【《某水库开挖边坡稳定性FLAC3D数值分析案例》6100字】

某水库开挖边坡稳定性FLAC3D数值分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u17307某水库开挖边坡稳定性FLAC3D数值分析案例 122441.1开挖支护过程 12351.2锚索力学参数 240971.3仅开挖工况下计算结果分析 3206791.3.1应力分析 416151.3.2变形分析 17308131.3.3安全系数 25152821.3.4塑性区与剪应变 26289021.4边坡逐级开挖支护工况下计算结果分析 28124501.4.1应力分析 30318911.4.2变形分析 35152941.4.3安全系数 3920401.4.4塑性区与剪应变 401.1开挖支护过程按照施工实际进度对边坡进行开挖作业，可通过将模型重新设置为空（null）模型来实现。由于开挖对象是岩质高边坡，根据规范《水利水电工程边坡设计规范》（SL386-2007）必须对开挖边坡进行支护，驮英水库溢洪道边坡采用预应力锚索进行加固，开挖以及支护加固过程如下表所示。表5-1剖面Ⅰ开挖支护过程施工顺序坡段编号及高程施工方案第一步坡段1：250.5-262.7m开挖坡段1第二步坡段2：231.5-250.5m开挖坡段2第三步坡段3：220.5-231.5m开挖坡段3，支护坡段2第四步坡段4：201.5-220.5m开挖坡段4，支护坡段3第五步坡段5：203.3-201.5m开挖坡段5第六步坡段6：199.8-203.3m开挖坡段6第七步坡段7：192.0-199.8m开挖坡段7表5-2剖面Ⅱ开挖支护过程施工顺序坡段编号及高程施工方案第一步坡段1：201.5-218.8m开挖坡段1，支护坡段以上部分第二步坡段2：197.5-201.5m开挖坡段2，支护坡段1第三步坡段3：190.7-197.5m开挖坡段3，支护坡段2第四步坡段4：181.5-190.7m开挖坡段4，支护坡段3表5-3剖面Ⅲ开挖支护过程施工顺序坡段编号及高程施工方案第一步坡段1：250.5-260.0m开挖坡段1第二步坡段2：231.5-250.5m开挖坡段2，支护坡段1第三步坡段3：220.5-231.5m开挖坡段3，支护坡段2第四步坡段4：210.2-220.5m开挖坡段4，支护坡段3第五步坡段5：203.4-210.2m开挖坡段5第六步坡段6：191.5-203.4m开挖坡段61.2锚索力学参数开挖时应及时对上一级边坡进行支护锚固，各个剖面及各级边坡的锚索力学参数设置及布置情况如下列各表所示：表5-4剖面Ⅰ锚索力学参数及布置高程（m）间距（m）预应力（KN）自由段长度（m）总长度（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锚索力学参数及布置高程（m）间距（m）预应力（KN）自由段长度（m）总长度（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锚索力学参数及布置高程（m）间距（m）预应力（KN）自由段长度（m）总长度（m）14741.52428143.551.52226139.541.51620131.551.51822127.541.51418123.551.52226表5-7锚索力学参数弹性模量（MPa）抗拉强度（KN）横截面积(M2)单位长度水泥浆凝结力(KN)单位长度水泥浆刚度(MPa)端头1951860.015386100020000自由段1951860.0153860.0000010.000001锚固段1951860.0153860.527201.3仅开挖工况下计算结果分析通过FLAC3D计算出每一阶段开挖后边坡的最大主应力，最小主应力，X方向位移，Z方向位移，总位移，塑性区，最大剪应变和安全系数，对每一阶段的施工进行安全监测，找出潜在的危险，为支护加固提供数据支撑，确保施工安全正常进行。1.3.1应力分析下列各图中应力单位为MPa，在FLAC3D中定义拉应力为正，压应力为负，仅考虑自重应力作为初始应力场。（a）最大主应力（b）最小主应力图5-1剖面Ⅰ开挖第一阶段应力（a）最大主应力（b）最小主应力图5-2剖面Ⅰ开挖第二阶段应力（a）最大主应力（b）最小主应力图5-3剖面Ⅰ开挖第三阶段应力（a）最大主应力（b）最小主应力图5-4剖面Ⅰ开挖第四阶段应力（a）最大主应力（b）最小主应力图5-5剖面Ⅰ开挖第五阶段应力最大主应力（b）最小主应力图5-6剖面Ⅰ开挖第六阶段应力（a）最大主应力（b）最小主应力图5-7剖面Ⅰ开挖第七阶段应力表5-8剖面Ⅰ各开挖阶段最大最小主应力施工顺序最大主应力(MPa)最小主应力(MPa)拉应力压应力拉应力压应力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从表5-8中可以看出，剖面Ⅰ最大主应力的压应力逐渐减小，但是变化不大，主要分布再模型底部，最小主应力的压应力变化趋势相同。最大主应力的拉应力的最大值为0.1107MPa，出现在开挖完成之后的边坡顶部，且在之前的开挖台阶上也有零星分布，注意进行支护，但对边坡稳定性整体影响不大，最小主应力的拉应力最大值为0.004386MPa，出现在开挖第二阶段边坡顶部。（a）最大主应力（b）最小主应力图5-8剖面Ⅱ开挖第一阶段应力（a）最大主应力（b）最小主应力图5-9剖面Ⅱ开挖第二阶段应力（a）最大主应力（b）最小主应力图5-10剖面Ⅱ开挖第三阶段应力（a）最大主应力（b）最小主应力图5-11剖面Ⅱ开挖第四阶段应力表5-9剖面Ⅱ各开挖阶段最大最小主应力施工顺序最大主应力(MPa)最小主应力(MPa)拉应力压应力拉应力压应力10.14902.44870.00994.447420.15412.44450.01164.440630.16872.43790.01324.430140.18142.42940.01454.4162从表5-9中可以看出，剖面Ⅱ最大主应力压应力逐渐减小，但是变化不大，主要分布再模型底部，最小主应力压应力变化趋势相同，同样分布在模型底部。最大主应力拉应力的最大值为0.1814MPa，分布在之前开挖的边坡和台阶上，最小主应力拉应力逐渐增大，与最大主应力拉应力变化趋势相同，分布在边坡顶部和台阶上。（a）最大主应力（b）最大主应力图5-12剖面Ⅲ开挖第一阶段应力（a）最大主应力（b）最小主应力图5-13剖面Ⅲ开挖第二阶段应力（a）最大主应力（b）最小主应力图5-14剖面Ⅲ开挖第三阶段应力（a）最大主应力（b）最小主应力图5-15剖面Ⅲ开挖第四阶段应力（a）最大主应力（b）最小主应力图5-16剖面Ⅲ开挖第五阶段应力（a）最大主应力（b）最小主应力图5-17剖面Ⅲ开挖第六阶段应力表5-10剖面Ⅲ各开挖阶段最大最小主应力施工顺序最大主应力(MPa)最小主应力(MPa)拉应力压应力拉应力压应力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从表5-8中可以看出，剖面Ⅲ最大主应力的压应力最大值出现在开挖第一阶段，最大值为1.8457MPa，随着开挖卸荷，逐步降低到1.8370MPa，最大主应力的拉应力出现在开挖第六阶段为0.6694MPa，分布在开挖台阶上，在开挖第五阶段和第六阶段有明显上升，在开挖第六阶段达到峰值，分别从0.0897MPa上升到0.4383MPa和从0.4383MPa上升到0.6694MPa。最小主应力的压应力大小随着开挖进行逐渐降低，最大值为开挖第一阶段的4.7049MPa。最小主应力的拉应力的最大值为0.0216MPa，在开挖第一阶段和第二阶段不存在拉应力，之后拉应力值变化不太规律，在开挖第五阶段达到峰值为0.0216MPa。1.3.2变形分析现将每个剖面开挖过程中位移代表性较大的施工步骤进行分析，同时对发生大位移的位置施加监测点进行监测。图中位移单位为m，Z方向向上为正，X方向以指向坡外为正。根据开挖位移云图，选出剖面Ⅰ唯一变化较大第4，5，6，7施工步进行分析，计算结果如下所示：图5-18剖面Ⅰ开挖第四阶段水平位移图5-19剖面Ⅰ开挖第四阶段竖直位移图5-20剖面Ⅰ开挖第五阶段水平位移图5-21剖面Ⅰ开挖第五阶段竖直位移图5-22剖面Ⅰ开挖第六阶段水平位移图5-23剖面Ⅰ开挖第六阶段竖直位移图5-24剖面Ⅰ开挖第七阶段水平位移图5-23剖面Ⅰ开挖第七阶段竖直位移可以看出水平方向的位移主要是开挖卸荷后岩体拉裂有向外滑动的趋势，每个阶段的最大位移分别是6.2cm，6.5cm，6.6cm，7.3cm，方向指向坡外，在第七阶段开挖达到峰值。竖直方向以开挖卸荷后的向上回弹为主，每个阶段回弹的最大值分别为1.06cm，1.08cm，1.16cm，1.25cm，同样是在开挖第七阶段达到峰值。其趋势均符合工程实际经验。在位移较大的危险区域设置监测点(162.504,5,117.303)监测水平方向的位移,得到的位移变化图如下：图5-26剖面Ⅰ危险区域水平位移监测第四阶段的开挖时步是从8260步到10826步，第五阶段从10827步到11626步，该区域在进行第四阶段和第五阶段开挖时位移量显著上升，开挖第六和第七阶段上升幅度较小，应当在开挖第五阶段及时对其进行支护。剖面Ⅱ在开挖第三阶段和第四阶段有较大位移出现，具体如下列各图所示：图5-27剖面Ⅱ开挖第三阶段水平位移图5-28剖面Ⅱ开挖第三阶段竖直位移图5-29剖面Ⅱ开挖第四阶段水平位移图5-30剖面Ⅱ开挖第四阶段竖直位移剖面Ⅱ在第三阶段水平位移最大值为1.48mm，方向指向坡外，竖直位移最大值7.63mm，方向向上，第四阶段水平位移最大值为8.50mm，方向指向坡外，竖直位移最大值为10.22mm，方向向上，竖向位移主要是卸荷后的回弹，并在开挖最后一个阶段达到峰值。对发生较大位移的危险区域设置监测点(173.517,5,100.044)，得到其位移与时步的关系图如下所示：图5-31剖面Ⅱ危险区域水平位移监测第三阶段的时步从8802步到10736步，第四阶段的时步从10737步到12177步，可以从图上清晰地看出危险区域在开挖第三阶段和第四阶段发生了较大位移，且该危险区域高程处于开挖第二阶段，应当在开挖第三阶段施工时对其进行支护锚固。剖面Ⅲ在开挖第四阶段，第五阶段和第六阶段有较大位移出现，计算结果如下列个图所示：图5-32剖面Ⅲ开挖第四阶段水平位移图5-33剖面Ⅲ开挖第四阶段竖直位移图5-34剖面Ⅲ开挖第五阶段水平位移图5-35剖面Ⅲ开挖第五阶段竖直位移图5-36剖面Ⅲ开挖第六阶段水平位移图5-37剖面Ⅲ开挖第六阶段竖直位移剖面Ⅲ在第四阶段，第五阶段，第六阶段水平位移最大值分别为4.89mm，6.46mm，9.06mm方向指向坡外，竖直位移最大值分别为11.16mm，12.65mm，14.28mm方向向上，以回弹为主。其发生位移的原因主要是开挖之后的卸荷。对发生较大位移的危险区域设置监测点，(158.88,5,126.697)得到其位移与时步的关系图如下所示：图5-38剖面Ⅲ危险区域水平位移监测该危险区域处于开挖第二阶段高程，在开挖第二阶段以后每个阶段的水平位移的增加都比较明显，故应该在开挖第三阶段及时对其进行支护锚固，降低其水平位移量。1.3.3安全系数通过计算得到开挖全部结束后各个边坡的安全系数如下表所示：表5-11安全系数剖面Ⅰ剖面Ⅱ剖面Ⅲ安全系数1.161.181.16查询《水利水电工程边坡设计规范》（SL386-2007）相关规范，在施工期安全系数应大于1.15，均满足要求，在施工完毕后运行期内应大于1.2，未满足相关要求，需要对其进行支护。1.3.4塑性区与剪应变（a）塑性区（b）最大剪应变图5-39剖面Ⅰ塑性区与剪应变剖面Ⅰ开挖后未出现贯通的塑性区域，不过存在一条正在发生塑性的软弱带，与发生最大剪应变的区域对应，可能会发生滑动，应当对其进行支护加固。（a）塑性区（b）最大剪应变图5-40剖面Ⅱ塑性区与剪应变剖面Ⅱ在开挖后在坡脚处有一处塑性连通的区域，且正是软弱结构面存在的区域，有可能发生块体滑移，最大剪应变的云图也揭示了可能发生边坡失稳的区域。（a）塑性区（b）最大剪应变图5-41剖面Ⅲ塑性区与剪应变剖面Ⅲ有曾经发生塑性且现在仍在发生塑性的区域，不过不存在贯通的塑性区域，边坡比较稳定。1.4边坡逐级开挖支护工况下计算结果分析按照之前的开挖支护方案，在开挖下一级时对上一级进行及时支护，利用FLAC3D内置cable模型进行了锚索支护，并在开挖下一级时对上一级边坡进行支护。锚索的具体位置如下列各图所示：图5-42剖面Ⅰ锚索布置图图5-43剖面Ⅱ锚索布置图图5-44剖面Ⅲ锚索布置图1.4.1应力分析计算出开挖全部完成后的最大主应力与最小主应力，计算结果如下图所示：（a）最大主应力（b）最小主应力图5-42剖面Ⅰ支护后应力表5-12剖面Ⅰ开挖支护各阶段最大最小主应力施工顺序最大主应力(MPa)最小主应力(MPa)拉应力压应力拉应力压应力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图5-43剖面Ⅰ最大主应力拉应力支护前后对比可以清晰的看出支护后最大主应力拉应力虽然有短暂的上升，但在之后有所下降，且拉应力值在开挖第四阶段后一直小于未支护时，且最大主应力拉应力的峰值从0.1107MPa减小到了0.0851MPa，峰值出现的时间从开挖第七阶段变化到了开挖第四阶段。说明支护减小了拉应力，增强了剖面Ⅰ边坡的稳定性，支护效果较好。（a）最大主应力（b）最小主应力图5-44剖面Ⅱ支护后应力表5-13剖面Ⅱ各开挖阶段最大最小主应力施工顺序最大主应力(MPa)最小主应力(MPa)拉应力压应力拉应力压应力10.15052.38040.01034.449020.12882.37690.01014.441330.14702.36990.01294.431140.16612.36510.01574.4167图5-45剖面Ⅱ最大主应力拉应力支护前后对比可以从图上看出，虽然最开始的拉应力略大，但是减小后并未超过未支护前的最大主应力拉应力值，且最大主应力拉应力的峰值从0.1814MPa削减到了0.1661MPa，说明支护效果明显，增强了边坡的稳定性。（a）最大主应力（b）最小主应力图5-46剖面Ⅲ支护后应力表5-14剖面Ⅲ各开挖阶段最大最小主应力施工顺序最大主应力(MPa)最小主应力(MPa)拉应力压应力拉应力压应力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图5-47剖面Ⅲ最大主应力拉应力支护前后对比前面并未施加支护，故拉应力变化并不明显，从第四阶段施加支护之后，最大主应力拉应力值出现了明显减小，峰值从0.6694MPa减小到了0.5386MPa，说明支护效果较好。1.4.2变形分析在开挖逐级支护后，计算得出了开挖支护后的边坡位移图，如下列各图所示：（a）水平位移（b）竖直位移图5-48剖面Ⅰ支护后位移剖面Ⅰ在支护后水平位移最大值为3.93mm，竖直位移最大值为12.36mm，水平方向位移出现较大减小，竖直方向位移无明显变化。现对同一位置进行位移监测，位移随时步的关系图如下图所示：图5-49剖面Ⅰ危险区域支护后水平位移监测图在支护后位移立即出现了下降，随后几乎不在增加，位移趋势与不支护相似，位移变化值非常明显，表明支护效果非常明显。（a）水平位移（b）竖直位移图5-50剖面Ⅱ支护后位移剖面Ⅱ在支护后水平位移最大值为7.86mm，竖直方向最大位移为10.20mm，水平方向位移有明显减小，竖直方向位移无明显变化，现对同一进行位移监测，位移随时步的关系图如下图所示：图5-51剖面Ⅱ危险区域支护后水平位移监测可以看出水平方向的位移在支护后立即出现了明显下降，随后继续上升，但始终没有超过未支护的值，说明支护的作用十分明显。（a）水平位移（b）竖直位移图5-52剖面Ⅲ支护后位移剖面Ⅲ支护后水平位移的最大值为8.08mm，竖直方向位移最大值为14.26mm，水平位移控制明显，竖直方向位移几乎无变化。现对同一进行位移监测，位移随时步的关系图如下图所示：图5-53剖面Ⅲ危险区域支护后水平位移监测可以看出水平方向的位移在支护后立即出现