劉 洋 楊天鴻 李 華,3 楊意德 趙 永 李金多 鄧文學(xué)

(1.東北大學(xué)資源土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819;2.東北大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究所,遼寧 沈陽(yáng) 110819;3.河北鋼鐵集團(tuán)司家營(yíng)研山鐵礦有限公司,河北 唐山 063701)

隨著國(guó)家資源的開發(fā)以及工程建設(shè)的迅速發(fā)展,大量反傾巖質(zhì)邊坡的變形穩(wěn)定性問題被發(fā)現(xiàn)和提出,在一些重大工程中,反傾巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性成為無(wú)法回避的關(guān)鍵性工程地質(zhì)問題。 一般認(rèn)為反傾邊坡較其他結(jié)構(gòu)類型邊坡穩(wěn)定,不易發(fā)生失穩(wěn),不易形成貫通滑動(dòng)面,因此對(duì)此類型邊坡穩(wěn)定性的研究成果相對(duì)薄弱[1-3]。 大量工程實(shí)例表明,反傾邊坡變形破壞形成彎曲拉裂面一般需經(jīng)歷較長(zhǎng)的孕育過程,一旦失穩(wěn),其破壞程度通常是劇烈的,且造成的危害也相當(dāng)嚴(yán)重[4-7]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從試驗(yàn)和數(shù)值模擬角度針對(duì)反傾邊坡變形破壞問題進(jìn)行了廣泛的研究。 陶志剛等[8]研究結(jié)果表明:層狀反傾邊坡變形過程具有明顯的“疊合懸臂梁”變形特征,其傾倒機(jī)制主要表現(xiàn)為巖層初始裂紋產(chǎn)生、巖層裂紋發(fā)育以及滑動(dòng)面貫通邊坡失穩(wěn)3 個(gè)階段。 李彥奇等[9]進(jìn)行了相似材料模型試驗(yàn),通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移及法向應(yīng)力監(jiān)測(cè)驗(yàn)證數(shù)值模型,模擬了反傾巖質(zhì)邊坡坡體傾倒變形破壞全過程。 李明霞等[10]利用離散元軟件UDEC 對(duì)層狀反傾巖質(zhì)邊坡進(jìn)行模擬分析得出邊坡坡高、坡角、層面結(jié)構(gòu)、力學(xué)參數(shù)(層面傾角、層面產(chǎn)狀、巖層強(qiáng)度)及坡面與層面夾角等因素均對(duì)邊坡傾倒變形有顯著影響。 黃潤(rùn)秋等[11]以皖南某高速公路反傾層狀邊坡為例,使用離散元法分析了其傾倒破壞機(jī)理并揭示了邊坡變形分區(qū)現(xiàn)象。

目前,數(shù)值模擬普遍作為特定條件下的機(jī)理分析手段,但無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)改變條件時(shí)的實(shí)時(shí)模擬分析?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段可有效獲取巖體位移以及微破裂信息,通過進(jìn)行反演分析來(lái)實(shí)時(shí)獲取巖體力學(xué)參數(shù)與邊界位移條件[12]。 不少學(xué)者已將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)值模擬作為研究邊坡穩(wěn)定性的有效手段[13-15]。 白潔等[16]以苗尾水電站為例,結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和反傾層狀巖質(zhì)邊坡有限元模型,研究了反傾邊坡變形特點(diǎn)及穩(wěn)定性影響因素;楊建華等[17]采用現(xiàn)場(chǎng)巖體位移監(jiān)測(cè)、錨索軸力監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬手段研究了爆破開挖擾動(dòng)下錨固節(jié)理巖質(zhì)邊坡的位移突變特征及其能量機(jī)理。 XU等[18]將微震數(shù)據(jù)與RFPA 數(shù)值模擬相結(jié)合,提出考慮微震損傷效應(yīng)的巖體劣化準(zhǔn)則,對(duì)錦屏一級(jí)水電站邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

本研究以研山西幫反傾巖質(zhì)邊坡為例,在西幫重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)用鉆孔測(cè)斜儀、錨桿應(yīng)力計(jì)、微震監(jiān)測(cè)、高清攝像頭進(jìn)行坡內(nèi)及坡表協(xié)同監(jiān)測(cè),通過對(duì)坡體內(nèi)部位移、應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析,判斷邊坡潛在風(fēng)險(xiǎn),基于微震監(jiān)測(cè)的潛在破壞模式及微震事件的時(shí)空演化趨勢(shì)分析,輔以Phase2 有限元數(shù)值模擬軟件采用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段,對(duì)研山西幫反傾巖質(zhì)邊坡變形機(jī)制進(jìn)行探討。

1 工程地質(zhì)概況及三維地質(zhì)模型

1.1 工程地質(zhì)特征

研山鐵礦是國(guó)內(nèi)特大型露天沉積變質(zhì)型鐵礦,研山西幫邊坡位于礦體上盤,屬于反傾巖質(zhì)邊坡,且層理角度較緩約為12°。 由于西幫為工作幫,除了局部的第四系邊坡靠幫到界以外,大部分的臺(tái)階尚未到界,西幫邊坡境界外仍具有大量已探明的礦體資源,西幫邊坡境界外賦存的礦體厚大,礦石儲(chǔ)量高達(dá)1.6億t。 隨著礦山生產(chǎn)能力不斷提升,采場(chǎng)降深速度較快,礦場(chǎng)封閉圈標(biāo)高+30 m,現(xiàn)已開采至-217 m 境界。 礦區(qū)內(nèi)第四系表土層厚大,覆蓋在最上部,第四系表土層以下,臺(tái)階大多數(shù)采用65°左右的臺(tái)階坡面角,就目前來(lái)看能保持穩(wěn)定性,并無(wú)滑坡跡象。 研山西幫主要巖性有含燧石條帶白云巖和石英砂巖,目前揭露的巖體中并未發(fā)現(xiàn)有不良地質(zhì)體(斷層、局部破碎帶)出露。

1.2 三維地質(zhì)模型

在對(duì)采場(chǎng)地質(zhì)勘探及測(cè)繪獲取的地質(zhì)資料進(jìn)行解譯推斷的基礎(chǔ)上,對(duì)研山鐵礦進(jìn)行了三維地質(zhì)建模。 如圖1 所示,三維模型中包含了巖性分界面以及地層分布情況,隨著西幫第四系厚覆土層邊坡的有效治理以及開采深度不斷下降,西幫邊坡巖體由含燧石白云巖逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閹r體質(zhì)量更佳的石英砂巖,坑底為混合巖化黑云變粒巖和分枝復(fù)合的BIF 型礦體,西幫邊坡巖性由上部到坑底強(qiáng)度依次提高。

圖1 研山鐵礦三維地質(zhì)模型Fig.1 Three-dimensional geological model of Yanshan Iron Mine

2 邊坡原位監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)布置方案

考慮到采場(chǎng)邊坡潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,并根據(jù)研山西幫采場(chǎng)工程地質(zhì)及運(yùn)輸路線的布設(shè)情況,選擇研山鐵礦西幫西北部-21～-52 m 已靠幫邊坡為變形監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)研究區(qū)域。 協(xié)同監(jiān)測(cè)布置方案如圖2 所示,監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)楹菔自茙r和白云巖與石英砂巖互層巖性界面,鉆孔測(cè)斜儀孔深30 m,3 個(gè)傳感器編號(hào)依次為1#、2#、3#,分別位于孔內(nèi)3、14、25 m 處。 錨桿應(yīng)力計(jì)孔深均為20,-42 m 和-30 m 平臺(tái)各布置4 個(gè)傳感器,傳感器間距為4 m,編號(hào)依次為 1#、2#、3#、4#(-42 m)和5#、6#、7#、8#(-30 m)。 微震傳感器分別布設(shè)在坡腳處約30°的6 m 傾斜孔底部。 高清攝像頭布置在-42 m 平臺(tái)北側(cè)。

圖2 監(jiān)測(cè)區(qū)域示意Fig.2 Schematic of the monitoring area

2.2 錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

當(dāng)邊坡內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力變化時(shí),錨桿應(yīng)力計(jì)將感受到的拉伸或壓縮變形,傳遞給振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化,從而改變振弦的振動(dòng)頻率。 2021 年8 月—2021 年9 月-42 m 及-30 m 平臺(tái)錨桿應(yīng)力計(jì)振動(dòng)頻率變化量曲線及采場(chǎng)雨量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3 所示。 由圖3 可知,-42 m 平臺(tái)應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)波動(dòng)特征為:受8月中旬、9 月中旬降雨影響;1#傳感器位于鉆孔4 m處,有明顯應(yīng)力波動(dòng);2#傳感器位于鉆孔8 m 處,應(yīng)力波動(dòng)小于1#傳感器;3#傳感器位于鉆孔12 m 處;在8月中旬降雨時(shí)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力波動(dòng);4#傳感器位于鉆孔16 m 處,僅有微弱的應(yīng)力波動(dòng)。

圖3 應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果及降雨統(tǒng)計(jì)(2021 年)Fig.3 Statistics of stress monitoring results and rainfall (2021)

5#傳感器前期進(jìn)行了檢查調(diào)試過程,8#傳感器經(jīng)檢查為設(shè)備損壞,故不考慮其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。 -25 m 平臺(tái)應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)波動(dòng)特征為:受9 月中旬降雨影響,5#傳感器位于鉆孔4 m 處,應(yīng)力波動(dòng)最大;6#、7#傳感器分別位于鉆孔8 m、12 m 處,應(yīng)力波動(dòng)依次減小。

2.3 鉆孔測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)結(jié)果

測(cè)斜儀是一種量測(cè)儀器軸線與鉛垂線之間夾角的變化量,進(jìn)而計(jì)算出巖土層各點(diǎn)的水平位移的儀器。 邊坡深部位移監(jiān)測(cè)是研究邊坡深部位移變化特征行之有效的手段[19]。 2021 年8 月—2021 年9 月3個(gè)鉆孔測(cè)斜儀角度變化量曲線如圖4 所示。 分析可知:邊坡未受降雨影響產(chǎn)生位移變化,鉆孔測(cè)斜儀1#、2#、3#初始值分別為-0. 67°、-2. 493°、-1. 411°,2021 年9 月末數(shù)值變?yōu)?0.697°、-2.504°、-1.411°,差值分別為-0. 027°、-0. 011°、0°。 由此可知,位于鉆孔3 m 處的1#測(cè)斜儀夾角變化最大,其次是位于鉆孔14 m 處的2#測(cè)斜儀,位于鉆孔25 m 處的3#測(cè)斜儀位移沒有變化。

圖4 位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.4 Displacement monitoring curves

2.4 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果解譯

2.4.1 微震事件的時(shí)空演化趨勢(shì)

微震系統(tǒng)于2021 年8 月底正式運(yùn)行,對(duì)微震事件進(jìn)行了實(shí)時(shí)處理,包括了波形識(shí)別、到時(shí)拾取、定位等工作。 8 月30 日—10 月19 日共處理得到108 個(gè)有效微震事件,日平均2.8 個(gè)微震事件。 統(tǒng)計(jì)了微震事件空間分布狀態(tài),并計(jì)算得出監(jiān)測(cè)區(qū)域的能量密度云圖,結(jié)果如圖5 所示。 由圖5 可知:微震事件主要在-30～-52 m 平臺(tái)邊坡淺層集中程度較高,深部分布少且較離散。 此外,高能量微震事件主要集中于-75 m 平臺(tái)以下,更接近于現(xiàn)場(chǎng)爆破區(qū)域,-88 m 平臺(tái)附近的高能量微震事件主要由爆破開挖引起。

圖5 微震能量密度云圖Fig.5 Microseismic energy density cloud map

通過對(duì)微震數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析,計(jì)算得出監(jiān)測(cè)區(qū)域的應(yīng)力降(巖石破壞時(shí)應(yīng)力由峰值強(qiáng)度降為殘余強(qiáng)度的現(xiàn)象)云圖如圖6 所示。 由圖6 可知:微震事件高能量集中區(qū)在-52～-75 m 平臺(tái)淺層分布明顯,應(yīng)力釋放也表現(xiàn)出了相同的特性,由此可見,高坡段為潛在失穩(wěn)破壞區(qū)域。

圖6 應(yīng)力降現(xiàn)象Fig.6 Stress drop phenomenon

2.4.2 基于微震監(jiān)測(cè)的潛在破壞模式分析

為進(jìn)一步分析監(jiān)測(cè)區(qū)域的潛在破壞模式,對(duì)微震事件的波形進(jìn)行了深入討論,計(jì)算了各個(gè)微震事件的P 波能量與S 波能量,獲取了ES∶EP參數(shù)。 當(dāng)ES∶EP<3 時(shí),表示巖體破裂類型為張拉破裂;ES∶EP>10 時(shí),表示巖體破裂類型為剪切破裂;310 的微震事件占比為6. 5%。由此可見,上述分析的潛在失穩(wěn)破壞區(qū)域的破裂模式主要為張拉破裂。

圖7 微震事件ES ∶EP 值分布Fig.7 Distribution of the ES ∶EP values of microseismic events

2.5 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)目前獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知,通過高清攝像頭觀察邊坡并無(wú)大變形等滑坡前兆,鉆孔測(cè)斜儀及錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,僅坡內(nèi)14 m 深度及以上有較小的位移變化,深部無(wú)位移變化,受降雨影響坡內(nèi)發(fā)生較明顯的應(yīng)力波動(dòng)。 坡內(nèi)位移及應(yīng)力變化量均隨著深度增加呈減小趨勢(shì),從邊坡水平位移變化量趨于平穩(wěn)來(lái)看,目前邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。 微震監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)-30～-75 m 平臺(tái)邊坡微震事件呈現(xiàn)出了密集—貫通性分布狀態(tài),但是根據(jù)位移及應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看,邊坡沿坡腳發(fā)生切層滑移的可能性不大。 從微震事件分布情況及反演分析得出邊坡存在高坡段失穩(wěn)破壞的潛在風(fēng)險(xiǎn),且淺層有形成拉裂松動(dòng)破壞趨勢(shì)。

3 邊坡破壞過程數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型構(gòu)建及參數(shù)選取

本研究采用Phase2 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析,該款軟件的強(qiáng)度折減模塊是對(duì)巖土體材料本身以及結(jié)構(gòu)面同時(shí)自動(dòng)折減,本研究通過結(jié)構(gòu)面折減有限元法分析反傾巖質(zhì)邊坡變形機(jī)制[20]。 數(shù)值模擬以三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ),針對(duì)西幫局部-30～-52 m 臺(tái)階監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)區(qū)域進(jìn)行二維剖面建模,構(gòu)建的有限元網(wǎng)格模型如圖8 所示。 模型位移邊界條件為:模型上部為自由邊界,左右兩側(cè)邊界結(jié)點(diǎn)建立法向位移約束,底部結(jié)點(diǎn)建立水平和法向剛性約束,設(shè)置層理角為12°。 模型上部為含燧石條帶白云巖,下部為白云巖與石英砂巖互層,兩種巖性的巖體抗剪強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)根據(jù)巖石試驗(yàn)成果進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)折減,結(jié)果見表1。 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)邊坡節(jié)理實(shí)測(cè)結(jié)果,添加了隨機(jī)豎向節(jié)理進(jìn)行數(shù)值模擬,節(jié)理幾何參數(shù)取值見表2。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock mass

表2 節(jié)理力學(xué)參數(shù)Table 2 Joint mechanical parameters

圖8 有限元網(wǎng)格模型Fig.8 Finite element mesh model

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

通過Phase2 模擬位移場(chǎng)的變化規(guī)律,可以直觀地反映實(shí)際的變形破壞特征[21]。 數(shù)值模擬結(jié)果不僅能得到巖質(zhì)邊坡安全系數(shù),也能再現(xiàn)邊坡失穩(wěn)過程中巖石微破裂萌生、發(fā)育、擴(kuò)展、相互作用直至貫通形成潛在滑裂面全過程[22]。 數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖9 和圖10所示,邊坡發(fā)生屈服破壞時(shí)所受剪切與張拉應(yīng)力分布情況可以通過Ⅰ、Ⅰ′和Ⅱ、Ⅱ′兩個(gè)破裂區(qū)對(duì)比看出,邊坡為拉應(yīng)力主導(dǎo)的變形破壞。 從邊坡變形破壞位移云圖(圖9)來(lái)看,邊坡在豎向節(jié)理與反傾層理的切割作用下逐漸形成貫通滑動(dòng)面,下部臺(tái)階先發(fā)生拉裂破壞,下部臺(tái)階拉裂滑移對(duì)上部臺(tái)階的牽引作用,使得上部臺(tái)階出現(xiàn)了明顯的拉張裂縫并伴隨有傾倒破壞趨勢(shì),邊坡沿著下部臺(tái)階向外滑移,滑出位置為距坡腳一定位置的臺(tái)階面上,整體邊坡為傾倒滑移變形。

圖9 邊坡變形破壞位移云圖Fig.9 Displacement nephogram of slope deformation and failure

圖10 邊坡破壞分析結(jié)果Fig.10 Slope failure analysis results

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐角度分析,邊坡受爆破開挖影響易發(fā)生裂隙擴(kuò)展,從而導(dǎo)致坡體淺層局部松動(dòng)卸荷,有發(fā)生拉裂破壞的潛在風(fēng)險(xiǎn),故需密切關(guān)注監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化,及時(shí)對(duì)滑坡風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警。

4 結(jié) 論

對(duì)研山西幫研究區(qū)域反傾巖質(zhì)邊坡的變形機(jī)制進(jìn)行分析,得出如下結(jié)論:

(1)原位監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法更貼合邊坡工程實(shí)際情況,通過微震監(jiān)測(cè)反演得到的潛在滑動(dòng)面及破壞模式與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致,較好地揭示了反傾巖質(zhì)邊坡變形機(jī)制。

(2)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,受降雨影響坡內(nèi)發(fā)生了明顯的應(yīng)力波動(dòng),但邊坡水平位移變化量趨于平穩(wěn),邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。 綜合分析邊坡潛在變形破壞機(jī)制為下部臺(tái)階先發(fā)生拉裂破壞,由于下部臺(tái)階拉裂滑移對(duì)上部臺(tái)階的牽引作用,上部臺(tái)階受拉傾倒,整體邊坡為傾倒滑移變形。

(3)本研究尚存不足之處,前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較少,長(zhǎng)期穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于研究反傾巖質(zhì)邊坡變形機(jī)制更具有指導(dǎo)意義。