李曉楊

（1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510060；2.廣東省大壩安全技術(shù)管理中心，廣東 廣州 510635）

0 引言

對(duì)于含蝕變帶的巖質(zhì)邊坡，隨著原有的錨桿或錨網(wǎng)噴支護(hù)逐漸喪失錨固能力，蝕變帶周圍巖體出現(xiàn)局部的滑移垮塌，導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)下降[1]。對(duì)于含軟弱夾層或結(jié)構(gòu)面的邊坡穩(wěn)定性，許多學(xué)者對(duì)此開(kāi)展研究：李龍起等[2]對(duì)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)模擬試驗(yàn)，對(duì)巖土體內(nèi)部的軟弱夾層的貫通方式進(jìn)行研究；范剛等[3]基于希爾伯特—黃變換和邊際譜理論，根據(jù)建立的邊坡振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)裝置，構(gòu)建含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡破壞方式的能量判據(jù)；張社榮等[4]采用極限平衡法及強(qiáng)度折減法，對(duì)含多層軟弱結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡的變形特征及失穩(wěn)機(jī)理開(kāi)展研究；丁立明等[5]采用ANSYS有限元軟件對(duì)含軟弱夾層的露天礦坑邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析；秦鴻等[6]對(duì)于軟弱夾層不同力學(xué)條件的多種工況進(jìn)行有限差分分析，得到各影響因素的不同影響程度；郝亞飛等[7]針對(duì)爆破作用下，含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性及巖層爆裂特征進(jìn)行分析；范剛、張建經(jīng)等[8]為研究軟弱夾層對(duì)動(dòng)力頻譜的傳遞特征，基于傳遞函數(shù)相關(guān)理論并結(jié)合振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)，建立含軟弱夾層傳遞函數(shù)；芮勇勤等[9]針對(duì)露天礦坑邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行研究，基于軟弱夾層的非線性蠕變特性，建立修正軟弱夾層流變方程，研究含軟弱夾層邊坡的長(zhǎng)期變形特征；年廷凱等[10]以含軟弱夾層邊坡為研究對(duì)象，基于有限元強(qiáng)度折減法，建立含軟弱夾層的邊坡三維分析模型；田小甫、孫進(jìn)忠等[11]采用離散元分析方法，針對(duì)不同的軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，分析地震作用下巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。上述學(xué)者針對(duì)含軟弱夾層或結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性及地震響應(yīng)特性開(kāi)展分析，采用數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)及振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)等多種方式，但對(duì)于含蝕變帶作用下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性缺乏必要的分析，以及對(duì)蝕變帶的不同位置、分布特征等具體工況文獻(xiàn)涉及較少。本文針對(duì)不同蝕變帶賦存狀態(tài)，采用有限元極限平衡法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性開(kāi)展分析，研究不同位置及多種分布特征的蝕變帶對(duì)邊坡的穩(wěn)定性的影響特征。

1 蝕變帶邊坡模型

金屬礦山地質(zhì)成礦時(shí)期，地球內(nèi)部熱液與圍巖發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致巖土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、礦物組分等性質(zhì)產(chǎn)生根本改變，并形成帶狀分布的蝕變帶。由于蝕變帶的力學(xué)強(qiáng)度較低，受外力極易破碎，甚至呈粉末狀。因此在分析過(guò)程中蝕變帶看作為軟弱結(jié)構(gòu)面，但同時(shí)蝕變帶具有一定的厚度，一般不與地表貫通，且在金礦開(kāi)采過(guò)程中往往不對(duì)蝕變帶進(jìn)行揭露。

為研究蝕變帶位置、分布及形態(tài)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，建立150×120邊坡數(shù)值計(jì)算模型，邊坡角為48°。邊坡模型計(jì)算邊界條件為邊坡兩側(cè)對(duì)x方向固定，邊坡底部約束所有方向自由度均被約束。邊坡巖土體本構(gòu)模型為Mohr-coulomb模型，材料強(qiáng)度參數(shù)如表1所示。

對(duì)蝕變帶不同工況進(jìn)行分析，主要考慮以下蝕變帶特征：

工況一：考慮不同蝕變帶位置，分別考慮蝕變帶完全位于滑坡帶內(nèi)部及完全處于外部，以及蝕變帶形心位于80 m、30 m不同高程位置進(jìn)行分析，蝕變帶形狀為長(zhǎng)10 m、寬30 m的矩形；

工況二：對(duì)蝕變帶的傾斜角度，分別考慮蝕變帶傾角為0°、30°、45°、60°、90°、120°條件，分析邊坡穩(wěn)定性。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 不同蝕變帶位置

分析方法采用Morgenstern-Price法[12]，根據(jù)力的平衡原理可得，與滑動(dòng)面垂直方向的靜力平衡方程為：

式中：傾角為βi，條塊自重為Gi，外荷載為Qi，條間法向力為Ei，力平衡系數(shù)為μ，條間法向力與切向力關(guān)系函數(shù)為g（x），法向力與切向力之間關(guān)系為Y=μg（x），水壓力為 Ui。

對(duì)無(wú)蝕變帶及5種不同蝕變帶位置的邊坡模型進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

圖1 不同蝕變帶位置邊坡安全系數(shù)

表1 材料強(qiáng)度參數(shù)

根據(jù)表2及圖1可以得到：當(dāng)蝕變帶位于滑坡體內(nèi)，邊坡的安全系數(shù)高于無(wú)蝕變帶條件，原因在于蝕變帶的存在使得滑坡體的總體重量減小，因此滑坡體的下滑力減小，在一定范圍內(nèi)，蝕變帶體量越大對(duì)邊坡的穩(wěn)定性越好。

表2 不同蝕變帶位置計(jì)算結(jié)果

對(duì)于蝕變帶形心位置，當(dāng)位于邊坡體中部時(shí)，邊坡安全系數(shù)分別為2.54、2.55，可以認(rèn)為無(wú)變化，但當(dāng)蝕變帶與滑坡帶存在一定重合時(shí)，蝕變帶的存在導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)小于無(wú)蝕變帶情況；當(dāng)蝕變帶位于坡體下部且與滑坡體存在重合時(shí)，會(huì)導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性降低，發(fā)生滑坡的概率高于無(wú)蝕變帶及蝕變帶位于中部的情況，但當(dāng)蝕變帶與滑坡體存在一定距離時(shí)，邊坡安全系數(shù)為2.64，可以認(rèn)為與無(wú)蝕變帶情況邊坡安全系數(shù)2.63無(wú)變化。

2.2 蝕變帶分布特征

根據(jù)對(duì)工況一的分析結(jié)果，蝕變帶與滑面帶相交時(shí)，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較大。因此，對(duì)于工況二分析蝕變帶的傾斜角度，僅考慮蝕變帶與滑坡帶相交的情況，分別考慮蝕變帶傾角為0°、30°、45°、70°、90°、120°條件。

表3為不同蝕變帶角度計(jì)算結(jié)果。

由表3及圖2所示，蝕變帶傾角對(duì)邊坡的安全系數(shù)產(chǎn)生不利影響，當(dāng)蝕變帶傾角為45°時(shí)，降低幅度最大可達(dá)25.48%；當(dāng)傾角小于45°時(shí)，邊坡安全系數(shù)隨著蝕變帶傾角的增大而逐漸減小，滑坡發(fā)生概率增大；當(dāng)傾角大于45°時(shí)，邊坡安全系數(shù)隨著傾角的增大而增大，邊坡穩(wěn)定性較好。

圖2 不同蝕變帶傾角邊坡安全系數(shù)

蝕變帶的存在極易導(dǎo)致巖質(zhì)邊坡的局部失穩(wěn)滑移，嚴(yán)重威脅邊坡的安全。通過(guò)對(duì)蝕變帶位置及傾角對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響分析，當(dāng)蝕變帶與滑坡帶相交時(shí)，且蝕變帶傾角處于40°～50°范圍內(nèi)時(shí)，邊坡處于最不安全狀態(tài)。因此，對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性分析應(yīng)充分勘探坡體內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造。

3 結(jié)論

對(duì)不同蝕變帶工況影響下的邊坡穩(wěn)定性開(kāi)展分析，分別考慮不同蝕變帶位置、蝕變帶的傾斜角度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，采用半正弦函數(shù)的Morgenstern-Price法得到不同工況的安全系數(shù)，可以得到如下結(jié)論：

（1）蝕變帶存在于滑坡體內(nèi)，有利于邊坡的穩(wěn)定性；蝕變帶與滑坡體存在一定的重合，對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響；當(dāng)蝕變帶與滑坡體存在一定的距離，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性幾乎不產(chǎn)生影響。

（2）蝕變帶傾角對(duì)邊坡安全系數(shù)產(chǎn)生明顯的影響，當(dāng)傾角為45°時(shí)，邊坡安全系數(shù)最低，考慮巖質(zhì)邊坡的實(shí)際情況，在工程實(shí)踐中可以認(rèn)為，當(dāng)40°＜傾角α＜50°時(shí)，安全系數(shù)急劇下降，邊坡處于最不安全狀態(tài)。

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