李長城

(中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司，北京 100161)

0 引 言

邊坡工程的穩(wěn)定性是露天礦安全生產(chǎn)的前提和重要保障，國內(nèi)外有許多因露天礦邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致生產(chǎn)事故的案例，如我國山西省平朔東露天礦發(fā)生了大規(guī)?；?，嚴(yán)重影響礦山生產(chǎn)；美國鹽湖城賓漢峽谷銅礦發(fā)生滑坡，導(dǎo)致該銅礦生產(chǎn)規(guī)模減半。因此，邊坡穩(wěn)定性分析已成為近些年巖土工程研究的熱點(diǎn)，通過諸多學(xué)者多年的研究，邊坡穩(wěn)定性分析取得了大量研究成果。蘇杭等[1]使用相似材料試驗(yàn)研究了多級(jí)邊坡施工效應(yīng)，提出了影響重疊效應(yīng)，并驗(yàn)證了錨索預(yù)應(yīng)力能夠有效地控制開挖卸荷作用對(duì)邊坡變形的影響；陳從新等[2]使用相似材料試驗(yàn)，研究了不同巖體傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，得出了順層邊坡的主要破壞方式為滑動(dòng)破壞；李聰?shù)萚3]對(duì)順層節(jié)理邊坡開挖進(jìn)行的相似模型試驗(yàn)，研究了順層邊坡的錨固規(guī)律；楊樂等[4]對(duì)邊坡相似材料的強(qiáng)度及彈性恢復(fù)特性進(jìn)行了研究，得出了巖質(zhì)邊坡、碎屑堆積邊坡及松散碎石土邊坡相似材料強(qiáng)度的數(shù)值；詹志發(fā)等[5]對(duì)邊坡相似材料配比及物理特性進(jìn)行了研究，總結(jié)了國內(nèi)外大量的相似材料配比方法，設(shè)計(jì)了多因素正交試驗(yàn)，分析了物理量與材料配比的敏感性，對(duì)邊坡相似材料試驗(yàn)具有一定的指導(dǎo)意義；王樂華等[6]利用相似材料試驗(yàn)對(duì)卸荷的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究，得出了巖體力學(xué)參數(shù)隨巖體尺寸的變化關(guān)系；王瑞紅等[7]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了節(jié)理巖體變形的卸荷損傷作用，分析了不同卸荷水平狀態(tài)對(duì)不同傾角節(jié)理的影響；王文明等[8]使用ABAQUS軟件研究了有節(jié)理的巖質(zhì)邊坡在開挖卸荷條件下的穩(wěn)定性；趙川等[9]利用數(shù)值分析軟件對(duì)巖質(zhì)邊坡開挖卸荷深度進(jìn)行了研究；劉磊等[10]在FLAC3D軟件中開發(fā)了裂隙巖體卸荷損傷模型，并證明了考慮卸荷損傷更能反映坡體內(nèi)部的真實(shí)情況；黃宜勝等[11]對(duì)巖質(zhì)邊坡的開挖卸荷進(jìn)行了雙曲線型非線性本構(gòu)模型的研究，與試驗(yàn)擬合程度效果較好，并在三峽工程中成功應(yīng)用。

袁家村露天礦節(jié)理裂隙高度發(fā)育，隨著開采深度的逐步增加，節(jié)理滑移問題日益突出，邊坡穩(wěn)定性已經(jīng)成為袁家村鐵礦重點(diǎn)關(guān)注的問題。因此，深入研究由節(jié)理誘發(fā)的邊坡破壞模式與機(jī)理，對(duì)礦山安全開采具有重要意義。

1 工程地質(zhì)特征

袁家村礦區(qū)位于山西省嵐縣梁家莊鄉(xiāng)袁家村，礦區(qū)南北長4.2 km，東西寬1.5～2.6 km。礦區(qū)共有礦體21個(gè)，其中10號(hào)礦體規(guī)模最大，為開采主礦體，其形態(tài)為巨大扁豆體。礦體全長2 600 m，平均厚度154.6 m，平均延深612.1 m，走向NNE，傾向SEE，傾角70°～80°。根據(jù)袁家村鐵礦的賦存環(huán)境條件，該鐵礦屬于大型露天鐵礦，埋藏深度深，后續(xù)開采將由山坡露天開采轉(zhuǎn)為深凹開采。開采深度達(dá)到地表以下300～400 m，邊坡垂直高度將達(dá)到600～700 m。袁家村鐵礦西幫發(fā)育一組傾角為63°的節(jié)理，該節(jié)理面與臺(tái)階坡面近似平行，目前在開采過程中西幫區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)大范圍的順傾向節(jié)理滑移現(xiàn)象，邊坡穩(wěn)定性較差。為了掌握開采過程中節(jié)理邊坡的穩(wěn)定性，本文開展了大型相似材料的物理模擬試驗(yàn)研究。

2 物理模型試驗(yàn)

2.1 相似材料試驗(yàn)介紹

利用與袁家村鐵礦原型力學(xué)性質(zhì)相似的材料，按一定比例縮制成模型，把實(shí)際工程縮小到一個(gè)模型試驗(yàn)中，然后進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，觀測(cè)模型的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和破壞等情況，以試驗(yàn)情況來分析推測(cè)實(shí)際情況，通過模型試驗(yàn)對(duì)實(shí)際工程生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)。

相似三定律是指：1) 相似現(xiàn)象指具有相同的方程式與相同的相似判據(jù)的現(xiàn)象群，包括兩個(gè)條件：①相似現(xiàn)象對(duì)應(yīng)物理量之比是相似常數(shù)(幾何相似常數(shù)、運(yùn)動(dòng)相似常數(shù)、動(dòng)力相似常數(shù))，②如果兩個(gè)現(xiàn)象屬于相似現(xiàn)象，那么這兩個(gè)現(xiàn)象都必須可以通過同一個(gè)基本方程式來描述；2) 相似材料模型試驗(yàn)要求所有無量綱的物理量(如內(nèi)摩擦角、泊松比、應(yīng)變、摩擦系數(shù)等)的相似常數(shù)等于1，相同量綱的物理量的相似常數(shù)相等；3) 相似現(xiàn)象必須具有相同的單值條件和相同的主導(dǎo)相似判據(jù)，其單值條件有：①模型與原型的幾何相似，②研究對(duì)象中重要的物理常數(shù)成比例，③兩個(gè)對(duì)象的初始狀態(tài)相似，④兩個(gè)對(duì)象的邊界條件相似。 主導(dǎo)相似判據(jù)是指在所研究的對(duì)象中起重要作用的幾何性質(zhì)、物理性質(zhì)所組成的相似判據(jù)。

模型試驗(yàn)之所以能夠相似替代原型工程，是因?yàn)橛袊?yán)密的相似理論作為基礎(chǔ)，在試驗(yàn)前確定出合理的幾何相似比CL，容重相似比Cγ，摩系數(shù)相似比Cf，內(nèi)摩擦角相似比Cφ，泊松比相似比Cξ，應(yīng)變相似比Cμ，彈性模量相似比CE，應(yīng)力相似比Cσ，黏聚力相似比Cc。 其中，Cσ=CE=CL×Cγ，Cξ=Cμ=Cφ=Cf=1。

2.2 相似材料試驗(yàn)

本次試驗(yàn)以南1.1剖面為原型，模擬底部標(biāo)高為1 425 m的露天坑到地表共9個(gè)臺(tái)階，模擬高度280 m，長600 m的現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域(圖1)，節(jié)理傾角平行于臺(tái)階坡面角，與水平夾角為63°，試驗(yàn)采用設(shè)備為DGS-4通道微機(jī)控制電液伺服相似材料試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)長2.4 m，高1.2 m，厚0.3 m，試驗(yàn)幾何相似比為250。

圖1 試驗(yàn)原型

試驗(yàn)選用河沙為粗骨料、重晶石粉為細(xì)骨料、石蠟為膠結(jié)料，經(jīng)過多組配比標(biāo)準(zhǔn)試件的測(cè)試，最終選取河沙∶重晶石粉∶石蠟=10∶2∶1的配比作為邊坡的相似材料，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，在單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值0.61 MPa后快速跌落，說明脆性材料的破壞特性與模擬的巖質(zhì)邊坡巖性相似，進(jìn)一步證明相似材料能夠模擬出原型巖質(zhì)邊坡的性質(zhì)。由于相似材料試驗(yàn)很難完全與原型匹配，只能盡量與影響試驗(yàn)結(jié)果的主要參數(shù)進(jìn)行匹配，模型與原型的參數(shù)關(guān)系見表1，無量綱比值為1，容重相似比近似為1，相同量綱相似比為325。由表1可知，主要參數(shù)匹配程度較高，只有內(nèi)聚力誤差超過35%，這可能會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)破壞略低于工程實(shí)際破壞情況，但能夠定性反映工程的實(shí)際破壞特征。

實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理面分層明顯，巖石破碎，節(jié)理傾角與臺(tái)階坡面角平行，在模型堆建時(shí)需要構(gòu)建出平行于臺(tái)階坡面的節(jié)理，如圖3(a)所示；現(xiàn)場(chǎng)勘察節(jié)理層較破碎，模型中使用加入碎云母片的相似材料堆建節(jié)理層，以達(dá)到與實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)相似的破碎狀態(tài)，如圖3(b)所示；使用鋼片寬度為40 mm的定制不銹鋼架控制節(jié)理層間距，制作方式如圖3(c)所示，完成節(jié)理層制作后將鋼架斜向上拉出，鋼片拉出后相似材料的不完全接觸同時(shí)能制作出垂直于坡面的節(jié)理裂隙。

將模型分為9步開挖，每次開挖一個(gè)臺(tái)階高度，真實(shí)模擬開采的時(shí)間效應(yīng)，相鄰臺(tái)階開挖時(shí)間間隔為3 h。由圖4(a)可知，開挖前在模型上確定出邊坡輪廓線，在輪廓線下方沿邊坡粘貼非編碼點(diǎn)，在試驗(yàn)臺(tái)的上部和左右立柱上粘貼編碼點(diǎn)，以試驗(yàn)臺(tái)上的編碼點(diǎn)為基點(diǎn)，使用TXDP攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)邊坡開挖過程進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)記錄， 每開挖一次之后使用相機(jī)記錄邊坡處非編碼點(diǎn)位置，分析開挖過程中邊坡的變形情況，所有邊坡開挖結(jié)束后的情況如圖4(b)和圖4(c)所示。

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 原型與模型相似關(guān)系

圖3 模型節(jié)理制作過程

圖4 試驗(yàn)開挖前后

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

模型的9個(gè)臺(tái)階分9次開挖，選取第三次、第六次和第九次開挖完成后的邊坡臺(tái)階監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行變形分析，監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖5。

圖5 XTDP攝影測(cè)量變形分析

1#臺(tái)階～3#臺(tái)階邊坡在覆巖開挖后產(chǎn)生卸荷回彈現(xiàn)象，處于淺部地表位置的邊坡沒有上部覆巖壓力，主要是開挖巖體的水平擠壓力，邊坡開挖后出現(xiàn)的是近水平方向的卸荷回彈；4#臺(tái)階～6#臺(tái)階邊坡上部有1#臺(tái)階～3#臺(tái)階90 m高的覆巖，當(dāng)邊坡覆巖揭露至6#臺(tái)階，坡面釋放的覆巖壓力與水平擠壓應(yīng)力持恒，因此，覆巖開挖后邊坡卸荷回彈方向與水平成45°夾角；7#臺(tái)階～9#臺(tái)階邊坡上部有1#臺(tái)階～6#臺(tái)階180 m高的覆巖，當(dāng)邊坡揭露至9#臺(tái)階，坡面釋放的覆巖壓力遠(yuǎn)大于水平擠壓應(yīng)力，覆巖開挖后邊坡卸荷回彈角度與逐步趨近豎直方向。各階段邊坡開挖的坡頂坡底位移、最大位移和坡頂坡底卸荷回彈方向見表2，卸荷位移和卸荷角度范圍見圖5。

表2 邊坡變形指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

從圖4(b)可以看出，在3#臺(tái)階底部和6#臺(tái)階底部出現(xiàn)了圓弧滑移面，是典型的滑移破壞，且3#臺(tái)階比6#臺(tái)階的滑移裂縫更為明顯；圖4(c)為節(jié)理面滑移后節(jié)理層間破壞情況，邊坡在節(jié)理區(qū)域產(chǎn)生淺部的滑移變形破壞，各臺(tái)階試驗(yàn)可視水平破壞的深度見表3。從圖5還可以看出1#臺(tái)階～7#臺(tái)階淺部區(qū)域位移變化的不連續(xù)現(xiàn)象，位于邊坡淺部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移大于深部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移，由于節(jié)理層的滑移，邊坡淺部滑移帶監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移不再卸荷回彈，而是表現(xiàn)出與滑移方向一致的斜向下方向位移。

圖6為邊坡最終破壞情況，可以發(fā)現(xiàn)上部臺(tái)階卸荷破壞情況較為嚴(yán)重，節(jié)理張開十分明顯，3#臺(tái)階和6#臺(tái)階出現(xiàn)了圓弧形滑移破壞面，但是隨著深度增加，邊坡節(jié)理破壞情況逐漸減弱，用刻度尺對(duì)每個(gè)臺(tái)階破壞的水平深度進(jìn)行測(cè)量。圖7為不同開挖階段邊坡破壞深度圖，根據(jù)表3和圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著早期開采深度增加，各臺(tái)階的破壞深度也隨之增加，當(dāng)開采至4#臺(tái)階后，破壞深度趨于穩(wěn)定，基本在14～16 cm區(qū)間；根據(jù)幾何相似比推算，當(dāng)7#臺(tái)階形成后，該節(jié)理邊坡的開裂深度大致在37～40 m之間。

表3 各臺(tái)階試驗(yàn)水平破壞深度

圖6 邊坡最終破壞情況

圖7 不同開挖階段邊坡破壞深度

3 結(jié) 語

針對(duì)袁家村鐵礦西幫邊坡中復(fù)雜的節(jié)理?xiàng)l件，本文設(shè)計(jì)了相似材料試驗(yàn)，并借助XTDP攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)開挖邊坡進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，獲得了順層節(jié)理邊坡開挖過程中變形、破壞以及最終滑移的全過程。試驗(yàn)結(jié)果表明順層節(jié)理嚴(yán)重影響邊坡的穩(wěn)定性，在邊坡上部臺(tái)階形成過程中，坡體表層節(jié)理滑移破壞現(xiàn)象較為嚴(yán)重，隨著邊坡高度增加，表層節(jié)理滑移破壞逐漸減弱，但是節(jié)理開裂的深度也逐漸增加，當(dāng)?shù)?#臺(tái)階形成后，節(jié)理開裂深度達(dá)到了37～40 m。為了保證邊坡的整體穩(wěn)定性，需要對(duì)該邊坡提前進(jìn)行支護(hù)，保證后續(xù)開采工作的安全。