秦慶詞，李克鋼

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

某露天礦邊坡失穩(wěn)因子潛在關(guān)系研究

秦慶詞，李克鋼

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

通過對某露天銅礦東部高邊坡失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行分析研究，并采用Slide軟件展開數(shù)值模擬，尋找邊坡最小滑移面。分析了該邊坡在無裂隙水、有裂隙水、爆破震動條件下的邊坡安全系數(shù)變化情況。并采用Monte-Carlo統(tǒng)計分析法對軟弱層隨機(jī)抽取1 000個數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，得出邊坡安全系數(shù)分布頻率直方圖及最佳擬合曲線。同時對幾個邊坡穩(wěn)定性的影響因子進(jìn)行敏感度分析，將影響邊坡穩(wěn)定性的因子進(jìn)行定量化，對該邊坡的穩(wěn)定性準(zhǔn)確評價以及后期防治措施具有重要的指導(dǎo)意義。

失穩(wěn)機(jī)理；數(shù)值模擬；概率分析；敏感度分析

0 前 言

邊坡失穩(wěn)因素隨著地質(zhì)、水文等條件的不同，加上人工開挖擾動，加強(qiáng)對邊坡失穩(wěn)機(jī)理的分析和準(zhǔn)確評價邊坡安全性對后期的加固和防護(hù)措施尤為關(guān)鍵。

云南某露天銅礦東部邊坡隨著采坑線區(qū)域的不斷剝采，受到底部軟弱凝灰?guī)r、斷層、風(fēng)化等因素的影響開始出現(xiàn)變形開裂，并有逐漸加劇的趨勢。采坑范圍內(nèi)裂縫由標(biāo)高1 360 m一直延伸到1 100 m，高差為260 m，采坑范圍外裂縫由標(biāo)高1 360 m一直延伸到1 280 m，高差為80 m。山頂區(qū)域裂縫交錯，由于東南部邊坡開挖尚未靠幫，坑底水平距離最終剝采深度還有160 m左右，如果繼續(xù)向深部開采，東南部邊坡的坡腳部位將進(jìn)一步卸荷，對變形體的發(fā)展造成更為不利的影響，目前變形體的存在嚴(yán)重制約后續(xù)礦山的深部生產(chǎn)；另東南部邊坡有兩條重要的運輸?shù)缆吠ㄟ^，如果邊坡繼續(xù)變形，將影響后續(xù)生產(chǎn)的進(jìn)行；目前邊坡的邊坡角僅為26(°)左右，邊坡角較小但仍有發(fā)生嚴(yán)重的大區(qū)域變形滑坡隱患，因此有必要對其進(jìn)行詳細(xì)的分析與研究，對今后此類礦山邊坡的防治和穩(wěn)定性評價具有新的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

1.1 礦山開采現(xiàn)狀

該采場東部邊坡最高標(biāo)高為1 360 m，最低標(biāo)高為1 090 m，垂直高差達(dá)270 m，1 270～1 360 m臺階高度10 m，平臺寬度10 m，臺階坡面角53(°)，最終幫坡角為26(°)。1 160～1 270 m臺階高度10 m，平臺寬度8 m，臺階坡面角65(°)，開采幫坡角為31(°)，1 090～1 160 m臺階高度10 m，平臺寬度10 m，臺階坡面角53(°)開采幫坡角為25(°)。東部邊坡開采現(xiàn)狀總幫坡角為23(°)；安全平臺寬度15～20 m；在1 380，1 360，1 350，1 340，1 320 m均設(shè)有排水溝，受沉降開裂影響，水溝已經(jīng)造成錯位，雖然采取土工布臨時處理，但作用不大。運輸?shù)缆贩謨蓷l，運輸?shù)缆穼挾?0 m，坡度10%；一條沿采場主公路1 200 m進(jìn)入，經(jīng)東南部邊坡到達(dá)采坑底部1 060 m平臺；一條沿采場主公路沿東南部山頂?shù)竭_(dá)1 360 m平臺。兩條運輸?shù)缆肪鶑臇|南部邊坡變形體通過。

1.2 滑坡體工程地質(zhì)概況

1.2.1 工程地質(zhì)

流紋巖為淺灰、灰綠色、被硅質(zhì)膠結(jié)，硅化強(qiáng)，巖石堅硬，抗剪抗壓強(qiáng)度高，邊坡穩(wěn)定性好，普氏堅固性系數(shù)14。上盤巖石為英安巖，灰綠色巖、石致密堅硬、節(jié)理裂隙發(fā)育，具有較好的抗壓強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度低，受斷層、風(fēng)化等因素影響邊坡穩(wěn)定性差，普氏堅固性系數(shù)13.7。流紋巖與英安巖間為凝灰?guī)r，為一泥質(zhì)軟弱夾層，為V1礦賦存層位，淺灰色，巖體松軟，極易風(fēng)化破碎，遇水極易泥化，極不穩(wěn)固。邊坡滑坡代表性滑動剖面見圖1。

圖1 邊坡滑坡代表性滑動剖面

1.2.2 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)水系屬瀾滄江水系小黑江支流，侵蝕基準(zhǔn)面高程為654 m。礦體分布于侵蝕基準(zhǔn)面之上的次火山巖中，礦體出露標(biāo)高980～1 250 m，埋深0～300 m不等。上伏地層為英安巖，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，孔隙度低，為不含水或弱含水層。下部凝灰?guī)r為隔水層，遇水易泥化、裂隙水常順這凝灰?guī)r滲出。地表水的補(bǔ)給靠大氣降水或少量裂隙水，水文地質(zhì)條件屬裂隙充水的簡單類型。

1.2.3 斷層

采場東南部邊坡上盤為破碎的英安巖，下盤為流紋巖，中間是松軟凝灰?guī)r。斷層發(fā)育較多，有兩個較大的縱斷層和許多小斷層發(fā)育，東部巖石風(fēng)化層較厚、風(fēng)化程度較深，標(biāo)高1 200 m以上巖石風(fēng)化都比較強(qiáng)烈，導(dǎo)致巖石穩(wěn)定性較差。礦區(qū)總體為一北西走向的背斜構(gòu)造，由于受斷裂、斜長花崗斑巖及流紋斑巖侵入破壞，背斜形態(tài)不完整。區(qū)域上，主斷層F3斷層從礦區(qū)南西側(cè)穿過，此外，礦區(qū)尚有一些小斷層分布。

2 滑坡變形體數(shù)值模型

滑坡變形體建模采用slide軟件的極限平衡理論[1-4]，用統(tǒng)計學(xué)原理和該軟件的概率分析功能探索趨于基本穩(wěn)定的邊坡發(fā)生滑坡的概率，再對裂隙水、巖體容重、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和抗震系數(shù)四因子對該邊坡的穩(wěn)定性影響進(jìn)行敏感度分析。

2.1 極限平衡法基本原理

從滑坡變形體的裂隙來看，主要是由于隨著開采的推進(jìn)，坡腳底部軟弱層的揭露和切斷導(dǎo)致上部邊坡形成較大的下滑力，加之凝灰?guī)r層遇水易泥化，雨水從上部巖體裂縫下滲至凝灰?guī)r層極大的降低了凝灰?guī)r層的抗剪切能力；上部巖體的重力對邊坡的影響轉(zhuǎn)化成了對邊坡的水平推力作用。畢曉普法(Bishop)剛好是一種將變形體分為若干條塊，只考慮條塊間水平作用力，不考慮條塊間豎向剪切力，運用極限平衡理論對條塊間水平作用力學(xué)原理進(jìn)行分析的一種方法。其力學(xué)作用原理如圖2。

圖2 Bishop法條塊間接觸力學(xué)作用分析

將條塊i所有力投影在x′軸上，可得：

Ti′=-△Eicosαi+Qicosαi+Wicosαi

(1)

當(dāng)邊坡處于極限平衡狀態(tài)時，有：

(2)

將(2)式帶入(1)式，可得：

(3)

將所有△Ei迭加，由于邊坡處于極限平衡狀態(tài)，所以Σ△Ei=0，化簡可得：

(4)

利用豎向力的平衡條件得到上式中的未知數(shù) ：

(5)

將Ni值代入(4)式Qi僅為分條所受的地震力，若坡頂張裂隙中有水，則仍應(yīng)保留水平力，在無地震力時，可得：

(6)

式中Q——張裂隙中的水壓；

△Xi——條塊之間的寬度，△Xi=Licosαi；

n——安全系數(shù)。

經(jīng)迭代計算即可算出安全系數(shù)n。

2.2 滑坡變形巖體力學(xué)參數(shù)的選取

本文中巖體力學(xué)參數(shù)來源于該礦山經(jīng)取樣試驗后得出，滑坡體由坡面、坡體和坡角構(gòu)成，滑坡變形體由上部的易風(fēng)化的英安巖和表層土體，中部為極易泥化的凝灰?guī)r層和下部堅硬致密的流紋巖構(gòu)成，礦體主要賦存于凝灰?guī)r層。巖土體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)表

3 數(shù)值模型計算與分析

3.1 數(shù)值模擬計算

模型選取為滑坡體最具代表性的縱剖面圖，利用slide邊坡穩(wěn)定性分析軟件，選取水平投影總長1 152 m，邊坡總高度為270 m，邊坡坡角26(°)，坡面斜長654 m的區(qū)域進(jìn)行模擬分析，建立滑坡體二維模型(見圖3)，無裂隙水壓力和爆破震動時安全系數(shù)見圖4。

圖3 滑坡體剖面模型

圖4表明：危險滑移面集中于軟弱帶凝灰?guī)r層，開挖剝離工程已經(jīng)開始切割軟弱帶，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)安全系數(shù)迅速降低；當(dāng)工程開挖到圖中所示位置時，邊坡安全系數(shù)為1.085。這也解釋了邊坡已經(jīng)開始出現(xiàn)下滑，影響了礦山生產(chǎn)與經(jīng)營。

圖4 無裂隙水壓力和爆破震動時安全系數(shù)

3.2 邊坡穩(wěn)定不確定性影響因素分析

3.2.1 裂隙水壓力對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

1) 裂隙水壓力下邊坡穩(wěn)定性

該邊坡上部和中部出現(xiàn)了沉降產(chǎn)生了裂隙，在坡腳處有裂隙水析出，因此裂隙水壓力對邊坡穩(wěn)定性的影響不可忽略[5]，圖5計算結(jié)果表明：在有裂隙水壓力的情況下安全系數(shù)下降為0.736，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并且最小滑移面上移至坡腳底端(圖5)，即當(dāng)有裂隙水壓力影響時，開挖工程進(jìn)行到目前的1 090 m水平滑坡體便開始出現(xiàn)下滑，甚至徹底下滑。

圖5 有裂隙水情況下邊坡安全系數(shù)

2) 裂隙水條件下邊坡穩(wěn)定性概率分析

為了探究裂隙水條件下邊坡失穩(wěn)的概率，借助Slide軟件在凝灰?guī)r層隨機(jī)模擬抽取1 000個樣本數(shù)據(jù)，采用Monte-Carlo(蒙特卡洛法)統(tǒng)計方法繪制了在凝灰?guī)r層(軟弱面)各滑移面安全系數(shù)在無裂隙水影響下(見圖6)和有裂隙水影響下(見圖7)相對頻率與安全系數(shù)的分布直方圖。

圖6 無裂隙水影響下的安全系數(shù)分布直方圖及最佳擬合曲線

圖7 裂隙水影響下的安全系數(shù)直方圖及最佳擬合曲線

在沒有裂隙水影響下，從頻率—安全系數(shù)直方圖中顯示安全系數(shù)集中于區(qū)間(1.0，1.2)，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)理論上不會產(chǎn)生滑坡或下滑現(xiàn)象；在裂隙水影響下凝灰?guī)r層安全系數(shù)集中在區(qū)間(0.65，0.85)之間，在此軟弱層最小安全系數(shù)為0.523 4，最大為0.975 6，沒有失效滑移面，均在臨界值1以下，顯示了裂隙水對該軟弱層的侵蝕很嚴(yán)重，凝灰?guī)r本身易泥化特性對該邊坡的穩(wěn)定性影響巨大。

3.2.2 邊坡穩(wěn)定性敏感度分析

通常爆破震動或地震以及巖石物理力學(xué)性質(zhì)對邊坡穩(wěn)定性的影響程度在不確定的情況下難以評判價，為尋找其影響程度本文中對其敏感度進(jìn)行分析[6-7]，得出當(dāng)水平地震系數(shù)采用0.1時，邊坡安全系數(shù)由原來的1.085下降至0.863(見圖8)。

圖9為軟弱面巖體內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、巖石容重、抗震系數(shù)四變量對邊坡穩(wěn)定性敏感度曲線。

圖8 抗震系數(shù)為0.1時邊坡安全系數(shù)

圖9 四變量對邊坡穩(wěn)定性敏感度曲線

圖9敏感度曲線表明：巖體內(nèi)聚力和巖石容重對邊坡的穩(wěn)定性影響并不明顯，而抗震系數(shù)和內(nèi)摩擦角與邊坡穩(wěn)定性敏感曲線斜率大，說明爆破震動對此邊坡的影響程度明顯，因此可從調(diào)整單次爆破炸藥量降低爆破震動對邊坡的破壞，對后期工程進(jìn)行中爆破參數(shù)的設(shè)計提供了可靠地依據(jù)。

3.2.3 滑坡體失穩(wěn)機(jī)理

綜上分析得出：該邊坡目前已處于初滑階段的主要原因是由于開采至1 090 m平臺后，切斷了凝灰?guī)r，由于凝灰?guī)r本身易泥化，雨水的滲入大大降低了凝灰?guī)r層的抗剪強(qiáng)度，加之工程爆破震動對整個滑坡體的牽引破壞，造成邊坡較大的下滑力， 在上述兩種作用機(jī)制下造成該邊坡失穩(wěn)破壞，產(chǎn)生變形和開裂。因此，從力學(xué)機(jī)理看，該變形屬于混合式變形。

3.3 邊坡加固和治理措施建議

基于以上分析，裂隙水壓力、爆破震動是加速邊坡下滑的主因，因此加固和防止該邊坡下滑可從以下幾點展開。

1) 加強(qiáng)邊坡削坡減載和加固方案研究[8-9]，對凝灰?guī)r層進(jìn)行更詳細(xì)的地質(zhì)勘探，及時給出治理方案及時加固。對變形體的開挖應(yīng)從變形體兩側(cè)向中間、自上而下分層開挖，棄土不得堆在主滑區(qū)，施工中應(yīng)有專人觀察，嚴(yán)防變形；在開挖工作面的下方嚴(yán)禁人員、機(jī)械設(shè)備進(jìn)入，除設(shè)有明顯的安全警示外，還應(yīng)派專人現(xiàn)場監(jiān)護(hù)；施工中要對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)有異常變化，要立即報告處理，對風(fēng)化危石要及時清除；在陡坡上修筑機(jī)行道時，必須保證機(jī)械的自身安全。如不能滿足施工機(jī)械工作水平度，要先用人工整修，不得強(qiáng)行用機(jī)械作業(yè)。

2) 優(yōu)化邊坡排水系統(tǒng)，嚴(yán)密管控臺階裂隙水的下滲，對已出現(xiàn)的裂縫及時采取填實并用土工布遮蓋，做好水防控。由于邊坡頂部覆蓋有土體，大氣降水及地表水會隨土體下滲至滑坡邊界沿裂縫滲入下部軟弱層泥化凝灰?guī)r層改變軟弱面的抗剪能力[10-11]，對邊坡破壞極為隱秘，因此對裂縫周邊的監(jiān)測和防洪尤為關(guān)鍵。

3) 加強(qiáng)對工程質(zhì)量的檢查，嚴(yán)格按設(shè)計參數(shù)預(yù)留安全平臺，對超挖、超高臺階，人為放大邊坡角情況進(jìn)行及時糾正，確保露天邊坡的穩(wěn)定性。開挖過程中嚴(yán)格按自上而下、先清除危石、變形體，后開挖的程序施工，嚴(yán)禁將坡面挖成反坡；在清掃過程中不得留有根底、傘檐和浮石，大塊和殘留碎石必須清理干凈；清理形成邊坡時，平臺保證平整。

4) 坡面上原巖沒有受到破壞時，可以留有部分原巖，不受坡面角的限制，但在巖石破碎時，必須嚴(yán)格按坡面角清理；坡面上原巖受破壞產(chǎn)生裂縫，不能保證其穩(wěn)定性時，在小于坡面角時，須對松散巖體進(jìn)行壓實和堵住裂縫，防止地表水和雨水注入裂縫，在大于坡面角時，必須清理以確保穩(wěn)定性或其他切實有效的措施確保邊坡安全。

5) 加強(qiáng)爆破管理，控制一次性爆破裝藥量，并采取適宜控制爆破、防震、減震爆破工藝，對產(chǎn)生的爆破震動進(jìn)行監(jiān)控，實時調(diào)整爆破用藥量確保邊坡穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

1) 該邊坡失穩(wěn)力學(xué)機(jī)理主要是由于底部工程的開挖切斷了軟弱帶使上部巖體產(chǎn)生下滑，下滑的應(yīng)力進(jìn)一步向坡腳集中產(chǎn)生下滑的推力，變形體的不斷下移使重心逐漸向坡腳靠近撕裂上部巖體從而產(chǎn)生裂縫，而下移的變形體使坡腳顯現(xiàn)為鼓起。而裂隙水壓力和爆破震動卻是使該邊坡變形的主因。

2) 對于臨界穩(wěn)定邊坡的評價通常采取擴(kuò)大安全系數(shù)來設(shè)計，具有不確定性。本文中通過對邊坡失穩(wěn)概率和影響因子敏感度進(jìn)行分析，將內(nèi)摩擦角、自重、內(nèi)聚力以及爆破震動影響程度定量化，數(shù)字化，為邊坡防護(hù)與加固提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

[1] 曾亞武，田偉明. 邊坡穩(wěn)定性分析的有限元法與極限平衡法的結(jié)合[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2005, 24(11): 5355-5359.

[2] 劉金龍, 陳陸望, 王吉利. 邊坡穩(wěn)定性分析方法簡述[J]. 水電能源科學(xué), 2008, 26(2): 133-137.

[3] 崔中良, 張東方, 姚艷領(lǐng). 極限平衡法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J]. 中國錳業(yè), 2016, 34(5):135-137.

[4] 董捷, 宋緒國. 圓弧直線型滑面巖土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法[J]. 鐵道工程學(xué)報, 2015, 10(10): 17-21.

[5] 許建聰，尚岳全. 降雨作用下碎石土滑坡解體變形破壞機(jī)制研究[J]. 巖土力學(xué)，2008, 29(1): 109-113.

[6] 閏永富, 張吉. 鐵礦邊坡敏感度分析[J]. 露天采礦技術(shù), 2015(2): 19-23.

[7] 張江偉，李小軍. 地震作用下邊坡穩(wěn)定性分析方法[J]. 地震學(xué)報, 2015(1): 180-191.

[8] 王建鈞, 曹凈. 巖質(zhì)陡高邊坡穩(wěn)定性分析方法與治理方案探討[J]. 巖土工程界， 2007, 12(5): 57-59.

[9] 張成良，劉磊，王超. 高等巖石力學(xué)及工程運用[M]. 昆明：云南大學(xué)出版社，2016.

[10] 王光進(jìn), 袁利偉, 孔祥云, 等. 邊坡工程穩(wěn)定與不確定性分析Slide程序的應(yīng)用[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2015.

[11] 陳善雄, 陳守義. 考慮降雨的非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析方法[J]. 巖土力學(xué), 2001, 4(12): 447-450.

Potential Relationship of Slope Instability in An Open-pit Mine

QIN Qingci, LI Kegang

(SchoolofLandandResourcesEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650093,China)

Through the mechanism of high slope of open copper mine in an eastern instability, we have made an analysis of numerical simulation by using the slide software to look for minimum slope slip plane. The analysis begins with the slope in the absence of crack water, including crack water, the safety factor of slope under blasting vibration conditions. It tells that Monte-Carlo statistical of weak layer random with 1 000 data statistics will be obtained in distribution frequency histograms of slope safety factor. Simultaneously on several of the factors affecting slope stability for sensitivity analysis, we have found the quantification of factors influencing slope stability is on the slope stability evaluation. The prevention is of great guiding significance in the late.

Instability mechanism; Numerical simulation; Probability analysis; Sensitivity analysis

2017-04-03

秦慶詞(1992-)，男，云南宣威人，在讀碩士研究生，研究方向：巖石力學(xué)，手機(jī)：18082958057，E-mail: 1457186548@qq.com；通訊作者：李克鋼(1978-)，男，山西介休人，教授，研究方向：巖石力學(xué)、工程巖體溫定性等，手機(jī)：13808734055.

TD854+.6

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.03.029