降雨條件下某露天礦不同荷載作用的邊坡穩(wěn)定性分析*

劉骎,張千俊,郭沙,王文通

(1.中國(guó)黃金集團(tuán)有限公司,北京 100011;2.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,四川 綿陽(yáng)市 621000)

0 引言

隨著我國(guó)采礦行業(yè)的飛速發(fā)展,露天礦山的數(shù)量也在急劇增多,而邊坡在施工工程中經(jīng)常發(fā)生坍塌、滑坡等災(zāi)害,因此,邊坡的穩(wěn)定性也成為眾多學(xué)者研究的焦點(diǎn)。降雨作為誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要因素[1-2],是眾人研究邊坡穩(wěn)定性的主要方向。為保證邊坡施工的安全性,對(duì)降雨條件下礦山不同荷載作用的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行安全評(píng)價(jià)是十分必要的。

目前,國(guó)內(nèi)外已有諸多學(xué)者開展了降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性分析。左韻琳等[3]分析了某滑坡在自然狀態(tài)和降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性,并針對(duì)邊坡特點(diǎn)提出了防范措施;鄭開歡、曾強(qiáng)等[4-5]分析了降雨之后巖體內(nèi)不同時(shí)間段的滲流飽水狀態(tài)和瞬態(tài)孔隙水壓力分布,利用孔壓與應(yīng)力耦合作用,研究了降雨后滑坡的發(fā)生機(jī)理;毛雪松、付宏淵等[6-7]通過數(shù)值模擬軟件,對(duì)降雨入滲條件下邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的下降情況進(jìn)行了研究;姚奇等[8]結(jié)合物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段研究德興銅礦在強(qiáng)降雨和開挖卸荷耦合作用下邊坡的變形演化規(guī)律和演化機(jī)制;李曉蓮等[9]以碎石土邊坡為例,研究了降雨、地震及降雨和地震耦合作用等不同極限工況下的邊坡穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)降雨會(huì)先快速降低、后緩慢降低邊坡穩(wěn)定性,地震會(huì)拉裂坡頂,坡腳出現(xiàn)剪切破壞,邊坡巖體含水量的增加會(huì)極大地加強(qiáng)地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

本文運(yùn)用快速拉格朗日法(FLAC 法)計(jì)算邊坡典型剖面開挖完成后在不同工況下的安全系數(shù),研究其應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律,確定3種工況下邊坡安全系數(shù)和邊坡穩(wěn)定性,并分析地下水位升降對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,為后續(xù)礦山的正常施工提供理論依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

西北某礦區(qū)地表出露地層如下。

(1) 第四系土層(Q4):第四系殘坡積層(Q4el+dl),主要分布于礦區(qū)西北側(cè)林山灣區(qū)域。

(2) 二疊系(P):二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)。

灰?guī)r:淺灰-灰色中至厚層狀粉晶灰?guī)r,夾雜少量泥質(zhì)灰?guī)r、方解石團(tuán)塊,顯水平層理,具縫合線構(gòu)造,鉆探深度范圍內(nèi)按其風(fēng)化程度可分為強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中等風(fēng)化泥巖2個(gè)亞層。

強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r(③-1):巖芯較破碎,呈柱狀及短柱狀,巖質(zhì)較軟。

中等風(fēng)化灰?guī)r(③-2):巖質(zhì)相對(duì)較硬,在場(chǎng)地內(nèi)不均勻分布破碎夾層及透鏡體,巖芯呈短柱狀、長(zhǎng)柱狀,該層厚度大,未揭穿。

礦山受降雨影響,易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn),故在本次模擬開始之前進(jìn)行了一系列室內(nèi)試驗(yàn),獲得各巖層在天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)下的巖石力學(xué)參數(shù),最終得到的巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

體積模量與剪切模量依據(jù)式(1)、式(2)進(jìn)行換算:

式中,G為體積模量,MPa;E為彈性模量,MPa;v為泊松比;K為剪切模量,MPa。

2 模型建立

2.1 計(jì)算剖面的選取

為了能更準(zhǔn)確地反映出該礦區(qū)的穩(wěn)定性,選取典型剖面1-1進(jìn)行分析(以下簡(jiǎn)稱剖面1),剖面1邊坡高度為195 m,巖層分布較為均勻,剖面具體位置如圖1所示。

圖1 剖面位置

2.2 基本假定

(1) 本次計(jì)算采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,各巖層為各向同性的彈塑性材料。

(2) 根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況,礦區(qū)內(nèi)地層單一,呈單斜產(chǎn)出,礦區(qū)附近并無(wú)斷層、褶皺等構(gòu)造。因此,忽略斷層、節(jié)理裂隙等不連續(xù)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響[10]。

(3) 采用擬靜力法分析邊坡在爆破與地震作用下的效應(yīng)。

(4) 邊界條件:固定其左、右邊界在X方向上的位移,約束底部邊界,其余邊界采用自由邊界,只考慮重力場(chǎng)的影響,不考慮其他外力場(chǎng)的影響。

2.3 本構(gòu)模型

數(shù)值模擬采用的本構(gòu)模型為:

式中,σ1為最大主應(yīng)力,MPa;σ3為最小主應(yīng)力,MPa;c為材料黏聚力,MPa;φ為材料內(nèi)摩擦角,(°);fs為破壞判斷系數(shù)。

2.4 數(shù)值建模

潘永堅(jiān)等[11]通過研究,在邊坡模型尺寸的選取上給了一定的建議,為了減弱邊界對(duì)模擬效果的影響,最終所采用的模型大小如圖2 所示。本文以Rhino輔助FLAC3D 完成建模,使用GRIDDLE 插件對(duì)邊坡周圍的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理,并輸出成為FLAC3D 網(wǎng)格,最終的計(jì)算模型如圖3所示。

圖2 模型尺寸

圖3 開挖前模型

2.5 FLAC3D流固耦合

當(dāng)使用FLAC3D 進(jìn)行流固耦合分析時(shí),往往需要耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間,但在工程計(jì)算中,可以采用不同程度的耦合方法來(lái)進(jìn)行分析,從而減少計(jì)算時(shí)間[12]。在進(jìn)行方法選擇時(shí),主要是由以下3個(gè)主要因素來(lái)決定。

(1) 問題的力學(xué)時(shí)標(biāo)與礦山特征時(shí)間之間的比值。

(2) 施加擾動(dòng)的屬性。

(3) 流圖剛度與土骨架的剛度比,稱為流固剛度比Rk。

本次模擬采用第3 種透水邊界來(lái)實(shí)現(xiàn)滲流過程,首先關(guān)閉力學(xué)計(jì)算打開滲流計(jì)算,形成穩(wěn)定的孔壓場(chǎng)之后關(guān)閉滲流計(jì)算,打開力學(xué)計(jì)算,從而實(shí)現(xiàn)一種假耦合計(jì)算模型。為減少形成穩(wěn)定滲流場(chǎng)的時(shí)間,本次試驗(yàn)采用的參數(shù)見表2,固定模型左、右邊界水頭高度,坡體表面固定為零孔壓邊界,最終生成的穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)如圖4所示。

圖4 穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)

表2 流體參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 開挖結(jié)果分析

由圖5可以看出,邊坡的位移主要集中在坡頂?shù)膹?qiáng)風(fēng)化區(qū)域,最大值為15.5 cm,變形量較小。邊坡表面也產(chǎn)生了小范圍位移,這主要是由于開挖卸荷過程中引起了巖體的應(yīng)力釋放,以及地下水位的變化,產(chǎn)生了小部分塑性回彈。

圖5 邊坡主位移

為了分析坡體應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律,在臨近坡面?zhèn)鹊钠麦w中沿不同高程設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),采集坡體的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù),處理后的結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 應(yīng)力分布

圖7 位移分布

由圖6可知,在邊坡坡面總應(yīng)力與剪應(yīng)力分布規(guī)律基本一致,呈不規(guī)則分布,在坡腳處應(yīng)力最大,在臺(tái)階階腳處的應(yīng)力較大,而在臺(tái)階面上的應(yīng)力較小,隨著高程的逐漸增大,應(yīng)力逐漸趨近于零。由圖7可知,水平位移在坡面呈先增加后減小的趨勢(shì),最大位移變形發(fā)生在坡腳第二臺(tái)階中風(fēng)化較完整處,位移量為3.17 cm,表明此處可能發(fā)生了剪切破壞,需要進(jìn)行加固處理。這主要是由于該臺(tái)階處為巖石破碎帶,力學(xué)性能較差。豎向位移最大為9 cm,發(fā)生在坡頂強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r位置,此處位移較大,可能發(fā)生局部破壞,隨著高程的逐漸增加,位移呈緩慢增大的趨勢(shì),符合一般邊坡變形規(guī)律。

3.2 終了邊坡穩(wěn)定性分析

本文按以下3種工況進(jìn)行模擬計(jì)算:降雨(地下水)、降雨(地下水)+爆破、降雨(地下水)+地震。礦區(qū)所屬的地區(qū)地震烈度為6度,通過式(4)可得礦區(qū)水平方向設(shè)計(jì)地震加速度,對(duì)于垂直方向上地震加速度,一般取值為水平設(shè)計(jì)地震加速度的2/3,爆破水平設(shè)計(jì)加速度參數(shù)通過式(5)可得,不考慮爆破水平設(shè)計(jì)加速度。

式中,F i為邊坡上某質(zhì)點(diǎn)i爆破震動(dòng)荷載的靜力等效值;αh為水平方向上的設(shè)計(jì)地震加速度代表值,對(duì)設(shè)計(jì)烈度為6,7,8,9度時(shí),分別取0.05g、0.1g(0.15g)、0.2g(0.3g)和0.4g;ξ為效應(yīng)折減系數(shù)值,除另有規(guī)定外,應(yīng)取0.25;G Ei為集中在邊坡上某質(zhì)點(diǎn)i的重力作用值;αi為邊坡上某質(zhì)點(diǎn)i的地震慣性力的動(dòng)態(tài)分布系數(shù),αi在設(shè)計(jì)烈度為7,8,9度時(shí),分別取3.0,2.5,2.0;g為重力加速度,取9.81 m/s2。

式中,β1 為爆破作用下的動(dòng)力折算系數(shù);W i為邊坡上第i條塊的巖體重量;αi為邊坡上第i條塊巖體中爆破震動(dòng)的峰值質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度;αi/g為爆破地震系數(shù)。

根據(jù)規(guī)范[13],確定該礦區(qū)露天礦邊坡危害等級(jí)為Ⅰ級(jí),邊坡工程安全等級(jí)為Ⅰ級(jí),該邊坡終了開采高度為100～300 m,邊坡地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜等級(jí)為中等復(fù)雜。不同的荷載組合邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)推薦值見表3。

表3 不同荷載組合總體邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)

由圖8至圖10可知,剖面1在3種工況下皆滿足設(shè)計(jì)要求,且有一定的富余量,表明該礦區(qū)邊坡皆處于穩(wěn)定狀態(tài),初步設(shè)計(jì)符合相關(guān)規(guī)范。

圖8 降雨工況

圖10 降雨+地震工況

3.3 地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為了研究地下水位升降對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,通過改變地下水左邊界水頭高度的方法來(lái)探究地下水在不同高度下對(duì)邊坡的影響大小。在天然狀態(tài)下最終結(jié)果如圖11所示(圖中橫坐標(biāo)0為最低開采平面)。

圖11 安全系數(shù)變化趨勢(shì)

由圖11可以看出,不同地下水位對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成一定影響,其安全系數(shù)從1.820下降至1.485。通過這些數(shù)據(jù)可以說(shuō)明,當(dāng)邊坡內(nèi)部地下水位在坡面以下時(shí),邊坡安全系數(shù)基本穩(wěn)定不變,對(duì)邊坡造成的影響并不大,當(dāng)?shù)叵滤簧咧烈欢ǜ叨葧r(shí),邊坡穩(wěn)定性將會(huì)迅速降低。因此,在實(shí)際工程中應(yīng)重視地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

4 結(jié)論

(1) 通過數(shù)值模擬手段,探究了邊坡坡面上應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律,應(yīng)力沿坡腳從下至上逐漸減小,在軟弱夾層及臺(tái)階階腳處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。水平位移在坡面呈先增加后減小的趨勢(shì),豎向位移隨著高程的增加呈緩慢增大的趨勢(shì)。

(2) 通過分析,發(fā)現(xiàn)軟弱夾層會(huì)影響邊坡的局部穩(wěn)定,需在夾層處采取加固措施,防止破壞的發(fā)生。

(3) 當(dāng)?shù)叵滤仙吝吰缕旅嬉陨蠒r(shí)將會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成一定的影響,在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)重視地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的削弱作用。

(4) 該礦區(qū)初步設(shè)計(jì)的邊坡穩(wěn)定性較好,符合相關(guān)規(guī)范,可為該礦區(qū)邊坡開挖提供相關(guān)理論依據(jù)。