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        含蝕變帶巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

        2018-01-26 07:35:33李曉楊
        江蘇水利 2018年1期
        關(guān)鍵詞:變帶巖質(zhì)滑坡體

        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)者對此開展研究:李龍起等[2]對巖質(zhì)邊坡進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)模擬試驗(yàn),對巖土體內(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)建立的邊坡振動臺模擬試驗(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)理開展研究;丁立明等[5]采用ANSYS有限元軟件對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]為研究軟弱夾層對動力頻譜的傳遞特征,基于傳遞函數(shù)相關(guān)理論并結(jié)合振動臺模擬試驗(yàn),建立含軟弱夾層傳遞函數(shù);芮勇勤等[9]針對露天礦坑邊坡的長期穩(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期變形特征;年廷凱等[10]以含軟弱夾層邊坡為研究對象,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)特性開展分析,采用數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)及振動臺模擬試驗(yàn)等多種方式,但對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。本文針對不同蝕變帶賦存狀態(tài),采用有限元極限平衡法對邊坡的穩(wěn)定性開展分析,研究不同位置及多種分布特征的蝕變帶對邊坡的穩(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,且在金礦開采過程中往往不對蝕變帶進(jìn)行揭露。

        為研究蝕變帶位置、分布及形態(tài)對邊坡穩(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10 m、寬30 m的矩形;

        工況二:對蝕變帶的傾斜角度,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。

        對無蝕變帶及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),會導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性降低,發(fā)生滑坡的概率高于無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)為與無蝕變帶情況邊坡安全系數(shù)2.63無變化。

        2.2 蝕變帶分布特征

        根據(jù)對工況一的分析結(jié)果,蝕變帶與滑面帶相交時(shí),對邊坡的穩(wěn)定性影響較大。因此,對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。通過對蝕變帶位置及傾角對邊坡安全系數(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

        對不同蝕變帶工況影響下的邊坡穩(wěn)定性開展分析,分別考慮不同蝕變帶位置、蝕變帶的傾斜角度對邊坡穩(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,對邊坡的穩(wěn)定性幾乎不產(chǎn)生影響。

        (2)蝕變帶傾角對邊坡安全系數(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)。

        [ 1 ]楊天鴻,張鋒春,于慶磊,等 . 露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 [ J ] . 巖土力學(xué),2011,32(5):1437-1451 .

        [ 2 ]李龍起,羅書學(xué),魏文凱,等 . 降雨入滲對含軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡性狀影響的模型試驗(yàn)研究[ J ] . 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,32(9):1772-1778 .

        [ 3 ]范剛,張建經(jīng),付曉,等 . 含軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡動力破壞模式的能量判識方法研究[ J ] . 巖土工程學(xué)報(bào),2016,38(5):959-966 .

        [ 4 ]張社榮,譚堯升,王超,等 . 多層軟弱夾層邊坡巖體破壞機(jī)制與穩(wěn)定性研究[ J ] . 巖土力學(xué),2014,35(6):1695-1702 .

        [ 5 ]丁立明,才慶祥,劉雷,等 . 軟弱夾層對露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響 [ J ] . 金屬礦山,2012,41(4):40-42 .

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        [ 8 ]范剛,張建經(jīng),付曉 . 含軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡傳遞函數(shù)及其應(yīng)用研究 [ J ] . 巖土力學(xué),2017,38(4):1052-1059 .

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        [ 10 ]年廷凱,張克利,劉紅帥,等 . 基于強(qiáng)度折減法的三維邊坡穩(wěn)定性與破壞機(jī)制[ J ] . 吉林大學(xué)學(xué)報(bào),2013,43(1):178-185 .

        [ 11 ]田小甫,孫進(jìn)忠,劉立鵬,等 . 結(jié)構(gòu)面對巖質(zhì)邊坡地震動影響的數(shù)值模擬研究[ J ] . 地質(zhì)與勘探,2012,48(4):840-846 .

        [ 12 ]梁冠亭,陳昌富,朱劍鋒,等 . 基于M-P法的抗滑樁支護(hù)邊坡穩(wěn)定性分析 [ J ] . 巖土力學(xué),2015,36(2):451-456 .

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