基于FLAC3D的某水电站岩体倾倒变形过程数值模拟研究.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER49第 40卷第 2期0 引言我国澜沧江干流河谷下切作用强烈，是典型的高山峡谷地貌，某水电站库区地质构造活动多发，岩层较为陡立，在工程建设中发现了大量的岩体倾倒变形现象，在整个河段中较为典型。多数倾倒体结构破碎，节理裂隙发育，它受到多重因素的影响。澜沧江对山体的下切和两岸深大冲沟的切割给坡体提供了良好的临空条件，库区岩体砂岩、板岩居多，互层状构造使得岩层间容易产生变形，陡立的倾角使岩层在自重应力和卸荷应力的作用下发生较大的弯曲，地应力的基于 FLAC3D 的某水电站岩体倾倒变形过程数值模拟研究郭翔1，蔡伟1，席文勇2，张勇2（1.山东国电投海鲁新能源有限公司，山东济南250031；2.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）摘要：我国西南高山峡谷地区地质作用强烈，倾倒变形岩体广泛发育，基于拉格朗日有限差分法的 FLAC3D 软件可对岩体倾倒变形过程进行数值模拟研究。建立了流变模型对澜沧江上游某在建水电站的一处倾倒变形体进行了研究，结果表明，在岩体自重和卸荷应力的长久作用下，库区陡立岩层会朝向临空位置发生倾倒变形破坏。这是一个长期的流变破坏过程。倾倒变形仅发育在边坡的浅表层，深部的岩体未发生倾倒，浅表层底部的岩层弯曲最为强烈，这些部位的岩层将最先发生折断，若折断面贯通，极有可能导致倾倒体整体垮塌滑动引发滑坡等灾害。在水电站建设中要着重考虑对倾倒变形程度严重的坡体进行支护，防止发生大规模的失稳破坏。关键词：倾倒变形；数值模拟；FLAC3D；变形破坏中图分类号：TV223.2+1；TU457文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)02-0049-05DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.02.013Numerical Simulation Study on the Toppling Deformation Process of Rock Mass in a Hydropower Station Based on FLAC3DGUO Xiang1,CAI Wei1,XI Wenyong2,ZHANG Yong2(1.SPIC Shandong Hailu New Energy Co.,Ltd,Jinan 250031,China;2.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.,Ltd.,Jinan 250013,China)Abstract:The geological processes in the mountainous and canyon areas of southwestern China are strong,and the tilted and deformed rock masses are widely developed.The FLAC3D software based on the Lagrangian finite difference method can conduct numerical simulation research on the process of rock mass toppling deformation.This article establishes a rheological model to study the toppling deformation of a hydropower station under construction in the upper reaches of the Lancang River.The results indicate that under the long-term action of the self weight and unloading stress of the rock mass,the steep rock layers in the reservoir area will tilt and deform towards the vacant position.This is a long-term rheological failure process.The tilting deformation only develops in the shallow surface of the slope,and the deep rock mass does not experience tilting.The rock layers at the bottom of the shallow layer bend the most strongly,and the rock layers in these areas will be the first to break.If the broken section is connected,it is highly likely to cause the overall collapse and sliding of the toppling body,leading to disasters such as landslides.In the construction of hydropower stations,it is important to focus on supporting slopes with severe tilting deformation to prevent large-scale instability and damage.Keywords:toppling deformation;numerical simulation;FLAC3D;deformation and failure收稿日期：2023-01-07作者简介：郭翔（1991-），男，山东临沂人，工程师，主要从事工程边坡稳定性评价与防治处理研究工作。*50云南水力发电2024 年第 2 期最大主应力方向和岩体走向近乎垂直，以及水对岩体的物理化学作用和力学作用等，进一步推动了岩体倾倒变形破坏的产生。正确认识倾倒变形岩体的发育过程，对于倾倒变形岩土的工程稳定性分析具有重要的意义1。通过 FLAC3D 软件，使用数值分析的方法，模拟原岩在多个特征因素作用下发生变形的过程。1 岩体倾倒变形过程水电站库区边坡岩体结构条件复杂。岩体倾倒变形问题突出，变形影响范围较大，局部岸坡水平影响深度大于 50 m，高程越大倾倒的程度也越剧烈，将会给工程岸坡稳定性带来不利影响。岩体的倾倒变形过程主要可分为以下 4 个阶段2。1）倾倒蠕变阶段：这一阶段属于倾倒变形的初期，由于岩层受到自重应力和卸荷应力的作用，驱动着岩层产生变形以适应新的平衡状态，这是岩层的初始蠕变过程，因而一般不产生宏观的张拉破裂，仅岩层自身发生弯曲，从力学性质来看，应属于塑性连续变形（如图 1 所示）。为显著的张剪破裂或倾滑位移，具有典型的切层发展特征，从力学性质来看，属于不连续脆性破裂5-7（如图 3 所示）。图 1 倾倒蠕变型坡体图图 2 倾倒松弛型坡体图2）倾倒松弛阶段：随着库区岩体的进一步倾倒变形，沿着结构面的剪切作用逐渐加剧，致使层内张拉效应趋于明显，层间岩体承受着越来越大的张拉应力，当张拉应力逐渐地积累并超过岩层的抗拉强度，岩层之间将发生张拉破裂或者是沿着已有的结构面发生张拉变形3-4。这一阶段的岩层表现出宏观张拉破裂，从力学性质来看，仍然属于塑性连续变形（如图 2 所示）。3）倾倒松动阶段：库区岩体倾倒变形继续发展，达到弯曲-折断破裂阶段。此时，岩层弯曲的角度进一步增大，坡体的表面沿着层面产生的拉裂缝等节理裂隙面逐步延伸，岩层除了沿着层面发生张拉破裂和剪切滑移以外，也沿着节理裂隙面发生张性剪切破坏。这一阶段倾倒变形表现图 3 倾倒松动型坡体图4）倾倒溃屈阶段：当库区岩体倾倒变形的弯曲（转动）角度很大时，岩体将发生极为强烈的折断张裂变形，前期形成的弯曲-折断面贯通，形成倾向坡外的贯通性张拉破裂带8-9，以破裂带为分界线，上部的破碎岩体与下部的变形基岩发生分离，形成掉块、滑塌甚至于整体的滑动，从力学性质来看，一旦滑动形成，与滑坡的受力特征较为接近10-11（如图 4 所示）。图 4 倾倒溃屈型坡体图2 岩体倾倒过程的 FLAC3D 模拟边坡在自重应力和卸荷应力作用下发生了倾倒变形，根据库区岩体状况，模拟砂、板岩互层的岩体在各因素下随时间发生倾倒变形的过程。计算采用 FLAC3D 软件建立了倾倒岩体的流变模型，求解时间和时间步代表着真实的时间，它可以模拟岩体的极缓慢变形。FLAC3D 中共提供了 8 种蠕变模型（见表 1），郭翔，蔡伟，席文勇，张勇 基于FLAC3D的某水电站岩体倾倒变形过程数值模拟研究51砂岩的力学性质较好，属于硬质岩，硬度大，在发生变形时，弹性与脆性特征明显，具体表现为折断、张裂等不连续变形；而板岩属于软质岩，强度较低，在发生变形时，塑性和延展性明显，具体表现为弯曲、挤压等连续性变形，因此选择了可退化的伯格斯流变模型与带拉伸限的摩尔-库伦塑性屈服准则组合而成的复合黏弹塑性模型-Cvisc 模型，它较为适合模拟一般性软岩和硬岩的流变特性12。表 1 蠕变本构模型表模型关键字说明蠕变模型BurgerBurger 材料黏弹性模型Cpower幂律材料模型CviscBurger、蠕变组合材料模型Cwipp岩盐变形模型Power二分幂律模型Pwipp黏塑性模型Viscous经典黏弹性模型Wipp蠕变模型模型示意图如图 5。在模型的两个侧面和底面均施加约束，并根据不同深度 h 在背面施加力。根据现场测绘和统计资料，库区原岩产状倾角近直立，约在 80 90之间，倾向坡的外部，使用 ANSYS 软件构建了基础的模型，之后将模型导入 FLAC3D 软件中进行模拟，首先根据库区地貌先择了 1 处倾倒变形岩体构成的边坡，建立了其三维数值模型（如图 6 所示）。之后截取了模型的一部分进行分层赋值模拟，建立的水电站库区边坡未倾倒前的 FLAC3D 模型如图 7 所示，模型平行于江水方向长 130 m，垂直于江水方向宽 550 m，坡体高约 400 m，岩层倾角统一选择88，模型分为 37 层。图 5 Cvisc 流变模型示意图M为马克斯韦尔体应变；K为开尔文体应变；P为塑性应变；为总应变。图 6 倾倒变形边坡三维数值模拟图（a）模型左前立体视图（b）模型左视图图 7 边坡模型视图根据现场调查和室内外试验等方法获得的岩体参数，此次模型选取的参数见表 2。表 2 模型物理力学参数取值表岩性/（kN/m3）c/MPa/Rt/MPaEMEKMK/GPa/GPad砂岩26.50.251.0482.815601 60080板岩25.30.300.6426.37403 50060注：为岩体重度；为泊松比；c 为内聚力；为内摩擦角；Rt为抗拉强度；EM为弹性模量；EK为黏弹性模量；M为马克斯韦尔黏滞系数；K为开尔文黏滞系数。岩体的初始应力场为自重应力和地应力场。蠕变过程由初始应力场控制，从数值计算的精度52云南水力发电2024 年第 2 期来讲，最大蠕变时间步可以近似的表示成材料黏性系数与剪切模量（剪切模量 G=/（2+2）的比值，最小蠕变时间步大概比最大蠕变时间步小2 3 个数量级。因此此次计算选择的最小蠕变时间步为 1 d，最大蠕变时间步为 300 d。使用 set creep on 开始蠕变计算。模型计算至 80 000 a 时停止。蠕变响应的程序语言如下：Set creep onSet creep mindt 1e0 maxdt 3e2 umul 1Set creep dt auto onSolve age 3650000，10 000 年Solve age 1.savSolve age 10950000，30 000 年Solve age 3.savSolve age 29200000，80 000 年Solve age 8.savret计算出 10 000 a 以后岩体的变形情况见图 8，与原坡体的对比情况见图 9，从图中可以看出，库区岩体在 10 000 a 后变形较微弱，可基本认为岩体尚未发生倾倒变形。朝向临空面位置，即倾倒变形已经开始发生，根据岩层的变形程度，此时岩层倾角已经由原来的88弯曲为 81。图 8 10000a 后边坡变形图图 9 10000a 后边坡变形前后对比图当计算至 30 000a时，边坡的变形情况见图10，与原始岩层的对比情况见图 11，从图中可以看出，边坡表层的弯曲变形开始显现，且变形图 10 30000a 后边坡变形图图 11 30000a 后岩层倾角变化图模型计算至 80 000 a 的时候，边坡的变形情况见图 12，与原始岩层的对比情况见图 13。图 12 80000a 后边坡变形图图 13 80000a 后岩层倾角变化图从模型的弯曲变形情况来看：1）边坡外部的岩层向着临空面发生了严重的弯曲变形，这说明在岩体自重和卸荷应力的长久郭翔，蔡伟，席文勇，张勇 基于FLAC3D的某水电站岩体倾倒变形过程数值模拟研究53作用下，库区陡立岩层会朝向临空位置发生倾倒变形破坏。这是一个长期的流变破坏过程。2）库区原岩岩层的倾角近直立，模拟结果显示，在经历了 80 000 a 的变形后，岩层水平方向朝向坡外的倾角变化幅度越来越大，由最初的88变为了 64 75（其中坡顶处由于自重最大的原因，倾角变为 67）；岩层竖直方向的位移由坡体表面到坡体深处呈现出增大的趋势，如图 13 所示，在坡顶处由表层到深部岩层倾角从67渐变到 85，在坡中部岩层倾角从 75渐变到 80，在坡脚处岩层倾角从 64渐变为 71，即在水平方向和竖直方向均呈现出明显的规律性。3）从模拟结果来看，倾倒变形岩体的最大弯折深度大约是 51 m，现场观测到的最大弯折深度基本一致。库区两岸山体高陡，倾倒变形仅发育在边坡的浅表层，深部的岩体未发生倾倒。4）当根据 FLAC3D 模型的模拟结果来计算边坡位移量时，其位移量大致在 15 55 m 之间。5）边坡发生变形的范围中其底部的网格弯曲最为强烈，因此，这些部位的岩层将最先发生折断，若折断面贯通，极有可能导致倾倒体整体垮塌滑动引发滑坡等灾害。3 结论根据现场调查得到的岩层倾角变化和发育范围的深度对岸坡进行分析，使用 FLAC3D 软件模拟了库区岩体倾角近直立、砂板岩互层、有良好的临空面等条件下，在自重应力和卸荷应力的作用下发生倾倒变形的过程。1）根 据 模 拟 结 果，原 岩 在 经 过 了 长 时间的缓慢变形后，倾角由近直立逐渐弯曲为64 75，弯曲变形导致的岩体位移量在15 55 m 之间，与现场实际情况较为吻合。2）通过现场实际调查的结果，和对倾倒变形过程的模拟，概括起来水电站库区岩体的倾倒变形过程主要可分为4个阶段：倾倒蠕变、倾倒松弛、倾倒松动和倾倒溃屈阶段。3）由于对库区的地质历史认知较少，难以准确的估算倾倒体的变形时间，软件模拟的变形时间较为粗糙，但是使用三维数值模拟的方法对倾倒体的演变过程进行推测，不失为一种切实可行的研究方法。参考文献：1罗新平，涂国祥，尚琪.澜沧江上游亚贡深部倾倒变形体发育特征及形成机制J.水利与建筑工程学报，2019,17（5）:37-43.2母剑桥.反倾边坡倾倒破裂面优势形态及变形稳定性分析方法研究D.成都：成都理工大学，2017.3汪丁建.含节理层状岩石破裂特性及边坡工程应用研究D.武汉，中国地质大学，2019.4任光明，宋彦辉，聂德新，等.软弱基座型斜坡变形破坏过程研究J.岩石力学与工程学报，2003,22（9）:1510-1513.5程东幸，刘大安，丁恩保，等.反倾岩质边坡变形特征的三维数值模拟研究J.工程地质学报，2005,13（2）:222-226.6赵小平，李渝生，陈孝兵.澜沧江某水电站右坝肩工程边坡倾倒变形问题的数值模拟研究J.工程地质学报，2008,16（3）:299-303.7金仁祥，任光明.陡倾角反倾层状岩质边坡变形特征数值模拟验证J.中国地质灾害与防治学报，2003,14（2）:35-38.8左保成，陈从新，刘小巍，等.反倾岩质边坡破坏机理物理模型研究J.岩石力学与工程学报，2005,24（19）:3505-3511.9邹丽芳，徐卫亚，宁宇.反倾层状岩质边坡倾倒变形破坏机理综述J.长江科学院院报，2009,26（5）:25-30.10王焘，张国星，杨采婷.岩体结构特征与岩体变形模量相关性研究J.云南水力发电，2022,38（12）:46-50.11 丁秀丽，刘建，白世伟，等.岩体蠕变结构效应的数值模拟研究 J.岩石力学与工程学报，2006,25（2）:3642-3649.12彭文斌编著.FLAC3D 实用教程M.北京：机械工业出版社，2007.