某水庫開挖邊坡穩(wěn)定性FLAC3D數(shù)值分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u17307某水庫開挖邊坡穩(wěn)定性FLAC3D數(shù)值分析案例 122441.1開挖支護(hù)過程 12351.2錨索力學(xué)參數(shù) 240971.3僅開挖工況下計算結(jié)果分析 3206791.3.1應(yīng)力分析 416151.3.2變形分析 17308131.3.3安全系數(shù) 25152821.3.4塑性區(qū)與剪應(yīng)變 26289021.4邊坡逐級開挖支護(hù)工況下計算結(jié)果分析 28124501.4.1應(yīng)力分析 30318911.4.2變形分析 35152941.4.3安全系數(shù) 3920401.4.4塑性區(qū)與剪應(yīng)變 401.1開挖支護(hù)過程按照施工實際進(jìn)度對邊坡進(jìn)行開挖作業(yè)，可通過將模型重新設(shè)置為空（null）模型來實現(xiàn)。由于開挖對象是巖質(zhì)高邊坡，根據(jù)規(guī)范《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》（SL386-2007）必須對開挖邊坡進(jìn)行支護(hù)，馱英水庫溢洪道邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固，開挖以及支護(hù)加固過程如下表所示。表5-1剖面Ⅰ開挖支護(hù)過程施工順序坡段編號及高程施工方案第一步坡段1：250.5-262.7m開挖坡段1第二步坡段2：231.5-250.5m開挖坡段2第三步坡段3：220.5-231.5m開挖坡段3，支護(hù)坡段2第四步坡段4：201.5-220.5m開挖坡段4，支護(hù)坡段3第五步坡段5：203.3-201.5m開挖坡段5第六步坡段6：199.8-203.3m開挖坡段6第七步坡段7：192.0-199.8m開挖坡段7表5-2剖面Ⅱ開挖支護(hù)過程施工順序坡段編號及高程施工方案第一步坡段1：201.5-218.8m開挖坡段1，支護(hù)坡段以上部分第二步坡段2：197.5-201.5m開挖坡段2，支護(hù)坡段1第三步坡段3：190.7-197.5m開挖坡段3，支護(hù)坡段2第四步坡段4：181.5-190.7m開挖坡段4，支護(hù)坡段3表5-3剖面Ⅲ開挖支護(hù)過程施工順序坡段編號及高程施工方案第一步坡段1：250.5-260.0m開挖坡段1第二步坡段2：231.5-250.5m開挖坡段2，支護(hù)坡段1第三步坡段3：220.5-231.5m開挖坡段3，支護(hù)坡段2第四步坡段4：210.2-220.5m開挖坡段4，支護(hù)坡段3第五步坡段5：203.4-210.2m開挖坡段5第六步坡段6：191.5-203.4m開挖坡段61.2錨索力學(xué)參數(shù)開挖時應(yīng)及時對上一級邊坡進(jìn)行支護(hù)錨固，各個剖面及各級邊坡的錨索力學(xué)參數(shù)設(shè)置及布置情況如下列各表所示：表5-4剖面Ⅰ錨索力學(xué)參數(shù)及布置高程（m）間距（m）預(yù)應(yīng)力（KN）自由段長度（m）總長度（m）246.541.52428242.551.52226238.541.52428231.541.52226227.541.51822223.541.51418217.541.52226214.541.52428211.541.52428208.541.52226表5-5剖面Ⅱ錨索力學(xué)參數(shù)及布置高程（m）間距（m）預(yù)應(yīng)力（KN）自由段長度（m）總長度（m）240.551.52428231.551.51822230.551.51418221.551.52428217.541.51014211.551.52432213.541.51418211.551.52230209.551.51418203.951.52428202.351.52230200.751.51822199.151.51220表5-6剖面Ⅲ錨索力學(xué)參數(shù)及布置高程（m）間距（m）預(yù)應(yīng)力（KN）自由段長度（m）總長度（m）14741.52428143.551.52226139.541.51620131.551.51822127.541.51418123.551.52226表5-7錨索力學(xué)參數(shù)彈性模量（MPa）抗拉強(qiáng)度（KN）橫截面積(M2)單位長度水泥漿凝結(jié)力(KN)單位長度水泥漿剛度(MPa)端頭1951860.015386100020000自由段1951860.0153860.0000010.000001錨固段1951860.0153860.527201.3僅開挖工況下計算結(jié)果分析通過FLAC3D計算出每一階段開挖后邊坡的最大主應(yīng)力，最小主應(yīng)力，X方向位移，Z方向位移，總位移，塑性區(qū)，最大剪應(yīng)變和安全系數(shù)，對每一階段的施工進(jìn)行安全監(jiān)測，找出潛在的危險，為支護(hù)加固提供數(shù)據(jù)支撐，確保施工安全正常進(jìn)行。1.3.1應(yīng)力分析下列各圖中應(yīng)力單位為MPa，在FLAC3D中定義拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，僅考慮自重應(yīng)力作為初始應(yīng)力場。（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖5-1剖面Ⅰ開挖第一階段應(yīng)力（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖5-2剖面Ⅰ開挖第二階段應(yīng)力（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖5-3剖面Ⅰ開挖第三階段應(yīng)力（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖5-4剖面Ⅰ開挖第四階段應(yīng)力（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖5-5剖面Ⅰ開挖第五階段應(yīng)力最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖5-6剖面Ⅰ開挖第六階段應(yīng)力（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖5-7剖面Ⅰ開挖第七階段應(yīng)力表5-8剖面Ⅰ各開挖階段最大最小主應(yīng)力施工順序最大主應(yīng)力(MPa)最小主應(yīng)力(MPa)拉應(yīng)力壓應(yīng)力拉應(yīng)力壓應(yīng)力10.06621.94820.00084.682220.06611.94420.00444.675230.06621.93960.00334.668740.11051.93660.00444.665650.10521.93640.00434.665760.10631.93570.00384.665370.11071.93390.00434.6640從表5-8中可以看出，剖面Ⅰ最大主應(yīng)力的壓應(yīng)力逐漸減小，但是變化不大，主要分布再模型底部，最小主應(yīng)力的壓應(yīng)力變化趨勢相同。最大主應(yīng)力的拉應(yīng)力的最大值為0.1107MPa，出現(xiàn)在開挖完成之后的邊坡頂部，且在之前的開挖臺階上也有零星分布，注意進(jìn)行支護(hù)，但對邊坡穩(wěn)定性整體影響不大，最小主應(yīng)力的拉應(yīng)力最大值為0.004386MPa，出現(xiàn)在開挖第二階段邊坡頂部。（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖5-8剖面Ⅱ開挖第一階段應(yīng)力（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖5-9剖面Ⅱ開挖第二階段應(yīng)力（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖5-10剖面Ⅱ開挖第三階段應(yīng)力（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖5-11剖面Ⅱ開挖第四階段應(yīng)力表5-9剖面Ⅱ各開挖階段最大最小主應(yīng)力施工順序最大主應(yīng)力(MPa)最小主應(yīng)力(MPa)拉應(yīng)力壓應(yīng)力拉應(yīng)力壓應(yīng)力10.14902.44870.00994.447420.15412.44450.01164.440630.16872.43790.01324.430140.18142.42940.01454.4162從表5-9中可以看出，剖面Ⅱ最大主應(yīng)力壓應(yīng)力逐漸減小，但是變化不大，主要分布再模型底部，最小主應(yīng)力壓應(yīng)力變化趨勢相同，同樣分布在模型底部。最大主應(yīng)力拉應(yīng)力的最大值為0.1814MPa，分布在之前開挖的邊坡和臺階上，最小主應(yīng)力拉應(yīng)力逐漸增大，與最大主應(yīng)力拉應(yīng)力變化趨勢相同，分布在邊坡頂部和臺階上。（a）最大主應(yīng)力（b）最大主應(yīng)力圖5-12剖面Ⅲ開挖第一階段應(yīng)力（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖5-13剖面Ⅲ開挖第二階段應(yīng)力（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖5-14剖面Ⅲ開挖第三階段應(yīng)力（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖5-15剖面Ⅲ開挖第四階段應(yīng)力（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖5-16剖面Ⅲ開挖第五階段應(yīng)力（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖5-17剖面Ⅲ開挖第六階段應(yīng)力表5-10剖面Ⅲ各開挖階段最大最小主應(yīng)力施工順序最大主應(yīng)力(MPa)最小主應(yīng)力(MPa)拉應(yīng)力壓應(yīng)力拉應(yīng)力壓應(yīng)力10.08981.84570.00004.704920.08971.84400.00004.701530.08971.84070.01934.694940.17121.83880.01764.691350.43831.83710.02164.688360.66941.83470.01904.6843從表5-8中可以看出，剖面Ⅲ最大主應(yīng)力的壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在開挖第一階段，最大值為1.8457MPa，隨著開挖卸荷，逐步降低到1.8370MPa，最大主應(yīng)力的拉應(yīng)力出現(xiàn)在開挖第六階段為0.6694MPa，分布在開挖臺階上，在開挖第五階段和第六階段有明顯上升，在開挖第六階段達(dá)到峰值，分別從0.0897MPa上升到0.4383MPa和從0.4383MPa上升到0.6694MPa。最小主應(yīng)力的壓應(yīng)力大小隨著開挖進(jìn)行逐漸降低，最大值為開挖第一階段的4.7049MPa。最小主應(yīng)力的拉應(yīng)力的最大值為0.0216MPa，在開挖第一階段和第二階段不存在拉應(yīng)力，之后拉應(yīng)力值變化不太規(guī)律，在開挖第五階段達(dá)到峰值為0.0216MPa。1.3.2變形分析現(xiàn)將每個剖面開挖過程中位移代表性較大的施工步驟進(jìn)行分析，同時對發(fā)生大位移的位置施加監(jiān)測點進(jìn)行監(jiān)測。圖中位移單位為m，Z方向向上為正，X方向以指向坡外為正。根據(jù)開挖位移云圖，選出剖面Ⅰ唯一變化較大第4，5，6，7施工步進(jìn)行分析，計算結(jié)果如下所示：圖5-18剖面Ⅰ開挖第四階段水平位移圖5-19剖面Ⅰ開挖第四階段豎直位移圖5-20剖面Ⅰ開挖第五階段水平位移圖5-21剖面Ⅰ開挖第五階段豎直位移圖5-22剖面Ⅰ開挖第六階段水平位移圖5-23剖面Ⅰ開挖第六階段豎直位移圖5-24剖面Ⅰ開挖第七階段水平位移圖5-23剖面Ⅰ開挖第七階段豎直位移可以看出水平方向的位移主要是開挖卸荷后巖體拉裂有向外滑動的趨勢，每個階段的最大位移分別是6.2cm，6.5cm，6.6cm，7.3cm，方向指向坡外，在第七階段開挖達(dá)到峰值。豎直方向以開挖卸荷后的向上回彈為主，每個階段回彈的最大值分別為1.06cm，1.08cm，1.16cm，1.25cm，同樣是在開挖第七階段達(dá)到峰值。其趨勢均符合工程實際經(jīng)驗。在位移較大的危險區(qū)域設(shè)置監(jiān)測點(162.504,5,117.303)監(jiān)測水平方向的位移,得到的位移變化圖如下：圖5-26剖面Ⅰ危險區(qū)域水平位移監(jiān)測第四階段的開挖時步是從8260步到10826步，第五階段從10827步到11626步，該區(qū)域在進(jìn)行第四階段和第五階段開挖時位移量顯著上升，開挖第六和第七階段上升幅度較小，應(yīng)當(dāng)在開挖第五階段及時對其進(jìn)行支護(hù)。剖面Ⅱ在開挖第三階段和第四階段有較大位移出現(xiàn)，具體如下列各圖所示：圖5-27剖面Ⅱ開挖第三階段水平位移圖5-28剖面Ⅱ開挖第三階段豎直位移圖5-29剖面Ⅱ開挖第四階段水平位移圖5-30剖面Ⅱ開挖第四階段豎直位移剖面Ⅱ在第三階段水平位移最大值為1.48mm，方向指向坡外，豎直位移最大值7.63mm，方向向上，第四階段水平位移最大值為8.50mm，方向指向坡外，豎直位移最大值為10.22mm，方向向上，豎向位移主要是卸荷后的回彈，并在開挖最后一個階段達(dá)到峰值。對發(fā)生較大位移的危險區(qū)域設(shè)置監(jiān)測點(173.517,5,100.044)，得到其位移與時步的關(guān)系圖如下所示：圖5-31剖面Ⅱ危險區(qū)域水平位移監(jiān)測第三階段的時步從8802步到10736步，第四階段的時步從10737步到12177步，可以從圖上清晰地看出危險區(qū)域在開挖第三階段和第四階段發(fā)生了較大位移，且該危險區(qū)域高程處于開挖第二階段，應(yīng)當(dāng)在開挖第三階段施工時對其進(jìn)行支護(hù)錨固。剖面Ⅲ在開挖第四階段，第五階段和第六階段有較大位移出現(xiàn)，計算結(jié)果如下列個圖所示：圖5-32剖面Ⅲ開挖第四階段水平位移圖5-33剖面Ⅲ開挖第四階段豎直位移圖5-34剖面Ⅲ開挖第五階段水平位移圖5-35剖面Ⅲ開挖第五階段豎直位移圖5-36剖面Ⅲ開挖第六階段水平位移圖5-37剖面Ⅲ開挖第六階段豎直位移剖面Ⅲ在第四階段，第五階段，第六階段水平位移最大值分別為4.89mm，6.46mm，9.06mm方向指向坡外，豎直位移最大值分別為11.16mm，12.65mm，14.28mm方向向上，以回彈為主。其發(fā)生位移的原因主要是開挖之后的卸荷。對發(fā)生較大位移的危險區(qū)域設(shè)置監(jiān)測點，(158.88,5,126.697)得到其位移與時步的關(guān)系圖如下所示：圖5-38剖面Ⅲ危險區(qū)域水平位移監(jiān)測該危險區(qū)域處于開挖第二階段高程，在開挖第二階段以后每個階段的水平位移的增加都比較明顯，故應(yīng)該在開挖第三階段及時對其進(jìn)行支護(hù)錨固，降低其水平位移量。1.3.3安全系數(shù)通過計算得到開挖全部結(jié)束后各個邊坡的安全系數(shù)如下表所示：表5-11安全系數(shù)剖面Ⅰ剖面Ⅱ剖面Ⅲ安全系數(shù)1.161.181.16查詢《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》（SL386-2007）相關(guān)規(guī)范，在施工期安全系數(shù)應(yīng)大于1.15，均滿足要求，在施工完畢后運行期內(nèi)應(yīng)大于1.2，未滿足相關(guān)要求，需要對其進(jìn)行支護(hù)。1.3.4塑性區(qū)與剪應(yīng)變（a）塑性區(qū)（b）最大剪應(yīng)變圖5-39剖面Ⅰ塑性區(qū)與剪應(yīng)變剖面Ⅰ開挖后未出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)域，不過存在一條正在發(fā)生塑性的軟弱帶，與發(fā)生最大剪應(yīng)變的區(qū)域?qū)?yīng)，可能會發(fā)生滑動，應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行支護(hù)加固。（a）塑性區(qū)（b）最大剪應(yīng)變圖5-40剖面Ⅱ塑性區(qū)與剪應(yīng)變剖面Ⅱ在開挖后在坡腳處有一處塑性連通的區(qū)域，且正是軟弱結(jié)構(gòu)面存在的區(qū)域，有可能發(fā)生塊體滑移，最大剪應(yīng)變的云圖也揭示了可能發(fā)生邊坡失穩(wěn)的區(qū)域。（a）塑性區(qū)（b）最大剪應(yīng)變圖5-41剖面Ⅲ塑性區(qū)與剪應(yīng)變剖面Ⅲ有曾經(jīng)發(fā)生塑性且現(xiàn)在仍在發(fā)生塑性的區(qū)域，不過不存在貫通的塑性區(qū)域，邊坡比較穩(wěn)定。1.4邊坡逐級開挖支護(hù)工況下計算結(jié)果分析按照之前的開挖支護(hù)方案，在開挖下一級時對上一級進(jìn)行及時支護(hù)，利用FLAC3D內(nèi)置cable模型進(jìn)行了錨索支護(hù)，并在開挖下一級時對上一級邊坡進(jìn)行支護(hù)。錨索的具體位置如下列各圖所示：圖5-42剖面Ⅰ錨索布置圖圖5-43剖面Ⅱ錨索布置圖圖5-44剖面Ⅲ錨索布置圖1.4.1應(yīng)力分析計算出開挖全部完成后的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力，計算結(jié)果如下圖所示：（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖5-42剖面Ⅰ支護(hù)后應(yīng)力表5-12剖面Ⅰ開挖支護(hù)各階段最大最小主應(yīng)力施工順序最大主應(yīng)力(MPa)最小主應(yīng)力(MPa)拉應(yīng)力壓應(yīng)力拉應(yīng)力壓應(yīng)力10.06621.94820.00084.682220.06611.94420.00444.675230.08511.94000.00314.669540.08291.93610.00354.667450.06371.93580.00324.664660.06341.93490.00274.664770.06281.93290.00564.6621圖5-43剖面Ⅰ最大主應(yīng)力拉應(yīng)力支護(hù)前后對比可以清晰的看出支護(hù)后最大主應(yīng)力拉應(yīng)力雖然有短暫的上升，但在之后有所下降，且拉應(yīng)力值在開挖第四階段后一直小于未支護(hù)時，且最大主應(yīng)力拉應(yīng)力的峰值從0.1107MPa減小到了0.0851MPa，峰值出現(xiàn)的時間從開挖第七階段變化到了開挖第四階段。說明支護(hù)減小了拉應(yīng)力，增強(qiáng)了剖面Ⅰ邊坡的穩(wěn)定性，支護(hù)效果較好。（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖5-44剖面Ⅱ支護(hù)后應(yīng)力表5-13剖面Ⅱ各開挖階段最大最小主應(yīng)力施工順序最大主應(yīng)力(MPa)最小主應(yīng)力(MPa)拉應(yīng)力壓應(yīng)力拉應(yīng)力壓應(yīng)力10.15052.38040.01034.449020.12882.37690.01014.441330.14702.36990.01294.431140.16612.36510.01574.4167圖5-45剖面Ⅱ最大主應(yīng)力拉應(yīng)力支護(hù)前后對比可以從圖上看出，雖然最開始的拉應(yīng)力略大，但是減小后并未超過未支護(hù)前的最大主應(yīng)力拉應(yīng)力值，且最大主應(yīng)力拉應(yīng)力的峰值從0.1814MPa削減到了0.1661MPa，說明支護(hù)效果明顯，增強(qiáng)了邊坡的穩(wěn)定性。（a）最大主應(yīng)力（b）最小主應(yīng)力圖5-46剖面Ⅲ支護(hù)后應(yīng)力表5-14剖面Ⅲ各開挖階段最大最小主應(yīng)力施工順序最大主應(yīng)力(MPa)最小主應(yīng)力(MPa)拉應(yīng)力壓應(yīng)力拉應(yīng)力壓應(yīng)力10.08981.84570.00004.704920.08971.84400.00004.701530.08981.84100.00814.695540.16501.83870.01654.691350.24931.83720.01624.688460.53861.83430.02334.6835圖5-47剖面Ⅲ最大主應(yīng)力拉應(yīng)力支護(hù)前后對比前面并未施加支護(hù)，故拉應(yīng)力變化并不明顯，從第四階段施加支護(hù)之后，最大主應(yīng)力拉應(yīng)力值出現(xiàn)了明顯減小，峰值從0.6694MPa減小到了0.5386MPa，說明支護(hù)效果較好。1.4.2變形分析在開挖逐級支護(hù)后，計算得出了開挖支護(hù)后的邊坡位移圖，如下列各圖所示：（a）水平位移（b）豎直位移圖5-48剖面Ⅰ支護(hù)后位移剖面Ⅰ在支護(hù)后水平位移最大值為3.93mm，豎直位移最大值為12.36mm，水平方向位移出現(xiàn)較大減小，豎直方向位移無明顯變化?，F(xiàn)對同一位置進(jìn)行位移監(jiān)測，位移隨時步的關(guān)系圖如下圖所示：圖5-49剖面Ⅰ危險區(qū)域支護(hù)后水平位移監(jiān)測圖在支護(hù)后位移立即出現(xiàn)了下降，隨后幾乎不在增加，位移趨勢與不支護(hù)相似，位移變化值非常明顯，表明支護(hù)效果非常明顯。（a）水平位移（b）豎直位移圖5-50剖面Ⅱ支護(hù)后位移剖面Ⅱ在支護(hù)后水平位移最大值為7.86mm，豎直方向最大位移為10.20mm，水平方向位移有明顯減小，豎直方向位移無明顯變化，現(xiàn)對同一進(jìn)行位移監(jiān)測，位移隨時步的關(guān)系圖如下圖所示：圖5-51剖面Ⅱ危險區(qū)域支護(hù)后水平位移監(jiān)測可以看出水平方向的位移在支護(hù)后立即出現(xiàn)了明顯下降，隨后繼續(xù)上升，但始終沒有超過未支護(hù)的值，說明支護(hù)的作用十分明顯。（a）水平位移（b）豎直位移圖5-52剖面Ⅲ支護(hù)后位移剖面Ⅲ支護(hù)后水平位移的最大值為8.08mm，豎直方向位移最大值為14.26mm，水平位移控制明顯，豎直方向位移幾乎無變化。現(xiàn)對同一進(jìn)行位移監(jiān)測，位移隨時步的關(guān)系圖如下圖所示：圖5-53剖面Ⅲ危險區(qū)域支護(hù)后水平位移監(jiān)測可以看出水平方向的位移在支護(hù)后立即出現(xiàn)