考虑水位面时土质边坡初始应力场生成方法研究

2022-04-12陈志远

黑龙江水利科技 2022年3期

陈志远

(山东省临沂市罗庄区水务局，山东临沂 276017)

0 引言

无论在陆地还是海洋，涉及到土地资源利用和开发时，普遍会遇到边坡工程稳定性问题，在陆地上，边坡下方都有一定的地下水位面，水位面的波动会对边坡稳定性产生一定影响，而处于海洋周围的边坡，尤其是土质边坡，经常由于海浪波动，发生崩塌破坏，影响海底环境。学者们在应用数值分析软件进行边坡稳定性模拟时，普遍会遇到有地下水存在时，初始平衡状态的计算问题。FLAC3D软件在流固耦合问题处理上的优势，得到学者们的认可和青睐。刘怀忠等基于FISH编程开发了一种在地震作用下边坡破坏面的搜索方法，并在实际工程中得到了应用，结果证明了其开发的搜索法的正确性。潘网生等采用FLAC3D软件对煤层开挖影响上方边坡稳定性的问题进行了研究，对一个真实案例的滑坡进行了机理分析和讨论，并预测了未来可能法生的滑坡灾害。秦健春等研究了季节性冻土对边坡稳定性的影响，主要用到了FLAC3D软件。蓝航等基于FLAC3D软件对矿山开采造成的岩体垮塌进行了研究。韩万东等对露天条件下的矿山边坡的稳定性进行了数值模拟研究，主要采用Spence和Bishop两种方法结合FLAC3D进行。Hsieh等对一个工程边坡进行了分析研究，得出其稳定性特征，并提出了相应的支护措施[1-3]。

文章在基于对FLAC3D流固耦合原理的一定认识基础之上，主要针对两种不同水位面高程情况边坡的初始平衡状态下的反应力场的生成方法进行了研究，研究结论对采用FLAC3D软件进行渗流相关的包括流场的计算提供了一定指导和帮助。

1 FLAC3D初始水压场设置简介

有地下水的条件下，在FLAC3D的计算准备阶段，用户需要完成两件事情：(1)生成正确的水压场；(2)计算至初始力学平衡状态，获得在有水压条件下的初始平衡应力场。为此，用户需要采用两种构建初始水压场的其中一种方法建立初始的水压场，这两种方法主要是采用‘zone gridpoint initialize porepressure’命令对水压场直接初始化，第二种方法是采用 ‘zone water plane origin’命令指定水位面位置结合‘zone water density’命令指定水的密度一起对初始的水压场进行构建，第二种方法种的两个命令缺一不可。在完成了对初始水压场的构建工作后，需要对水下土体材料赋予一个密度值，水上土体材料赋予另外一个密度值，采用一定的平衡标准对模型求解至平衡态，从而获得初始应力平衡场，这一步是纯力学计算，但是在这一步计算中，软件却能够考虑到初始水压场对平衡计算的影响，这正式FLAC3D软件在处理流固耦合问题上的强大之处。

2 模型构建

如图1所示的所构建的边坡模型，坡面长20m，坡脚40°，坡顶和坡底各5m宽度，坡体前端高8m，坡体后端高20.7m，坡体底边长25.4m，坡体向里延伸6m，以避免边界效应可能带来的影响，模型整体为土质边坡，采用摩尔库伦弹塑性本构模型模拟土体的性质，土体各项参数均采用真实的材料弹塑性参数，固定左右两侧和前后两端的XY方向的位移，地面固定XY三个方向的位移，水位面主要设置成20.7m和8m高，以模拟现实边坡的两种情况：一种完全位于水下，一种一部分位于水下，另一部分位于水上。

图1 构建的边坡模型

3 计算结果

以下主要分析在边坡模型全部位于水下和部分位于水下情况下，边坡模型初始平衡应力场的生成方法，并指出两种情况下，采用同一种生成方法时，应注意的细节问题。

1)边坡模型全部位于水下

当边坡模型全部位于水位面以下时，也即将水位面高程设置为20.7，与边坡后端同高时，将边坡土体材料的密度设置成其饱和密度，并赋予土体其他相关弹塑性材料属性，施加边界约束，采用zone water plane origin命令结合zone water density命令设置初始水力场，随后采用一定的收敛准则进行计算，最终计算结果如图2所示。当边坡全部位于水下时，采用力学计算求解初始平衡应力场，此时获得XX、YY方向初始平衡后的应力场如图2中(a)、(b)所示，这与理论计算结果基本吻合，模拟结果正确，获得ZZ方向以及三个方向(XX、YY、ZZ)初始应力求和后的初始平衡后的应力场如图2中(c)、(d)所示，这与理论计算结果基本吻合，模拟结果正确，在此过程中，需要将边坡位于水下部分的材料密度设置成其相应的饱和密度。结果表明，在边坡模型全部位于水下情况下，采用zone water plane origin命令结合zone water density命令设置初始水力场，再通过弹塑性力学计算求解可以获得正确的初始平衡力场。

(a)XX方向应力 (b)YY方向应力

2)对初始应力进行适当赋值

当边坡模型部分位于水位面以下时，部分位于水位面以上时，也即将水位面高程设置为8m，与边坡坡底同高时，将Z坐标≤8m的边坡土体材料的密度设置成其饱和密度，而Z坐标>8m的边坡土体材料的密度设置成其天然密度，并赋予土体其他相关弹塑性材料属性，施加边界约束，采用zone water plane origin命令结合zone water density命令设置初始水力场，随后采用一定的收敛准则进行计算，最终计算结果如图3所示。当边坡只有部分位于水下时，采用力学计算求解初始平衡应力场，此时获得XX、YY方向初始平衡后的应力场如图3中(a)、(b)所示，这与理论计算结果基本吻合，模拟结果正确，获得ZZ方向以及三个主方向(XX、YY、ZZ)初始应力求和后的初始平衡应力场如图3中(c)、(d)所示，模拟结果同样正确，在此过程中，需要将边坡位于水下部分的材料密度设置成其相应的饱和密度，而位于水上部分的材料密度设置成天然密度。结果表明，边坡模型部分位于水位面以下情况下，采用zone water plane origin命令结合zone water density命令设置初始水力场，再通过弹塑性力学计算求解可以获得正确的初始平衡力场。