FLAC3D在库岸斜坡稳定性分析中的应用

通过对快速拉格朗日法的基本原理和 ＦＬＡＣ３Ｄ程序的基本特点及应用范围的介绍，并辅 以算例，说明其在岩土工程中广泛的应用价值．其 数据准备简单、易行，操作方便，强大的计算功能 大大节约了时间和人力，且不仅仅限于岩质边坡， 还可应用于其他土工结构的稳定性分析［５］． ＦＬＡＣ３Ｄ程序的进一步普及与应用对工程技术人 员具有重大现实意义．
摘要：水库库岸滑坡是水利水电工程中常出现的重大工程地质问题之一，库岸滑坡集普遍性、危害性和特殊
性于一体，深入研究其诱发机理及变形破坏特征，对评价滑坡的稳定性以及制定经济有效处理措施具有重大
意义．本文针对库岸边坡在库水位陡降时易发生失稳破坏的特点，分析了库水诱发滑坡的破坏机制，并运用数
值模拟方法对某库岸边坡工程进行分析，验证了所得结论：边坡岩土体因饱水软化作用，其滑动面的力学参数
４结语
由于水的润滑作用，土颗粒间的摩阻系数及 胶结能力降低，使边坡潜在滑动面抗剪参数降低， 进而降低了坡体的抗滑力．当水库运行时，库水位 的反复升降使坡体内出现循环的渗流作用，地下 水渗流对坡体产生溶滤作用，使潜在滑动面的抗 剪强度降低．库水对边坡岩土体产生浮托力．而浮 托力对边坡稳定性的影响是两方面的，在进行工 程治理设计时，应根据具体的工程地质条件和岩 土体的力学参数进行综合评判．对库岸边坡，应重 点分析库水位陡变后边坡的稳定性，采取积极有 效的措施，如防冲刷、反滤及疏导等，尽可能降低 地下水对边坡稳定性带来的消极影响ｎ］．
第２期
熊征，等：ＦＬＡＣ３０在库岸斜坡稳定性分析中的应用
至４９０ ｍ水位后应力分布规律基本不变．
图２最大主应力等值线 Ｆｉｇ．２ Ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｔｏｕｒ ｂ．斜坡变形破坏特征．从Ｘ方向位移等值线 图（图３、４）可以看出，天然状态下，斜坡变形以水 平向为主，但量值较小，仅为３．３ ｃｍ，主要分布在 滑坡后缘陡缓交接部位，坡体内局部出现反向运 动，表明滑体在运动过程中发生旋转．而蓄水后，
ＦＬＡＣ３ Ｄ（Ｖ２．Ｏ）． ＦＬＡＣ３Ｄ采用三维显式有限差分法的数值分
析方法，它可以模拟岩土或其他材料的三维力学 行为．该方法将计算区域划分为若干单元，每个单 元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性 本构关系，如果单元应力使得材料屈服或产生塑 性流动，则单元网格可以随着材料的变形而变形， 这就是所谓的拉格朗日算法，这种算法非常适合 于模拟大变形问题．
３工程实例分析
３．１工程条件 工程区位于某山区库岸，两岸陡峻，有基岩裸
露．根据工程实际，在计算过程中主要考虑滑体自 重、降雨、水库蓄水以及库水变动等因素．根据地 质调查，现场钻探坑探、物探、原位测试及室内岩 土实验成果，坡体钻探范围内的第四系覆盖层为 阶地卵石、砂壤土、残积土，其下为基岩，下覆岩体 上部节万理方裂数隙据比较发育，下部岩体相对完整，但岩
参考文献：
［１］ 高小育，廖红建，丁春华．渗流对土质边坡稳定性的
影响［Ｊ］．岩土力学，２００４，２５（１）：６９—７２．
［２］陈祖煜．土质边坡稳定性分析一——原理、方法、程序
［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００３．
［３］梁海波，张明，李仲奎，等．快速拉格朗日差分法及
其应用ＥＪ］．红水河，１９９７，１６（２）：２１—２４．
［４］
Ｃｈｉｎｇ Ｒ ＫＨ，Ｆｒｅｄｌｕｎｇ Ｄ Ｇ．Ｓｏｍｅ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ
ｓｌｉｃｅｓ［Ｊ］．Ｃａｎａｄｉａｎ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ，１９８３，２０
（４）：６６１—６７２．
ｂ．浮托力．浸没于库水中的岩土体受到水的 浮托作用，浮托力的大小等于水下计算岩土体的 体积和水重度的乘积：ｙｗ‰．由于浮托力减小了 滑体的有效重量，浮托力对边坡稳定性有两方面 的影响：一方面，它降低了滑面的阻滑力，给边坡 的稳定性带来了不利影响；另一方面，滑体重量的 减小，使其下滑力减小，有助于边坡的稳定，因而， 不能简单的评价浮托力对边坡稳定性的利弊，而 应根据具体的工程地质条件和岩土体的力学参数 进行综合评判．
体下部的侵入体力学性质较差．滑面大部分位于 基岩与覆盖层之间，滑带土主要为粉质粘土夹碎 石．根据所提供的土工实验成果及岩土试验结果， 经综合分析，确定蓄水前边坡岩土体的力学参数 如表１所示．
表１ ＦＬＡＣ３０计算所用岩体物理力学参数 Ｔａｂｌｅ １ Ｍｅｃｈａｎｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｆｏｒ ＦＬＡＣ３０
第２９卷
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ＸＩＯＮＧ Ｚｈｅｎ９１，ＬＩ Ｘｉａｎ—ｆｕｌ，ＹＡＮＧ Ｌｉ—ｗｅｉ２ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４ Ｃｈｉｎａ；
～☆～ ２·Ｇｕａｎｇｘｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ ＩｎｄｕｓｔｒＹ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｎｉｎｇ ５３００２３ Ｃｈｉｎａ）
库岸滑坡的原因是多方面的，首先是库岸自 身的岩土性质及地质构造条件，这是库岸失稳的 内在因素．外力作用是影响库岸稳定性的外在因 素，其中地下水是库岸发生滑坡的主要诱发因素． 水库库岸滑坡除具有一般山地滑坡的基本特征 外，其特殊性在于水库蓄水使滑坡所赋存的地质 环境发生变化．自然边坡经过长期的地质作用，在 自然营力的作用下，绝大多数已经趋于稳定，但在 水库蓄水运行后，由于水文地质条件发生了很大 的改变，其岩土物理性质出现恶化，使原处于极限 平衡状态或接近极限平衡状态的库岸边坡往往发 生失稳破坏．水位上升时，边坡浸水部分的土体由 于浸泡作用导致抗剪强度下降，从而可能诱发边 坡失稳；水位下降时，一方面坡底的浮托力减小，
第２９卷第２期 ２００７年０３月
武汉工程大学学报 Ｊ． Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔ．Ｔｅｃｈ．
Ｖ０１．２９ Ｎｏ．２ Ｍａｒ． ２００７
文章编号：１００４—４７３６（２００７）０３—００２７—０４
ＦＬＡＣ３Ｄ在库岸斜坡稳定性分析中的应用
熊 征１，李先福１，杨利伟２
（１．武汉工程大学环境与城市建设学院，湖北武汉４３００７４； ２．广西电力工业勘察设计研究院，广西南宁５３００２３）
图１计算模型 Ｆｉｇ．１ Ｇｒｉｄ ｍｏｄｅｌ 经分析知在水库蓄水后，边坡潜在滑动面抗
剪参数降低，通过反演分析计算成果及类比其它 工程经验，滑面抗剪强度取值为：Ｃａ一２０ ｋＰａ，
绚一２８。；Ｃ８—１５ ｋＰａ，佩一２５。． ３．２计算结果
Ｉｔｌ．斜坡应力场特征．研究区为一斜坡地形，自 重应力在斜坡应力场演化过程中起主导作用．斜 坡应力受坡形影响发生明显分异（见图２），即在 坡面附近主应力迹线发生明显偏转，最大主应力 平行于坡面，最小主应力显著降低，斜坡后缘，最 大为９．６ ｋＰａ．斜坡后缘陡缓交接部位出现应力集 中，最大主应力为７．０ ＭＰａ，蓄水后应力集中程度 增大．随着深度的增加，坡形对应力场的影响减 小，而表现出自重应力场的特征．研究表明，蓄水
斜坡水平位移急剧增大，最大值达到１８ ｃｍ，增大 近５倍，最大位移分布区出现在滑坡前缘，表明该 滑坡在天然状态下后缘为稳定性较差的部位，但 蓄 水后失稳部位由滑坡后缘向前缘转移．
图３天然状态下剖面Ｘ方向位移等值线 Ｆｉｇ．３ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｌｉｎｅ ｏｆ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ Ｘ
边坡的稳定性主要受岩体中结构面、夹层中 填充物的物理力学参数控制，而ＦＬＡＣ３Ｄ可模拟复 杂的岩土工程或力学问题，用户可根据实际情况 采用某一种模型，也可在计算范围内定义若干子 区域，不同材料赋予不同参数值，而且可以用滑 动面来模拟断层和节理以在模型中加入节理、软 弱结构面等地质构造，以模拟复杂的地质条件口］．
［５］黄润秋，许强．显式拉格朗ｌｅｔ差分分析在岩石边坡
Байду номын сангаас
工程中的应用［Ｊ］．岩石力学与工程学报，１９９５，１４
（４）：３４６—３５４．
—兰Ｌ一．
武汉工程大学学报
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Ａｎａｌ ｙｓｉｓ ｏｆ ｓｌ ｏｐｅ ｓｔａｂｉｌ ｉｔｙ ａｔ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｂａｎｋ ｗｉｔｈ ＦＬＡＣ３Ｄ
图４蓄水后剖面ｘ方向位移等值线 Ｆｉｇ．４ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｌｉｎｅ ｏｆ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ Ｘ
ａｆｔｅｒ ｗａｔｅｒ ｓｔｏｒｉｎｇ
万方数据
通过上述分析可知：自重应力在斜坡应力场 演化过程中起主导作用，斜坡应力受坡形影响发 生明显分异，即在坡面附近主应力迹线发生明显 偏转，最大主应力平行于坡面，斜坡后缘较陡部位 出现拉应力，蓄水后，斜坡应力量值略有变化，但 总体分布规律基本不变；斜坡变形以水平向为主， 蓄水后对斜坡稳定性的影响明显，造成位移值急 剧增大，失稳部位转移至滑坡前沿，由此可见，水 库蓄水对该剖面稳定性的影响很大．
２ ＦＬＡＣ３Ｄ的计算理论及特点
斜坡稳定性计算的常用方法包括二维和三维 极限平衡方法与有限元、离散元、ＦＬＡＣ等数值方 法．其中有限元分析边坡稳定性的方法应用广泛， 它解决了极限平衡分析法不能分析边坡应力和应 变的问题．
连续介质快速拉格朗日差分法（Ｆａｓｔ Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｎｔｉｎｕａ，简写ＦＬＡＣ）足 一种在岩土工程中广泛使用的新型数值分析方 法．美国Ｉｔａｓｃａｓ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ．Ｉｎｃ．将此方法 应用于岩土体的工程力学计算中，于１９８６年开发 出应用软件，更是从二维平面分析拓展到三维空 间分析，成为处理功能强大的新一代软件——
ｃ．渗透力．除了因陡降部分岩土体由于浮托
收稿日期；２００６一０８—３０
万作方者简 数介据：熊征（１９８２一），女，湖北宜昌人，硕士研究生．研究方向：地质灾害和边坡稳定．