基于FLAC3D二次开发的连续强降雨工况路堑高边坡支护效果研究①

查 俊，蔡 军，许胜才，雷文凯

（1.广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530000；
2.贺州学院 建筑与电气工程学院，广西 贺州 542899）

降雨入渗过程会增加路堑高边坡岩土体重度并改变边坡土体内部孔压分布规律［1⁃2］，尤其是在连续强降雨工况下，边坡易发生局部滑坡。连续强降雨条件下路堑高边坡发生局部滑坡时［3⁃7］，边坡稳定性分析涉及流固耦合分析，FLAC3D软件不能直接分析降雨条件下边坡稳定性。为解决这一实际工程问题，本文利用FISH语言对FLAC3D软件进行二次开发，实现快速准确地分析流固耦合问题，并以广西百色市隆林各族自治县进城大道工程的边坡工程为例，验证FISH语言编程的实用性以及分析支护后的边坡工程稳定性状况。

利用FLAC3D软件中FISH语言的编程功能对FLAC3D软件进行二次开发，利用FLAC3D软件内置的变量z＿pp确定在降雨入渗过程中边坡岩土体的孔压值，通过建立孔压与饱和度的关系、饱和度与渗透系数的关系［8⁃10］，解决FLAC3D软件模拟非饱和土渗流的问题。依据数值分析过程中的z＿pp数值判定土体单元是否饱和，若处于饱和状态，将岩土体饱和状态下渗透系数设置为该部分单元土体的渗透系数值；
否则，结合Van Genuchten提出的土水特征曲线［9］拟合函数（式（1））、非饱和渗透系数与饱和渗透系数之间的关系式［10］（式（2））对土体渗透系数进行赋值。为简化FISH语言编程内容，将式（1）和式（2）相结合，可得土体孔压PP与非饱和土渗透系数之间的关系式（见式（3））。

式中θ为体积含水量；
θr为残余含水量；
θs为最小吸力含水量；
af，nf和mf分别为土水特征曲线的拟合参数，土体孔压PP＝ua－uw，其中ua为土体的孔隙气压力，uw为土体的孔隙水压力。

式中ks为土体饱和状态下的渗透系数；
k′s为土体非饱和状态下的渗透系数。

FLAC3D软件二次开发流程如图1所示。基本思路是根据土水特征曲线、饱和渗透系数与非饱和渗透系数之间的关系确定孔压、渗透系数之间的对应关系，其优势在于FLAC3D软件二次开发过程中跳过饱和度的计算，实现在降雨入渗过程中利用边坡岩土体单元孔压对其渗透系数进行控制，从而避免因软件中难以读取单元饱和度而增加软件模拟边坡岩土体渗透系数的问题。在降雨加载边坡坡面时，边坡表层土体的孔压边界条件需要修改，即降雨加载过程中，若边坡表层土体单元PP≥0时，设定对应土体单元的PP为0，否则PP值不变。

图1 饱和⁃非饱和土渗流分析软件二次开发流程

广西百色市隆林各族自治县进城大道工程路堑边坡表面主要以粉质黏土为主，下伏基岩为强风化泥岩，边坡具体尺寸如图2所示。因连续强降雨，K1＋710段右侧路堑多级高边坡坡顶部分土体发生滑坡，且滑坡仍在继续发展，但未形成整体滑动。为避免路堑边坡持续滑坡，亟需对现阶段状态的路堑边坡制定滑坡治理方案。

图2 路堑高边坡原地面线与设计开挖示意（单位：m）

边坡开挖设计方案为放坡，第1级边坡坡度比为1∶1，第2～6级边坡坡度比为1∶1.25，第1～5级边坡高度为10 m，第6级边坡坡高为11.7 m。由于研究对象所处位置常发生强降雨，在确定边坡治理方案时，需要考虑降雨对支护边坡稳定性的影响。根据边坡所处区域，本文选取当地极端的降雨情况，即降雨强度10 mm／h，持续降雨时长设置为4 d。路堑边坡岩土体的物理力学参数以及根据式（1）测定的土水特征曲线相关参数见表1。

表1 岩体物理力学参数及SWCC拟合参数

3.1 原设计边坡稳定性分析

根据原设计边坡图纸构建边坡数值计算模型，模型左边高40 m、右边高101.7 m，边坡计算模型地下水位的左边界高30 m、右边界高60 m，模型边界条件：模型左右两边设置为水平约束，模型前后两边设置为水平约束，模型底部设置为固定约束，模型顶部为自由端。

分析边坡稳定性时考虑在地下水影响下边坡孔压（如图3所示）的作用，由于边坡岩土体具有一定孔隙率，地下水位以下的岩土体重度相对于岩土体干密度较重，其计算公式如式（4）所示。FLAC3D软件计算分析边坡稳定系数时，可通过强度折减法计算边坡稳定安全系数（如图4所示）。

图3 地下水作用下路堑高边坡内部初始孔压图

图4 地下水作用下路堑高边坡剪切应变图

式中ρs为不同饱和度下的土体密度；
ρd为土体干密度；
ρw为雨水密度；
n为土体孔隙率；
s为土体饱和度。

由图3和图4可知，利用本文自编的FISH语言对FLAC3D软件进行二次开发能够有效地模拟地下水作用下边坡的孔隙水压力分布，其孔压分布情况基本与实际情况相符合。结合式（4）并利用FLAC3D软件可得出边坡稳定性安全系数值和边坡剪切应变云图，边坡安全系数值为1.23，大于路堑高边坡设定的安全系数规范标准值1.20，所以原设计边坡在自然状况下处于安全稳定状态。边坡剪切应变云图贯穿整个边坡内部，但其剪切应变位置与边坡表面较为接近，在特殊降雨条件或其他工况条件下，边坡有可能出现局部滑坡的情况。

3.2 降雨工况下原设计边坡孔压变化与稳定性分析

为进一步分析极端降雨条件下原设计边坡的稳定性情况，以拟定的开挖支护方案为依托，根据FLAC3D软件自带的FISH语言进行编程模拟边坡的极端降雨工况。降雨条件加载在边坡坡面上和坡顶处，并忽略道路路面降雨入渗对计算模型孔隙水压力的影响。降雨条件下边坡内部孔压分布情况如图5所示，剪切应变云图如图6所示。

图5 降雨工况下路堑高边坡内部孔压分布图

图6 降雨工况下路堑高边坡剪切应变云图

对比图3和图5可知，与自然条件对比，极端降雨工况下，路堑高边坡内部孔压发生了较大变化，主要表现在降雨工况下路堑高边坡二级台阶以下的边坡表面有一定积水，二级台阶以上边坡表面孔压为0。边坡内部孔压的变化使得边坡内部岩土体重度增加，边坡内部负孔隙水压力范围大幅度增加，它的变化规律基本符合降雨过程边坡内部孔隙水压力变化的实际情况。

对比图4与图6可知，极端降雨工况下，路堑高边坡剪切应变云图的滑裂面从原来的坡底至坡顶贯通转变成第四级边坡台阶至坡顶贯通，安全系数由1.23降至1.15，所以此时边坡第四级台阶以上边坡土体处于失稳状态，边坡第四级台阶岩土体易发生局部滑坡，需要对原设计路堑高边坡制定支护方案，防止边坡滑坡土体在持续降雨条件下继续发育。

3.3 降雨工况边坡支护方案的稳定性分析

原有边坡共6级，边坡高度61.7 m。由于路堑高边坡第四级边坡部分土体发生滑坡，并有继续发育的趋势，根据该边坡工程现状和地质条件，提出了放坡＋锚杆支护的治理方案并分析其在强降雨条件下边坡稳定性状况。根据相关文献，锚杆支护最佳倾角为28°，并选择长短相间的支护形式［11⁃13］，具体支护方案如图7所示，锚杆物理力学参数如表2所示。利用前述极端降雨工况的同等降雨条件加载在治理后的边坡坡面上进行边坡孔隙水压力计算和稳定性分析，判定支护方案的合理性。支护后的边坡孔压分布及边坡剪切应变云图分别见图8和图9。

表2 锚杆物理力学参数

图7 路堑高边坡的支护方案设计局部示意

对比图5和图8可知，放坡之后路堑高边坡局部坡面变低，使得同等降雨条件下边坡内部负孔隙水压力值降低。对比图6和图9可知，放坡＋锚杆支护后路堑高边坡内部剪切应变位置由边坡表面向边坡内部转

图8 降雨工况下支护后路堑高边坡孔压分布图

图9 降雨工况下支护后路堑高边坡剪切应变云图

变，其安全系数由1.15增至1.43。综上所述，采用放坡＋锚杆支护形式能够确保路堑高边坡在当地极端降雨条件下安全稳定。

1）为解决FLAC3D软件模拟流固耦合过程难度较大的问题，结合边坡土体土水特征曲线函数、非饱和土与饱和土渗透系数之间的关系，建立非饱和土渗透系数与基质吸力之间的函数关系，并通过FISH语言对FLAC3D软件进行二次开发实现模拟降雨条件下边坡的安全稳定性。

2）确定了非饱和土渗透系数值，降雨条件下模拟边坡内部孔压变化过程中，极端降雨条件下，原设计边坡内部负孔隙水压力迅速增加，采用放坡＋锚杆支护方式能够有效降低路堑高边坡负孔隙水压力值。

3）极端降雨条件下，原设计边坡在第四级台阶处发生局部滑坡，利用FLAC3D软件二次开发模拟结果与实际相符；
采用放坡＋锚杆支护，同等降雨条件下安全系数由1.15增至1.43，确保支护后的边坡安全稳定。

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