花岗岩残积土边坡初始水力场设置方法探讨

张乾坤

（1.泽州县水务局,山西 泽州 048000；2.泽州县水利发展中心水保股,山西 泽州048000）

1 引言

花岗岩体是地球上出露最多的一种岩浆岩体,在我国,花岗岩占据了9%的表生陆地[1],且形成了众多花岗岩地貌,包括峰林、陡崖、陡坡、丘陵等,在东南沿海地区（广东、福建、台湾）,广泛发育花岗岩地貌[2],尤以丘陵地貌最为突出多见,大量的花岗岩丘陵区为这一地区的边坡工程兴建带来了诸多问题,由于这一地区海拔较低,离海较近,边坡很易受海平面引起的陆下水位波动影响。很多学者采用FLAC3D软件对土质或软岩边坡的稳定问题进行了研究。张岩岩[3]采用FLAC软件对径流和渗流共同作用下的土质边坡滑坡形成过程进行了研究。安然等[4-5]对炎热而又多雨气候条件下的花岗岩残积土的强度衰减特性进行了研究,将其弱化衰减与花岗岩残积土颗粒的微观变化联系起来考虑。杨涛等[6-7]采用FLAC3D软件对贵州一个高填方土质边坡的稳定性进行了研究,确定了安全系数较低区域的分布情况。马小斐等[8-9]基于FLAC3D的计算结果对深基坑边坡支护方案的可靠性进行了分析评价,得出其支护方案中支护构件受力合理,支护方案稳妥可行的结论。张灿灿[10]基于野外调研和室内试验结果,采用FLAC3D有限差分软件结合相应的极限平衡分析理论,对徐州沙虎山滑坡进行了降雨条件下的稳定性分析计算,得出了滑坡发生的可能降雨阈值,为该处滑坡灾害的发生提供了参考预警雨强,并提出了建议性的滑坡治理方法。陈观明[11]对一顺层路堑岩质边坡进行了模拟计算,分析了边坡位移、应力和剪切应力集中区域的情况,得出的结果和理论计算解相吻合。

基于Rhino软件平台构建了三维花岗岩残积土边坡模型,采用FLAC3D软件进行边坡的稳定分析,在进行稳定性分析计算之前,首先需要构建初始水力场,本文介绍了两种建立初始水力场的方法,在水位面高程出现变化时,分别采用两种方法进行构建,比较了两种方法的构建结果,分析了这两种方法各自的优点,涉及地下流体初始流体力场建立时,可选择参照执行。

2 FLAC3D初始流体力场的生成

有地下流体（天然气、石油、水）的条件下,FLAC3D共为使用者提供两种构建初始流体力场的方法,且这两种方法均可以在不设置model configure fluid的条件下建立初始流体力场,这两种方法是：（1）根据流体密度,按照重力场计算流体压力梯度和高程上某一点的流体压力,采用“initialize porepressure”命令对流体压力场赋值；（2）用“fluid table”命令设置流体表面高程,同时用fluid-density命令设置流体密度对初始流体力场进行构建。

3 模型构建

万里水库位于山西省泽州县下村镇万里村西北的长河支流上,属于黄河流域,坝址以上控制流域面积7.23km2,大坝为均质土坝,最大坝高15.2 m,总库容51万m3,是一座以防洪、灌溉为主的小（2）型水库。库岸边坡为花岗岩残积土边坡类型。

构建如图1 所示的花岗岩残积土边坡模型,20 m坡长,角度为40°,各设置5 m宽的坡顶和坡底,坡体前部整体高8 m,坡体后部整体高20.7 m,坡体底边水平长度为25.4 m,坡体向内延伸6 m,消除模型边界效应,整体为花岗岩残积土边坡模型,材料主要本构模型参数为：体积模量3×107Pa,剪切模量1×107Pa,泊松比0.5,内摩擦角20°,黏聚力1×104Pa,抗拉强度设置成默认值0。固定LEFT、RIGHT两侧和FRONT、BACK后两面网格节点的X及Y方向的速度,底面（Z坐标为0处）网格点XY三个方向的速度固定为0,流体面高程设置成5 m（图1中（a）图）和8 m（图1中（b）图）,以计算模拟求证两种初始流体场建立方法对不同高程的流体面是否都适用。

4 计算结果

本节主要给出不同高程流体面情况下的初始流体力场生成结果,通过对比两种生成初始流体力场方法建立的高程变化流体面的初始流体力场的真实性和结果的呈现效果,总结两种生成初始流体力场方法的优点。

（1）流体面高程8 m

用“fluid table”命令设置流体表面高程,同时用fluiddensity命令设置流体密度后,生成的初始流体力场如图2（a）所示,由图可知,该方法生成了正确的初始流体力场,且该方法能够呈现出流体面,视觉直观。经过计算,得出流体力场梯度和某一坐标Z处的压力大小后,采用“initialize porepressure”命令对流体压力场直接设定,得到的初始流体力场如图2（b）所示,由图2（b）可知,该方法生成的初始流体力场与前一种方法生成的初始流体力场相同,且正确,但是该方法不能够呈现出流体表面,视觉上不直观。由上述分析可知,流体面高程为8m时,两种方法都能够生成正确的初始流体力场,相较于“initialize porepressure”命令,“fluid table”命令结合fluid-density命令的方式生成的初始流体力场在视觉效果呈现上更为直观易懂,且不需要先行计算流体力场的分布梯度和某一坐标Z处压力大小,但是,由于采用双命令结合的方式,缺一不可,在使用不熟练时,极易忽略某一命令,而造成计算出错停止进行或不能生成正确的初始流体力场,且使用者不加以检查时,并不知道自己已经建立了错误的流体力场,影响后续计算。

图2 流体面高程8 m时初始流体力场云图

（2）流体面高程5 m

用“fluid table”命令设置流体表面高程,同时用fluiddensity命令设置流体密度后,生成的初始流体力场如图3（a）所示,由图3（a）可知,该方法生成了正确的初始流体力场,且该方法能够呈现出流体面,视觉直观。经过计算,得出流体力场梯度和某一坐标Z处的压力大小后,采用“initialize porepressure”命令对流体压力场直接设定,得到的初始流体力场如图3（b）所示,由图3（b）可知,该方法生成的初始流体力场与前一种方法生成的初始流体力场相同,且正确,但是该方法不能够呈现出流体表面,视觉上不直观。由上述分析可知,流体面高程为5 m时,两种方法也同样都生成了正确的初始流体力场,两种方法的优缺点,前已述及,在此不再赘述。

图3 流体面高程5 m时初始流体力场云图

5 结论

通过以上对不同高程流体面,初始流体力场建立过程和结果的分析,本文主要获得以下结论：

（1）“initialize porepressure”命令及“fluid table”命令结合fluid-density命令的方式都可以用来生成正确的初始流体力场。

（2）“fluid table”命令结合fluid-density命令生成初始流体力场的方式在视觉效果呈现上更为直观易懂,且不需要先行计算流体力场的分布梯度和某一坐标Z处压力大小。

（3）“initialize porepressure”命令生成初始流体力场的方式不易出错,且视觉呈现上不存在流体面,对于后续计算中流体面在不断变化的情况,较为适宜。

（4）建议学者采用“initialize porepressure”命令生成初始流体力场,出错概率小,且先行计算流体力场的整体分布,计算结果既可以用来对命令进行设置,又可以加深对FLAC3D软件流固耦合原理的理解。