張 春 代永新 刁 虎

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

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巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

張 春1，2，3代永新1，2，3刁 虎1，2，3

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

應(yīng)用極限平衡法，對(duì)首鋼水廠鐵礦邊坡的代表性剖面及優(yōu)化方案的各剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，分別得到了各種情況下各剖面的整體和局部最小安全系數(shù)，并得到以下結(jié)論：按照原設(shè)計(jì)境界開(kāi)采，邊坡最小安全系數(shù)在震動(dòng)情況下小于1.20，低于規(guī)范值，安全儲(chǔ)備不足，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需對(duì)其剖面進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整與優(yōu)化。優(yōu)化調(diào)整后穩(wěn)定性增強(qiáng)，邊坡達(dá)到允許安全系數(shù)要求，邊坡安全儲(chǔ)備充足。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用強(qiáng)度折減法進(jìn)行數(shù)值模擬，初始狀態(tài)下塑性區(qū)分布較淺；參數(shù)調(diào)整優(yōu)化之后，塑性區(qū)分布向坡底延伸，邊坡破壞方式可能由局部轉(zhuǎn)變成整體，邊坡可能發(fā)生整體性破壞。計(jì)算結(jié)果顯示，滑動(dòng)面與極限平衡法相近，驗(yàn)證了結(jié)果的合理性。

安全系數(shù) 邊坡穩(wěn)定性 強(qiáng)度折減法

水廠鐵礦是一座大型火山沉積變質(zhì)巖型磁鐵礦床，具有礦石儲(chǔ)量大、品位高、埋藏淺，便于露天開(kāi)采的特征。截止2008年底，累計(jì)采出礦石2.94億t、剝離巖石10.5億t。目前，實(shí)際采礦規(guī)模約1 100萬(wàn)t/a，是首都鋼鐵公司自有礦石資源的主要礦山和重要鐵礦石基地之一。

2015年10月20日，北采場(chǎng)上盤(pán)K2路基59#～89#皮帶架子外側(cè)邊坡在-20 m水平按設(shè)計(jì)采裝到界的過(guò)程中發(fā)生順層滑坡，導(dǎo)致59#～89#架子的路基寬度由設(shè)計(jì)的8 m變窄為5～7 m，滑坡體積約2 600 m3,絕大部分堆積在-20 m水平作業(yè)平臺(tái)上，另一部分殘留在K2路基外側(cè)坡面上。2013年12月3日，K2皮帶113#～147#架子處外側(cè)-10～-35 m 水平邊坡(27#～29#線)發(fā)生順層滑坡，走向長(zhǎng)度約40 m，寬度4～6 m，段高17～26 m，滑坡體積約4 000 m3,一部分滑落體堆積在-35 m水平電鏟作業(yè)平臺(tái)上，另一部分殘留在-10～-35 m水平坡面上,造成K2皮帶停產(chǎn)，嚴(yán)重影響水廠鐵礦的安全生產(chǎn)。為此，本研究分別采用極限平衡法和強(qiáng)度折減法，選擇有代表性的剖面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，為礦山安全運(yùn)行提供條件。

1 簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算原理

Bishop法[1]是圓弧形滑動(dòng)面普遍使用的穩(wěn)定性計(jì)算方法，且滿(mǎn)足所有條塊力的平衡條件，力學(xué)機(jī)理如圖1所示。

圖1 Bishop法計(jì)算原理

條塊受力為

(1)

(2)

式中,Ci、φi分別為材料的有效黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角；其他符號(hào)意義同圖1。

2 計(jì)算模型

基于該礦山邊坡現(xiàn)狀境界圖、現(xiàn)場(chǎng)勘察資料和試驗(yàn)結(jié)果(表1)，選取一典型剖面(A-A剖面)，利用geoslope軟件得到現(xiàn)狀邊坡以及優(yōu)化調(diào)整之后邊坡的穩(wěn)定性結(jié)果，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2、表2。

表1 強(qiáng)度參數(shù)

圖2 A-A剖面荷載組合Ⅰ下安全系數(shù)(Bishop)

臺(tái)階地下水情況Kc最小安全系數(shù)BishopM-P總體160m以上有01.1951.195有0.0251.1451.146無(wú)01.2511.250無(wú)0.0251.2011.200有01.1861.179有0.0251.1361.132無(wú)01.1861.179無(wú)0.0251.1361.132

在荷載組合下，A-A剖面邊坡整體和局部均不能滿(mǎn)足規(guī)范要求，160 m以上最危險(xiǎn)滑面位于浸潤(rùn)線以上，因此通過(guò)降水并不能提高該剖面的邊坡穩(wěn)定性，必須對(duì)邊坡臺(tái)階參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

經(jīng)優(yōu)化方案后，在荷載組合下A-A剖面整體和局部最危險(xiǎn)滑面如圖3所示，安全系數(shù)見(jiàn)表3。

圖3 A-A剖面優(yōu)化方案荷載組合Ⅰ下安全系數(shù)(Bishop)

3 強(qiáng)度折減法[2]

隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，采用理論體系更為嚴(yán)格的方法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析已經(jīng)成為可能。有限差分法全面滿(mǎn)足了靜力許可、應(yīng)變相容和應(yīng)力-應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系，同時(shí)可以不受邊坡幾何形狀不規(guī)則、材料不均性的限制，是分析邊坡應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性的理想工具。同傳統(tǒng)的極限平衡法相比，有限差分法(或有限元法)[3]的優(yōu)點(diǎn)：①破壞面的形狀或位置發(fā)生在巖土材料的抗剪強(qiáng)度不能抵抗剪應(yīng)力的地帶，不需要事先假定；②由于有限元法引入變形協(xié)調(diào)的本構(gòu)關(guān)系，也不需要引入假定條件，保持了嚴(yán)密的理論體系；③提供了應(yīng)力、變形的全部信息。

表3 第一優(yōu)化方案A-A剖面邊坡最小安全系數(shù)

3.1 安全系數(shù)的定義

邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)，對(duì)巖土體抗剪強(qiáng)度折減的程度，巖土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時(shí)的折減后剪切強(qiáng)度的比值即安全系數(shù)[4]：

(3)

以此對(duì)邊坡進(jìn)行有限差分法計(jì)算，并通過(guò)一定的失穩(wěn)判據(jù)確定邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)，則此時(shí)強(qiáng)度折減系數(shù)即邊坡的安全系數(shù)，否則程序?qū)⒅貜?fù)計(jì)算，直至邊坡達(dá)到臨界極限平衡狀態(tài)[5]。

3.2 模型建立

本次數(shù)值分析模型是在極限平衡法穩(wěn)定性分析的剖面基礎(chǔ)上建立的，采用混合單元離散模型[6]、摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，區(qū)域劃分采用六面體單元。邊界約束條件：坡底Z向約束，X水平方面約束，Y向約束。計(jì)算剖面見(jiàn)圖4。

圖4 A-A剖面計(jì)算

3.3 數(shù)字模擬結(jié)果及分析

初始狀態(tài)下邊坡模擬結(jié)果見(jiàn)圖5，優(yōu)化后邊坡模擬結(jié)果見(jiàn)圖6。

從剪應(yīng)變?cè)隽康戎翟茍D可知：A-A剖面潛在最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位于邊坡體中上部，局部單臺(tái)階也可能發(fā)生塌落危險(xiǎn)；由塑性區(qū)分布圖可知，A-A剖面塑性區(qū)分布較淺，說(shuō)明該邊坡滑動(dòng)帶較淺，邊坡發(fā)生整體性破壞的可能性較小；由水平位移云圖可知，A-A剖面水平位移潛在危險(xiǎn)破壞面的底部處較大，即該處較容易屈服，潛在危險(xiǎn)滑動(dòng)面可能從該處剪出；參數(shù)調(diào)整優(yōu)化之后，塑性區(qū)分布向坡底延伸，邊坡破壞方式可能由局部轉(zhuǎn)變成整體，邊坡可能發(fā)生整體性破壞(圖6(b)、圖6(c))。其計(jì)算結(jié)果與極限平衡法顯示的潛在危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置相近，顯示其結(jié)果的合理性。 由滑移面的形狀可以看出，利用強(qiáng)度折減法計(jì)算出的滑移面上端與下端顯示為近似圓弧狀，中部較為平緩，顯示為非圓弧狀，與極限平衡法計(jì)算出的圓弧滑移面有所差異，表明兩種方法顯示的邊坡破壞模式不同；數(shù)值模擬可以較清晰地反映出邊坡潛在危險(xiǎn)滑動(dòng)面的位置變化趨勢(shì)，并可以對(duì)局部臺(tái)階發(fā)生失穩(wěn)的原因給出一定合理的解釋?zhuān)瑥浹a(bǔ)了極限平衡法在此方面的不足，體現(xiàn)出了數(shù)值模擬的合理性、優(yōu)越性。

圖5 初始狀態(tài)下的數(shù)值模擬

圖6 優(yōu)化方案的數(shù)值模擬

4 結(jié) 論

通過(guò)極限平衡方法以及強(qiáng)度折減法，對(duì)代表性剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，分別得到了各種情況下各剖面的整體和局部最小安全系數(shù)，并得到以下結(jié)論：

(1)按照原設(shè)計(jì)境界進(jìn)行礦山開(kāi)采，邊坡最小安全系數(shù)在有震動(dòng)的情況下小于1.20，低于規(guī)范值，安全儲(chǔ)備不足，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需對(duì)其剖面進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整與優(yōu)化；優(yōu)化調(diào)整之后，穩(wěn)定性增強(qiáng)，邊坡達(dá)到允許安全系數(shù)要求，邊坡安全儲(chǔ)備充足。

(2)由滑移面的形狀可以看出，利用強(qiáng)度折減法計(jì)算出的滑移面上端與下端顯示為近似圓弧狀，中部較為平緩，顯示為非圓弧狀，與極限平衡法計(jì)算出的圓弧滑移面有所差異，表明兩種方法顯示的邊坡破壞模式不同。

(3)剪應(yīng)變?cè)隽繄D、塑性區(qū)分布圖、位移云圖可以較清晰地反映出邊坡潛在危險(xiǎn)滑動(dòng)面的位置變化趨勢(shì)，并可以對(duì)局部臺(tái)階發(fā)生失穩(wěn)的原因給出合理解釋?zhuān)瑥浹a(bǔ)了極限平衡法在此方面的不足，體現(xiàn)出了數(shù)值模擬的合理性、優(yōu)越性。

[1] 鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社,2007.

[2] 趙尚毅，鄭穎人，張玉芳.有限元強(qiáng)度折減法中邊坡失穩(wěn)的判據(jù)探討[J].巖土力學(xué)，2005，26(2)：332-336.

[3] 趙尚毅，鄭穎人，時(shí)衛(wèi)明，等.用有限元強(qiáng)度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2002,24(3):343-346.

[4] 連鎮(zhèn)營(yíng)，韓國(guó)城，孔憲京.強(qiáng)度折減有限元法研究開(kāi)挖邊破的穩(wěn)定性[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23(4)：407-411.

[5] 鄭穎人,趙尚毅.邊(滑)坡工程設(shè)計(jì)中安全系數(shù)的討論[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(9):1937-1940.

[6] 宋二祥.土工結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的有限元計(jì)算[J].巖土工程學(xué)報(bào),1997,19(2):1-7.

2016-04-29)

張 春(1985—)，男，碩士，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)西塘路666號(hào)。