为0.20～0.60 m，沉降量为0.50～1.00 m。

3.1.2 结果分析。①最终水平位移和沉降量最大部位均位于高填方边坡第一级平台上部，且受原地基“Y”字形山沟地形的影响，左右两侧山沟填筑体的水平位移和沉降量存在一定的差异，沉降作用对该高填方边坡填筑体影响更大。②填筑体最大水平位移位于“Y”字形两山沟交汇处，而沉降量最大部位位于左侧山沟，表明原地形对填筑体水平位移影响较大。③位移集中部位主要位于左侧山沟和两沟交汇处，沉降集中部位则位于两山沟处，可见原地形对水平位移影响明显，而填筑厚度对沉降影响明显。④受原地形起伏和填筑厚度自上而下减小的影响，最终水平位移和沉降量呈减小趋势。

3.2 稳定性计算及分析

采用关联流动法计算边坡稳定性，剪切应变主要分布于坡顶第一级平台上部。边坡稳定性和位移矢量的模拟结果如图6所示，边坡位移矢量的俯视结果如图7所示。由于左侧山沟原地形沟底坡率较大，对该高填方边坡填筑体影响大，导致该区域剪应变区域集中。右侧山沟处填筑体虽填筑厚度较大，但沟底坡率较小，故无剪应变集中的现象。通过计算求解可知，该高填方边坡安全系数为1.29，现处于基本稳定的状态[6-9]。

4 结论

通过数值模拟的方法研究西南某高填方边坡的变形及稳定性，得出如下结论。

①该高填方边坡特殊的“Y”字形山沟地形是导致两山沟相汇处水平位移大的主要原因。

②最终水平位移和沉降量受下部原地形起伏及填筑厚度的影响，随着原地形及填筑厚度的减小呈减小趋势。

③原地形的起伏更多的是影响填筑体的最终水平位移，填筑厚度则更多影响最终沉降量。

④该高填方边坡填筑体下部原地形起伏程度是导致剪应力集中的主要原因。

参考文獻：

[1]刘宏.四川九寨黄龙机场高填方地基变形与稳定性系统研究[J].地球与环境，2005（增刊1）：133-135.

[2]潘别桐，黄润秋.工程地质数值法[M].北京：地质出版社，1994：24-28.

[3]张汝良.有限元法在边坡工程中的应用[J].西部探矿工程，2008（11）：33-35.

[4]满立，刘子昂，别江波.西南某机场高填方地基变形与稳定性数值模拟[J].路基工程，2015（1）：181-183.

[5]刘波，韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京：人民交通出版社，2005：33-35.

[6]王肇慧，肖盛燮，刘文方.边坡稳定性计算方法的对比分析[J].重庆交通学院学报，2005（6）：99-103.

[7]时卫民，郑颖人，唐伯明.滑坡稳定性评价方法的探讨[J].岩土力学，2003（4）：545-548.

[8]林峰，黄润秋.边坡稳定性极限平衡条分法的探讨[J].地质灾害与环境保护，1997（4）：9-13.

[9]胡宣，刘宏，毛吉成，等.基于Geo-Studio的高边坡稳定性分析[J].路基工程，2020（2）：35-38.