基于FLAC強(qiáng)度折減法的江蘇田灣核電站巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析

1、第28卷第8期地質(zhì)通報Vol28，No8Aug.，20092009年8月GEOLOGICALBULLETINOFCHINA基于FLAC強(qiáng)度折減法的江蘇田灣核電站巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析陳立偉，呂濤，楊球玉，耿學(xué)勇CHENLi-wei,L譈Tao,YANGQiu-yu,GENGXue-yong中國核電工程有限公司，北京100084ChinaNuclearPowerEngineeringCo.Ltd.,Beijing100084,China摘要：為了評價田灣核電站巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性，應(yīng)用有限差分強(qiáng)度折減法，對該核電站三、四期工程人工邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了計算分析，并與傳統(tǒng)的極限平衡法的計算結(jié)果進(jìn)行了對比。

2、結(jié)果表明，由于有限差分強(qiáng)度折減法克服了極限平衡法未能考慮材料本構(gòu)關(guān)系的不足，因而更能貼近實際模擬分析邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，求得的邊坡穩(wěn)定系數(shù)更為合理。關(guān)鍵詞：有限差分法；強(qiáng)度折減；邊坡穩(wěn)定性分析；穩(wěn)定系數(shù)中圖分類號：P694文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1671-2552（2009）08-1103-05ChenLW,LüT,YangQY,GengXY.AnalysisonhighrockslopestabilityinTianwannuclearpowerplant,JiangsuProvince,China,basedonFLACstrengthreductiontheory.Geologic

3、alBulletinofChina,2009,28(8):1103-1107Abstract:InordertoevaluatehighrockslopestabilityofTianwanNuclearPowerPlant(NPP),byusingthefinitedifferentialstrengthreductionmethod,inthispapertheauthorshavecalculatedandanalyzedthestabilityoftheartificialslopestabilityofthe3rdand4thphaseofthisproject.Comparedto

4、theresultswiththatofthetraditionallimitequilibriummethod,itcanbefoundthatthefi-nitedifferentialstrengthreductionmethodcansimulatetheslopesstabilitybetter,alsobecausethattheconstitutiverelationsofgeotechnicalmaterialsisconsidered,asaresult,thusstabilitycoefficientsobtainedaremorereasonable.Keywords:f

5、initedifferentialstrengthreductionmethod;strengthreduction;slopestabilityanalysis;stabilitycoefficient田灣核電站是中國“九五”計劃開工的重點核電建設(shè)工程之一，廠址位于江蘇省連云港市連云區(qū)田灣。廠區(qū)最初是按4臺百萬千瓦級核電機(jī)組進(jìn)行規(guī)劃的，其中一期的2臺機(jī)組已正式投入商運，目前三、四期核電機(jī)組（58號機(jī)組）也正在規(guī)劃建設(shè)中。廠址位于后云臺山南麓，在地貌單元上屬于低山丘陵區(qū)，廠坪開挖至設(shè)計標(biāo)高后，將在廠區(qū)的北側(cè)形成高84108m的永久性邊坡（圖1），邊坡長約350m，走向NE60°，綜合

6、坡角為50°。按照目前三、四期總體規(guī)劃，北邊坡為與核安全相關(guān)的斜坡，在抗震設(shè)計方面有著特殊的要求，對于邊坡的整體穩(wěn)定性，設(shè)計必須做到萬無一失。根據(jù)收稿日期：2009-05-20；修訂日期：2009-06-15核電廠抗震設(shè)計規(guī)范（GB50267-97）1，對于與核安全相關(guān)的斜坡，地震作用應(yīng)根據(jù)核電廠的極限安全地震動(萬年一遇)確定，在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算時，“地震作用中的水平地震系數(shù)宜取0.3，豎向地震系數(shù)宜取0.2”。因此，對于這一高度超過100m的高陡邊坡在遭受罕遇地震時能否依然保持整體穩(wěn)定（規(guī)范1要求穩(wěn)定性系數(shù)大于1.5）是設(shè)計人員必須慎重對待的問題。為此，必須選取成熟可靠的計算方

7、法對該邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析和評價。極限平衡法是當(dāng)前國內(nèi)外最廣泛采用的邊坡穩(wěn)定性分析方法，是傳統(tǒng)方法的代表2-9。多數(shù)建立在極限平衡理論基礎(chǔ)上的邊坡穩(wěn)定性分析方法，在假1104地質(zhì)通報GEOLOGICALBULLETINOFCHINA2009年圖1邊坡位置示意圖Fig.1Locationmapoftheslope定合理的情況下，計算結(jié)果與精確解非常接近。但是還存在未能考慮材料內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和開挖施工過程對邊坡穩(wěn)定性的影響等缺憾。為此，筆者借助數(shù)F（1）c=c/F,tan=tan/F然后再將c、作為材料新的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計算，當(dāng)邊坡巖土體符合給定的臨界破壞狀態(tài)判定條件時，對應(yīng)的F稱為邊坡的最

8、小安全系數(shù)。對于巖土材料，最適用的強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則為莫爾-庫侖準(zhǔn)則，其在二維應(yīng)力空間的表達(dá)式為FLAC（有限差分法）軟件，應(yīng)用強(qiáng)度折減法對田灣核電站三、四期工程人工邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了計算和分析，并與幾種極限平衡法的計算結(jié)果進(jìn)行對比，為邊坡設(shè)計提供了可靠的參考依據(jù)。1FLAC強(qiáng)度折減法簡介FLAC是一種基于顯式有限差分方法的商用計算軟件10，由ITASCA咨詢有限公司研制開發(fā)。顯式有限差分法的特點在于數(shù)值計算中無需組裝龐大的整體單元剛度矩陣，具有存儲量小、計算速度快和不存在計算收斂性問題的優(yōu)點。目前，在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問題的范疇內(nèi)，顯式有限差分法已經(jīng)被證明具有與有限元法同樣準(zhǔn)確的計算結(jié)果11。該方法能較

9、好地模擬巖土材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時發(fā)生塑性流動的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進(jìn)破壞、失穩(wěn)和模擬大變形問題。目前強(qiáng)度折減法已被證實是一種有效求解邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的方法12，且物理意義明確。其基本原理是將巖土體強(qiáng)度指標(biāo)c、值同時除以一個折減系=c+ntan當(dāng)對材料進(jìn)行強(qiáng)度折減時，則有（2）（3）=c/F+ntan/F應(yīng)力。式中：為材料的抗剪強(qiáng)度，n為作用在滑面上的正有限差分強(qiáng)度法在搜索滑面的同時，考慮了巖土體內(nèi)部應(yīng)力的重分布和協(xié)調(diào)變形，不需要做任何假定就能求得邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，并能準(zhǔn)確找到對應(yīng)的滑面位置。對于邊坡的整體失穩(wěn)，經(jīng)典的極限平衡理論常常假定滑面上每點都處于極限平衡狀態(tài)，即滑面出現(xiàn)了塑性

10、區(qū)貫通，但這僅僅是破壞的必要條件，而非充分條件，只是表征著漸進(jìn)破壞的開始。因此，邊坡是否發(fā)生了整體破壞，還要看滑面上每點的應(yīng)變是否也都達(dá)到極限應(yīng)變狀態(tài)12。FLAC程序則正是將塑性區(qū)從坡角到坡頂上下貫通，并且坡體的運第28卷第8期陳立偉等：基于FLAC強(qiáng)度折減法的江蘇田灣核電站巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析1105動狀態(tài)發(fā)生突變，即由靜止轉(zhuǎn)為運動作為邊坡的失穩(wěn)判據(jù)，計算時表現(xiàn)為產(chǎn)生較大的不平衡力。2邊坡工程地質(zhì)條件定性地分析工程地質(zhì)條件中各因素對邊坡穩(wěn)定性的影響，可以從宏觀的角度把握各要素的地位和作用，并使之合理地體現(xiàn)到地質(zhì)模型中，為邊坡的穩(wěn)定性計算數(shù)值力學(xué)建模提供依據(jù)。2.1地形地貌邊坡區(qū)屬低山丘陵區(qū)

11、，邊坡開挖后，在其影響范圍（1倍坡高）內(nèi)，山體標(biāo)高不超過150m，坡頂?shù)匦屋^平緩，自然坡度一般不超過25°，有利于邊坡的整體穩(wěn)定。2.2地層巖性構(gòu)成邊坡坡體的主要地層的巖性為微風(fēng)化二長淺粒巖，巖質(zhì)堅硬，巖體完整程度多屬較完整完整，僅局部為破碎，巖體的質(zhì)量等級為級，因此這是對邊坡穩(wěn)定性影響非常有利的條件。另外，邊坡區(qū)測繪和鉆探過程中還揭露出少量綠泥石片巖，其工程力學(xué)性質(zhì)較差，在近地表處風(fēng)化強(qiáng)烈，遇水易軟化。但由于綠泥石片巖多呈脈狀或條帶狀分布，且以陡傾狀產(chǎn)出，傾角7882°，寬度一般不超過0.5m，因此綠泥石片巖對邊坡的整體穩(wěn)定性不會構(gòu)成威脅。2.3地質(zhì)構(gòu)造（1）結(jié)構(gòu)面。根據(jù)

12、調(diào)查，邊坡區(qū)共發(fā)育3組優(yōu)勢節(jié)理面，延伸規(guī)模為差中等，傾角近直立，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀有利于邊坡的整體穩(wěn)定；節(jié)理裂隙只在近地表處較為發(fā)育，深部巖體完整性好，多為整體塊狀結(jié)構(gòu)。因此可以認(rèn)為，這3組結(jié)構(gòu)面的存在不影響邊坡巖體的均勻性，且不會構(gòu)成邊坡整體滑動的通道。（2）破碎帶。北邊坡頂部發(fā)育有2條破碎帶，走向與北邊坡近平行，距坡頂邊緣最近距離約10m。破碎帶主要由微晶高嶺土和二長淺粒巖巖塊組成，極少地段夾有綠泥石片巖，帶內(nèi)巖體多呈強(qiáng)風(fēng)化狀、土狀或塊狀，并夾中等風(fēng)化巖塊，工程力學(xué)性質(zhì)較差；受其影響，兩側(cè)巖體的質(zhì)量等級也相對較低。因此這將是影響邊坡穩(wěn)定性的最不利的因素，在地質(zhì)模型中應(yīng)給予充分考慮。2.4水文地質(zhì)條

13、件邊坡區(qū)地表水主要為降雨后的坡面徑流。北邊坡坡頂?shù)臎_溝是北部匯水區(qū)的主要排泄通道，根據(jù)地形，即使在暴雨期沖溝也不會有積水，雨水會順著沖溝向西部低洼地段排泄。邊坡區(qū)地下水貧乏，沒有固定的地下水位，且?guī)r體深部的結(jié)構(gòu)面多為閉合狀態(tài)，透水性差，因此在做好防水和排水措施的情況下，不會對邊坡穩(wěn)定性造成不利的影響。3邊坡地質(zhì)模型結(jié)合邊坡區(qū)的工程地質(zhì)條件，在建立地質(zhì)模型時主要把握以下幾條原則：由于邊坡區(qū)出露地層巖性單一，開挖后坡體延展較遠(yuǎn)、坡形規(guī)整，因此可以選取若干具有代表性的地段進(jìn)行建模分析。為更好地反映初始地應(yīng)力對邊坡開挖及開挖后邊坡穩(wěn)定性的影響，地質(zhì)模型的地面形態(tài)以原始地形為準(zhǔn)。為便于力學(xué)和數(shù)值建模分析

14、應(yīng)用，可對地質(zhì)模型進(jìn)行局部簡化，如分布于表部較薄的坡殘積覆蓋層和風(fēng)化層，由于對邊坡的穩(wěn)定性影響較小，可以忽略不計。從工程安全的角度考慮，對于難以用勘查手段直接界定的工程力學(xué)性質(zhì)較差的地質(zhì)體，按照合理保守的原則進(jìn)行處理。影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素有坡形、坡高、地層巖性、地下水、結(jié)構(gòu)面的組合情況等,考慮到在工程地質(zhì)條件上的相似性，只需選取坡體相對較高、坡形較陡的若干個斷面進(jìn)行建模分析。限于篇幅，本文以北邊坡的A-A剖面為例進(jìn)行討論分析，剖面位置見圖1。A-A剖面在坡頂位置存在一電法低阻區(qū)，結(jié)合工程地質(zhì)測繪，可以判斷出是由2條破碎帶及其影響帶引起的，且2條破碎帶在剖面上呈八字型，外側(cè)影響帶的寬度是根據(jù)

15、高密度電法的測試結(jié)果確定的。建立的地質(zhì)模型見圖2。巖體材料參數(shù)結(jié)合了大量室內(nèi)試驗及原位測試結(jié)果，在對巖體進(jìn)行綜合評價的基礎(chǔ)上偏保守地取值，見表1。表1邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)Table1Physico-mechanicalparametersofsloperockmass1106地質(zhì)通報GEOLOGICALBULLETINOFCHINA2009年圖2A-A剖面地質(zhì)模型Fig.2GeologicalmodelofsectionA-A圖3邊坡的速度矢量圖圖5邊坡的剪應(yīng)變率云圖Fig.3VelocityvectorgraphoftheslopeFig.5Shearstrainratenephogramo

16、ftheslope圖4邊坡的x方向速度云圖Fig.4xdirectionvelocitynephogramoftheslope圖6邊坡的塑性區(qū)分布圖Fig.6Distributionofplasticzoneoftheslope4.1邊坡穩(wěn)定性計算邊界條件計算模型的截斷邊界取邊坡高度的11.5倍距邊界。4.2計算分析步驟為了比較準(zhǔn)確地分析邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性，計算步驟如下。（1）構(gòu)造自然山體地應(yīng)力場計算中近似假定地應(yīng)力場的垂直分量y=pgh。離，多次試算結(jié)果表明可以滿足精度要求。模型左、右兩側(cè)為水平向約束，底部為豎向約束，頂部為自由第28卷第8期陳立偉等：基于FLAC強(qiáng)度折減法的江蘇田灣核

17、電站巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析1107其中，p為巖體密度、g為重力加速度、h為巖體介質(zhì)點的埋深。在邊坡開挖前，照此簡化假定，構(gòu)造出自然山體內(nèi)的地應(yīng)力場。由于構(gòu)造應(yīng)力場不易測得，故只考慮了重力場。（2）人工邊坡開挖按照設(shè)計的邊坡線進(jìn)行開挖，通過數(shù)值仿真分析，求得邊坡開挖穩(wěn)定后的二次應(yīng)力分布，以此作為施加地震荷載前的初始應(yīng)力場。（3）施加地震力將地震作用簡化為水平與豎向的地震慣性力，然后作用于計算模型中；計算中考慮2個方向的不利組合。4.3計算結(jié)果通過上述步驟，可以比較貼近工程實際地對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，最終求得A-A剖面的穩(wěn)定系數(shù)為2.48，遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的抗滑穩(wěn)定系數(shù)1.5，說明邊坡具有較高的安全儲

18、備。圖3至圖6給出了強(qiáng)度折減后邊坡出現(xiàn)整體失穩(wěn)時的部分結(jié)果。圖3和圖4表明，邊坡整體失穩(wěn)時，坡體將不再處于靜止?fàn)顟B(tài)，而會沿著最危險的滑面發(fā)生滑動；由圖5可以看出，2條破碎帶是剪應(yīng)變最為集中的地方，反映出在邊坡失穩(wěn)時它們最可能成為滑動面的一部分；當(dāng)坡腳處產(chǎn)生的剪切破壞帶逐漸發(fā)展并與破碎帶貫通時，邊坡即發(fā)生失穩(wěn)，對應(yīng)的塑性區(qū)見圖6。將幾種極限平衡法與本文方法的計算結(jié)果進(jìn)行對比表明，有限差分強(qiáng)度折減法與幾種經(jīng)典的極限平衡法計算得出的邊坡穩(wěn)定系數(shù)相差不大（表2），且搜索出的最危險滑面的位置也基本一致。因此，采表2A-A剖面穩(wěn)定性計算結(jié)果對比Table2Comparisonofslopestabilit

19、yofsectionA-A用有限差分強(qiáng)度折減法對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計算和分析，得出的結(jié)論是合理可信的。而且，有限差分法不僅考慮了原巖應(yīng)力場的影響，還考慮了單元破壞后應(yīng)力的重分布和協(xié)調(diào)變形，克服了傳統(tǒng)的極限平衡法未能考慮材料內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和無法模擬邊坡破壞的發(fā)生、發(fā)展過程的不足。5結(jié)論（1）有限差分強(qiáng)度折減法和多種滑動面法的計算分析結(jié)果表明，田灣核電站三、四期人工邊坡的整體穩(wěn)定系數(shù)大于1.5，能夠滿足規(guī)范要求。（2）有限差分法考慮了原巖應(yīng)力場的影響和單元破壞后應(yīng)力的重分布、協(xié)調(diào)變形，克服了極限平衡法未能考慮材料本構(gòu)關(guān)系的不足，求得的邊坡穩(wěn)定系數(shù)更為合理。參考文獻(xiàn)1中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)：核電廠抗震設(shè)計規(guī)范（GB50267-97）