楊宮印，崔鵬艷，陳玉明

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術學院，陜西 渭南 714000；2.昆明理工大學 國土資源與工程學院，，云南 昆明 650000)

0 引言

邊坡內部軟弱夾層往往會成為導致其失穩(wěn)的重要因素[1]。軟弱夾層的存在破壞了巖體的整體性，其結構組成具有成分不統(tǒng)一、顆粒不穩(wěn)定、充填物物理性質差異大等特點，它的存在對邊坡變形及強度指標有很大影響，是邊坡工程重點監(jiān)測與控制對象[2-3]，新時代對國民經(jīng)濟的發(fā)展提出了新要求，礦業(yè)產生安全備受各界關注，露天礦邊坡穩(wěn)定性也成為企業(yè)、科研院所重點研究的范疇。國內外最具代表的研究有Grgiggs[4]的流變理論、費先科[5]靜力學作用論、許保田[6]等人則是通過塑性實驗方法進行了系統(tǒng)研究。隨著計算機應用技術的發(fā)展，唐春安[7]、肖正學[8]、張際春[9]等先后利用RFPA、ANSYS、Nastran等數(shù)值模擬軟件進行分析，也取得了許多可喜成果，為確保邊坡穩(wěn)、提高安全系數(shù)作出了巨大貢獻。本文采用FLAC3D數(shù)值分析軟件，通過“混合離散法”對邊坡的塑性破壞和塑性流動進行動態(tài)模擬研究，結合實際邊坡工程，針對影響含軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性的4個重要因素，建立4組16個數(shù)值分析模型，系統(tǒng)研究了軟弱夾層各影響因素對露天礦邊坡物理特性及塑性流動特征的變化規(guī)律，為該礦進行邊坡綜合治理提供可靠的理論依據(jù)。

1 工程概況

某石英石露天礦位于甘肅省金昌市境內。目前，礦山已進入露天深部開采階段，主要剝采作業(yè)位于1768 m水平，作業(yè)水平以上已形成了5個平臺，分別為1826 m、1816 m、1792 m、1780 m、1768 m平臺。礦床內含有砂質泥巖軟弱夾層，走向為NW，傾向SW，傾角15°～20°，平均厚0.8～2.2 m，其天然單軸抗壓強度為27.6 MPa，抗拉強度為1.89 MPa；礦區(qū)圍巖黏聚力C=21.3 kPa，內摩擦角φ=24.8°。露天境界內廢石剝離總量約1024.7萬噸。露天邊坡最終邊坡為45°，坡面角65°，清掃平臺寬度為8～12 m，安全平臺寬度為5 m，本次剝離長度約350 m，從1826 m水平開始，平均剝離寬度為35 m，總剝離量約為500 000 m3。隨著開采深度及剝采規(guī)模的持續(xù)增大，局部區(qū)段邊坡產生了變形破壞，出現(xiàn)了裂縫及坍塌現(xiàn)象。軟弱夾層的存在是影響該巖體穩(wěn)定性的主要因素之一，研究含軟弱夾層邊坡的變形規(guī)律和失穩(wěn)破壞機理，是礦山的當務之急，也是保障礦山持續(xù)高效的開采的前提條件，研究具有重要的現(xiàn)實意義[10]。

2 數(shù)據(jù)模擬實驗研究

利用有限元強度折減法判定邊坡穩(wěn)定性的標準有三種：① 根據(jù)邊坡內部某一部分的安全系數(shù)與位移之間的變化特征確定失穩(wěn)狀態(tài)；② 根據(jù)計算結果中的物理量變化和分布為標準進行判斷；③ 利用有限元數(shù)值模擬軟件中的收斂性確定失穩(wěn)狀態(tài)[11]。本次研究基于前兩種判定標準，利用FLAC3D軟件中的SRM法進行研究分析，建立了RFPA-SRM數(shù)值計算模式。本次研究在保證模擬實驗物理相似、幾何相似的基礎上，建了相對簡化的邊坡模型(表1)。

模擬實驗過程分別選取了軟弱夾層厚度D、傾角θ、黏聚力C、摩擦角φ為控制變量，探求了不同物理參數(shù)條件下軟弱夾層對露天礦邊穩(wěn)定性的破壞規(guī)律。表2為軟弱夾層各影響因素取值[12]。

表1 邊坡模型幾何參數(shù)

表2 軟弱夾層各影響因素取值

2.1 軟弱夾層厚度對邊坡變形及安全系數(shù)的影響

夾層厚度是影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一。本組實驗按表2參數(shù)進行，其他變量與實際工程保持一致，即θ=15°、C=5.0 kPa、φ=24.8°。數(shù)值模型及邊坡變形總位移見圖1。圖1中紅色為位移較大的區(qū)域，藍色為位移較小的區(qū)域。圖2為變形總位移隨夾層厚度的變化規(guī)律。

利用軟件進行模擬計算，得出不同夾層厚度條件下邊坡安全系數(shù)(圖3)，其中D=1 m時，安全系數(shù)略小于1.3，說明礦區(qū)初始狀態(tài)下，邊坡已存在不安全隱患，礦山應高度重視[13]。

2.2 軟弱夾層傾角對邊坡變形及安全系數(shù)的影響

根據(jù)現(xiàn)場勘測，發(fā)現(xiàn)軟弱夾層傾角的大小及位置對巖體發(fā)生裂縫、滑動、崩塌現(xiàn)象有著密切聯(lián)系，為研究軟弱夾層傾角與巖體強度及邊坡的安全系數(shù)，進行本組實驗。實驗按表2參數(shù)進行，其他變量與實際工程保持一致，即D=1.0 m、C=5.0 kPa、φ=24.8°。數(shù)值模型及邊坡變形總位移見圖4。在不同夾層傾角條件下，圖4中紅色為位移較大的區(qū)域，藍色為位移較小的區(qū)域。圖5為變形總位移隨夾層傾角的變化規(guī)律。

利用軟件進行模擬計算，得出不同夾層傾角條件下邊坡安全系數(shù)(圖6)，當θ=15°時，安全系數(shù)同樣略小于1.3，說明礦區(qū)初始狀態(tài)下，邊坡穩(wěn)定性已破壞，礦山應高度重視；當θ≥19°時，安全系數(shù)降幅較大，說明在該山地質條件下，邊坡已完全失穩(wěn)。

2.3 軟弱夾層黏聚力對邊坡變形及安全系數(shù)的影響

軟弱夾層的黏聚力是反映夾層受力及抗破壞能力，是巖體力學性能力高低的重要指標。本組實驗按表2參數(shù)進行，其他變量與實際工程保持一致，即D=1.0m、θ=15°、φ=24.8°。數(shù)值模型見圖1，邊坡變形總位移見圖7。在不同夾層黏聚力條件下，圖7中紅色為位移較大的區(qū)域，藍色為位移較小的區(qū)域。根據(jù)變化情況來看，位移變化受黏聚力影響較大，兩者成反比線性變化，變形總位移隨夾層黏聚力的變化規(guī)律見圖8。

利用軟件進行模擬計算，得出不同夾層黏聚力條件下邊坡安全系數(shù)(圖9)，其中C=5.0 kPa時，計算其安全系數(shù)為1.31，略大于1.3，說明礦區(qū)初始狀態(tài)下，邊坡穩(wěn)定性一般，礦山應加強日常管理維護。由于其變化對邊坡安全系數(shù)影響較大，因此，在礦山地質勘測、實驗中應高度重視，應保證數(shù)據(jù)的可靠性。

2.4 軟弱夾層內摩擦角對邊坡變形及安全系數(shù)的影響

內摩擦角是巖體的抗剪強度重要指標，軟弱夾層內摩擦角大小也是影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的重要因素。本組實驗按表2參數(shù)進行，其他變量與實際工程保持一致，即D=1.0 m、θ=15°、C=5.0 kPa。數(shù)值模型見圖1，邊坡變形總位移見圖10。在不同夾層內摩擦角條件下，圖10中紅色為位移較大的區(qū)域，藍色為位移較小的區(qū)域。

變形總位移隨夾層黏聚力的變化規(guī)律見圖11。當φ>25°時(大于圍巖內摩擦角φ=24.8)，邊坡變形總位移與內摩擦角成反比關系；當15°<φ<25°時，邊坡變形總位移與內摩擦角成正比關系。由此推斷，當夾層與圍巖內摩擦角相近時，其位移變形最??；其次，從位移變幅來看，當夾層內摩擦角小于圍巖內摩擦角時，其變化對位移變形影響較大；當夾層內摩擦角大于圍巖內摩擦角時，其變化對位移變形影響較小。

圖1 不同軟弱夾層厚度數(shù)值模型與變形總位移圖

Fig.1 Numerical model of different thicknesses of weak interlayer and total deformation displacement

(a)夾層厚度D=1.0 m (b)夾層厚度D=1.5 m (c)夾層厚度D=2.0 m (d)夾層厚度D=2.5 m

圖2 變形總位移隨夾層厚度的變化規(guī)律

圖3 夾層厚度對邊坡安全系統(tǒng)的影響規(guī)律

圖4 不同軟弱夾層傾角數(shù)值模型與變形總位移圖

Fig.4 Numerical model of different dip angles of weak intercalation and total deformation displacement

(a)夾層傾角θ=15° (b)夾層傾角θ=17° (c)夾層傾角θ=19° (d)夾層傾角θ=21°

圖5 變形總位移隨夾層傾角的變化規(guī)律

圖6 夾層傾角對邊坡安全系統(tǒng)的影響規(guī)律

圖7 不同黏聚力軟弱夾層變形總位移圖

Fig.7 Total deformation displacement diagram of weak interlayer with different cohesive forces

(a)黏聚力C=10 kPa (b)黏聚力C=15 kPa (c)黏聚力C=20 kPa (d)黏聚力C=25 kPa

圖8 變形總位移隨夾層黏聚力的變化規(guī)律 圖9 夾層黏聚力對邊坡安全系統(tǒng)的影響規(guī)律

Fig.8 Variation regularity of total deformation displacement with interlayer cohesion forces Fig.9 Influence regularity of interlayer cohesion force on slope safety system

利用軟件進行模擬計算，得出不同夾層內摩擦角條件下邊坡安全系數(shù)(圖12)。當夾層內摩擦角小于圍巖內摩擦角φ圍=24.8°時，安全系數(shù)變幅較大，之后變幅較小，說明當夾層內摩擦角大于圍巖內摩擦角時，其對邊坡整體位移變形及穩(wěn)定性影響微弱。當φ=24.8°時，計算其安全系數(shù)為1.33，大于1.3，說明礦區(qū)初始狀態(tài)下，邊坡穩(wěn)定。

3 結論

1)軟弱夾層厚度D、傾角θ與露天邊坡的變形位移量成正比關系，與邊坡安全系數(shù)成反比，且而隨著兩者的變化其位移量和安全系數(shù)變幅較大，說明這兩個因素對邊坡穩(wěn)定性影響較大，應該是礦山工程重點關注因素。特別是當θ>19°時，應加強監(jiān)測，作重點防護。

2)軟弱夾層黏聚力C與露天邊坡的變形位移量成反比關系，與邊坡安全系數(shù)成正比。當軟弱夾層黏聚力接近圍巖黏聚力C=21.3 kPa時，其安全系數(shù)顯著提高。根據(jù)其變化規(guī)律來看，該因素對邊坡穩(wěn)定性影響也較大，是礦山勘測、實驗的重點。

圖10 不同內摩擦角軟弱夾層變形總位移圖

Fig.10 Total deformation displacement diagram of weak interlayer with different internal friction angles

(a)內摩擦角φ=15° (b)內摩擦角φ=20° (b)內摩擦角φ=25° (d)內摩擦角φ=30°

圖11變形總位移隨夾層內摩擦角的變化規(guī)律 圖12夾層內摩擦角對邊坡安全系統(tǒng)的影響規(guī)律

Fig.11 Variation of total deformation displacement with interlayer friction angle Fig.12 Influence of interlayer friction angle on slope safety system

3)軟弱夾層內摩擦角φ與露天邊坡的變形位移量、安全系數(shù)不成線性變化。當夾層內摩擦角小于圍巖內摩擦角φ圍=24.8°時，夾層內摩擦角變化對露天邊坡的變形位移量及安全系數(shù)影響較大；反之影響較小。因此，當夾層內摩擦角小于圍巖內摩擦角時，應加強研究其變化對邊坡穩(wěn)定性產生的影響。

4)根據(jù)數(shù)值分析結果，該露天礦邊坡在各類軟弱夾層重要指標的影響下，安全系數(shù)均約為1.3，處于礦山工程安全系數(shù)的臨界值，為保證礦山安全可持續(xù)發(fā)展，在今后的生產過程中應加強對該邊坡的監(jiān)測與防治工作。