劉骎,張千俊,郭沙,王文通

(1.中國黃金集團有限公司,北京 100011;2.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,四川 綿陽市 621000)

0 引言

隨著我國采礦行業(yè)的飛速發(fā)展,露天礦山的數(shù)量也在急劇增多,而邊坡在施工工程中經(jīng)常發(fā)生坍塌、滑坡等災(zāi)害,因此,邊坡的穩(wěn)定性也成為眾多學(xué)者研究的焦點。降雨作為誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要因素[1-2],是眾人研究邊坡穩(wěn)定性的主要方向。為保證邊坡施工的安全性,對降雨條件下礦山不同荷載作用的邊坡穩(wěn)定性進行安全評價是十分必要的。

目前,國內(nèi)外已有諸多學(xué)者開展了降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性分析。左韻琳等[3]分析了某滑坡在自然狀態(tài)和降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性,并針對邊坡特點提出了防范措施;鄭開歡、曾強等[4-5]分析了降雨之后巖體內(nèi)不同時間段的滲流飽水狀態(tài)和瞬態(tài)孔隙水壓力分布,利用孔壓與應(yīng)力耦合作用,研究了降雨后滑坡的發(fā)生機理;毛雪松、付宏淵等[6-7]通過數(shù)值模擬軟件,對降雨入滲條件下邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的下降情況進行了研究;姚奇等[8]結(jié)合物理試驗和數(shù)值模擬等手段研究德興銅礦在強降雨和開挖卸荷耦合作用下邊坡的變形演化規(guī)律和演化機制;李曉蓮等[9]以碎石土邊坡為例,研究了降雨、地震及降雨和地震耦合作用等不同極限工況下的邊坡穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)降雨會先快速降低、后緩慢降低邊坡穩(wěn)定性,地震會拉裂坡頂,坡腳出現(xiàn)剪切破壞,邊坡巖體含水量的增加會極大地加強地震對邊坡穩(wěn)定性的影響。

本文運用快速拉格朗日法(FLAC 法)計算邊坡典型剖面開挖完成后在不同工況下的安全系數(shù),研究其應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律,確定3種工況下邊坡安全系數(shù)和邊坡穩(wěn)定性,并分析地下水位升降對邊坡穩(wěn)定性的影響,為后續(xù)礦山的正常施工提供理論依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

西北某礦區(qū)地表出露地層如下。

(1) 第四系土層(Q4):第四系殘坡積層(Q4el+dl),主要分布于礦區(qū)西北側(cè)林山灣區(qū)域。

(2) 二疊系(P):二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)。

灰?guī)r:淺灰-灰色中至厚層狀粉晶灰?guī)r,夾雜少量泥質(zhì)灰?guī)r、方解石團塊,顯水平層理,具縫合線構(gòu)造,鉆探深度范圍內(nèi)按其風(fēng)化程度可分為強風(fēng)化泥巖和中等風(fēng)化泥巖2個亞層。

強風(fēng)化灰?guī)r(③-1):巖芯較破碎,呈柱狀及短柱狀,巖質(zhì)較軟。

中等風(fēng)化灰?guī)r(③-2):巖質(zhì)相對較硬,在場地內(nèi)不均勻分布破碎夾層及透鏡體,巖芯呈短柱狀、長柱狀,該層厚度大,未揭穿。

礦山受降雨影響,易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn),故在本次模擬開始之前進行了一系列室內(nèi)試驗,獲得各巖層在天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)下的巖石力學(xué)參數(shù),最終得到的巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

體積模量與剪切模量依據(jù)式(1)、式(2)進行換算:

式中,G為體積模量,MPa;E為彈性模量,MPa;v為泊松比;K為剪切模量,MPa。

2 模型建立

2.1 計算剖面的選取

為了能更準(zhǔn)確地反映出該礦區(qū)的穩(wěn)定性,選取典型剖面1-1進行分析(以下簡稱剖面1),剖面1邊坡高度為195 m,巖層分布較為均勻,剖面具體位置如圖1所示。

圖1 剖面位置

2.2 基本假定

(1) 本次計算采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型,各巖層為各向同性的彈塑性材料。

(2) 根據(jù)地質(zhì)勘查報告及現(xiàn)場調(diào)研情況,礦區(qū)內(nèi)地層單一,呈單斜產(chǎn)出,礦區(qū)附近并無斷層、褶皺等構(gòu)造。因此,忽略斷層、節(jié)理裂隙等不連續(xù)面對邊坡穩(wěn)定性的影響[10]。

(3) 采用擬靜力法分析邊坡在爆破與地震作用下的效應(yīng)。

(4) 邊界條件:固定其左、右邊界在X方向上的位移,約束底部邊界,其余邊界采用自由邊界,只考慮重力場的影響,不考慮其他外力場的影響。

2.3 本構(gòu)模型

數(shù)值模擬采用的本構(gòu)模型為:

式中,σ1為最大主應(yīng)力,MPa;σ3為最小主應(yīng)力,MPa;c為材料黏聚力,MPa;φ為材料內(nèi)摩擦角,(°);fs為破壞判斷系數(shù)。

2.4 數(shù)值建模

潘永堅等[11]通過研究,在邊坡模型尺寸的選取上給了一定的建議,為了減弱邊界對模擬效果的影響,最終所采用的模型大小如圖2 所示。本文以Rhino輔助FLAC3D 完成建模,使用GRIDDLE 插件對邊坡周圍的網(wǎng)格進行加密處理,并輸出成為FLAC3D 網(wǎng)格,最終的計算模型如圖3所示。

圖2 模型尺寸

圖3 開挖前模型

2.5 FLAC3D流固耦合

當(dāng)使用FLAC3D 進行流固耦合分析時,往往需要耗費大量的計算時間,但在工程計算中,可以采用不同程度的耦合方法來進行分析,從而減少計算時間[12]。在進行方法選擇時,主要是由以下3個主要因素來決定。

(1) 問題的力學(xué)時標(biāo)與礦山特征時間之間的比值。

(2) 施加擾動的屬性。

(3) 流圖剛度與土骨架的剛度比,稱為流固剛度比Rk。

本次模擬采用第3 種透水邊界來實現(xiàn)滲流過程,首先關(guān)閉力學(xué)計算打開滲流計算,形成穩(wěn)定的孔壓場之后關(guān)閉滲流計算,打開力學(xué)計算,從而實現(xiàn)一種假耦合計算模型。為減少形成穩(wěn)定滲流場的時間,本次試驗采用的參數(shù)見表2,固定模型左、右邊界水頭高度,坡體表面固定為零孔壓邊界,最終生成的穩(wěn)態(tài)滲流場如圖4所示。

圖4 穩(wěn)態(tài)滲流場

表2 流體參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 開挖結(jié)果分析

由圖5可以看出,邊坡的位移主要集中在坡頂?shù)膹婏L(fēng)化區(qū)域,最大值為15.5 cm,變形量較小。邊坡表面也產(chǎn)生了小范圍位移,這主要是由于開挖卸荷過程中引起了巖體的應(yīng)力釋放,以及地下水位的變化,產(chǎn)生了小部分塑性回彈。

圖5 邊坡主位移

為了分析坡體應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律,在臨近坡面?zhèn)鹊钠麦w中沿不同高程設(shè)置監(jiān)測點,采集坡體的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù),處理后的結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 應(yīng)力分布

圖7 位移分布

由圖6可知,在邊坡坡面總應(yīng)力與剪應(yīng)力分布規(guī)律基本一致,呈不規(guī)則分布,在坡腳處應(yīng)力最大,在臺階階腳處的應(yīng)力較大,而在臺階面上的應(yīng)力較小,隨著高程的逐漸增大,應(yīng)力逐漸趨近于零。由圖7可知,水平位移在坡面呈先增加后減小的趨勢,最大位移變形發(fā)生在坡腳第二臺階中風(fēng)化較完整處,位移量為3.17 cm,表明此處可能發(fā)生了剪切破壞,需要進行加固處理。這主要是由于該臺階處為巖石破碎帶,力學(xué)性能較差。豎向位移最大為9 cm,發(fā)生在坡頂強風(fēng)化灰?guī)r位置,此處位移較大,可能發(fā)生局部破壞,隨著高程的逐漸增加,位移呈緩慢增大的趨勢,符合一般邊坡變形規(guī)律。

3.2 終了邊坡穩(wěn)定性分析

本文按以下3種工況進行模擬計算:降雨(地下水)、降雨(地下水)+爆破、降雨(地下水)+地震。礦區(qū)所屬的地區(qū)地震烈度為6度,通過式(4)可得礦區(qū)水平方向設(shè)計地震加速度,對于垂直方向上地震加速度,一般取值為水平設(shè)計地震加速度的2/3,爆破水平設(shè)計加速度參數(shù)通過式(5)可得,不考慮爆破水平設(shè)計加速度。

式中,F i為邊坡上某質(zhì)點i爆破震動荷載的靜力等效值;αh為水平方向上的設(shè)計地震加速度代表值,對設(shè)計烈度為6,7,8,9度時,分別取0.05g、0.1g(0.15g)、0.2g(0.3g)和0.4g;ξ為效應(yīng)折減系數(shù)值,除另有規(guī)定外,應(yīng)取0.25;G Ei為集中在邊坡上某質(zhì)點i的重力作用值;αi為邊坡上某質(zhì)點i的地震慣性力的動態(tài)分布系數(shù),αi在設(shè)計烈度為7,8,9度時,分別取3.0,2.5,2.0;g為重力加速度,取9.81 m/s2。

式中,β1 為爆破作用下的動力折算系數(shù);W i為邊坡上第i條塊的巖體重量;αi為邊坡上第i條塊巖體中爆破震動的峰值質(zhì)點振動加速度;αi/g為爆破地震系數(shù)。

根據(jù)規(guī)范[13],確定該礦區(qū)露天礦邊坡危害等級為Ⅰ級,邊坡工程安全等級為Ⅰ級,該邊坡終了開采高度為100～300 m,邊坡地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜等級為中等復(fù)雜。不同的荷載組合邊坡設(shè)計安全系數(shù)推薦值見表3。

表3 不同荷載組合總體邊坡的設(shè)計安全系數(shù)

由圖8至圖10可知,剖面1在3種工況下皆滿足設(shè)計要求,且有一定的富余量,表明該礦區(qū)邊坡皆處于穩(wěn)定狀態(tài),初步設(shè)計符合相關(guān)規(guī)范。

圖8 降雨工況

圖10 降雨+地震工況

3.3 地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響

為了研究地下水位升降對邊坡穩(wěn)定性的影響,通過改變地下水左邊界水頭高度的方法來探究地下水在不同高度下對邊坡的影響大小。在天然狀態(tài)下最終結(jié)果如圖11所示(圖中橫坐標(biāo)0為最低開采平面)。

圖11 安全系數(shù)變化趨勢

由圖11可以看出,不同地下水位對邊坡穩(wěn)定性造成一定影響,其安全系數(shù)從1.820下降至1.485。通過這些數(shù)據(jù)可以說明,當(dāng)邊坡內(nèi)部地下水位在坡面以下時,邊坡安全系數(shù)基本穩(wěn)定不變,對邊坡造成的影響并不大,當(dāng)?shù)叵滤簧咧烈欢ǜ叨葧r,邊坡穩(wěn)定性將會迅速降低。因此,在實際工程中應(yīng)重視地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響。

4 結(jié)論

(1) 通過數(shù)值模擬手段,探究了邊坡坡面上應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律,應(yīng)力沿坡腳從下至上逐漸減小,在軟弱夾層及臺階階腳處會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。水平位移在坡面呈先增加后減小的趨勢,豎向位移隨著高程的增加呈緩慢增大的趨勢。

(2) 通過分析,發(fā)現(xiàn)軟弱夾層會影響邊坡的局部穩(wěn)定,需在夾層處采取加固措施,防止破壞的發(fā)生。

(3) 當(dāng)?shù)叵滤仙吝吰缕旅嬉陨蠒r將會對邊坡穩(wěn)定性造成一定的影響,在實際工程中應(yīng)當(dāng)重視地下水對邊坡穩(wěn)定性的削弱作用。

(4) 該礦區(qū)初步設(shè)計的邊坡穩(wěn)定性較好,符合相關(guān)規(guī)范,可為該礦區(qū)邊坡開挖提供相關(guān)理論依據(jù)。