基于FLAC3D的黃土基底排土場邊坡破壞機理研究

孫慶山

(煤炭科學研究總院沈陽研究院， 遼寧撫順市 113122)

基于FLAC3D的黃土基底排土場邊坡破壞機理研究

孫慶山

(煤炭科學研究總院沈陽研究院， 遼寧撫順市 113122)

針對哈爾烏素露天礦黑岱溝黃土基底排土場邊坡，開展工程地質調查，建立相應地質模型，選取FLAC3D軟件，針對2個典型剖面進行穩定性分析，揭示了黑岱溝排土場排棄物內部滑動與底部沿基底弱層面滑動的破壞模式，對哈爾烏素露天礦安全生產有著重要的指導意義。

排土場;黃土基底;邊坡;破壞模式

0 引言

近年來，我國新興的現代化大型露天煤礦主要分布在西部及西北部的黃土高原地區，由于黃土多孔隙弱膠結的特點，決定了露天礦采礦的特殊性，也使得黃土邊坡滑塌成為制約露天礦邊坡穩定和運營安全的關鍵性因素之一。

黑岱溝黃土基底排土場為哈爾烏素露天煤礦外排土場，其基底主要持力層為第四系黃土層、第三系紅土層及風化基巖層。各層巖性的巖石力學指標都很低，并且受上游匯水的長期浸泡，力學強度進一步弱化，成為本區基底主要的、也是最具優勢、最危險的弱層。2009年12月，露天礦發現110 kV線路電桿出現側傾(見圖1)。一旦排土場發生滑坡，不僅影響生產，而且直接威脅人員設備的作業安全［1，2］。

圖1 排土場坡角受水長期浸泡出現局部坍塌

本文以FLAC3D軟件為分析平臺，針對黑岱溝黃土基底排土場邊坡進行數值模擬，從而揭示該排土場滑坡機理，確定滑坡模式，確保煤礦安全運營。

1 工程概況

哈爾烏素礦區位于鄂爾多斯高原東北部，東臨黃河，礦區內除黑岱溝、不連溝、哈爾烏素溝有基巖出露外，其余均為30 m左右的第四系黃土所覆蓋。由于該區氣候干旱少雨，植被稀少，降雨集中，水土流失嚴重，地表發育以黃河為主干的樹枝狀的河谷和沖溝，致使臺狀高原被切割得溝壑縱橫，地形支離破碎，異常復雜，形成具緩梁溝谷和高梁溝谷地形的沙丘地貌。哈爾烏素露天礦黑岱溝排土場屬于西部地區典型的黃土基底排土場。

2 黃土基底排土場破壞因素分析

由于黃土基底排土場的特殊性，邊坡滑坡前一般不易覺察，一經發現就難以避免，其規模大，滑速高的特點導致滑體似浮體一樣在短時間內“飛”出很遠，往往成為災害性滑坡。因此，在分析黑岱溝排土場邊坡穩定性時，應在研究內外因素的基礎上，找出主要影響因素，以及它們彼此間的內在聯系。

黑岱溝排土場基底介質條件較差，軟弱層的賦存條件和軟弱層本身的物理力學性質成為黑岱溝排土場邊坡失穩的主要內因。而黑岱溝排土場上部為剝離初期的黃土，在積水入滲的情況下，黃土含水量增加，強度降低，隨著排土場的大面積、高強度排棄，基底黃土內易形成演化弱層，成為邊坡失穩的主要外因。

3 FLAC3D數值模擬

結合黑岱溝排土場邊坡變形破壞因素的綜合分析，根據FLAC3D的特點和基本原理，通過對其數值模擬，分析邊坡內巖體位移、塑性區變化，揭示黑岱溝排土場滑坡機理，確定邊坡變形破壞模式［3～5］。

3.1 地質模型建立

本次計算選用典型剖面GK2、GK4進行模擬計算(見圖2)，模型的左右邊界和底部邊界分別施加水平(X)和垂直(Y)方向的位移約束，所有節點施加Z方向位移約束，從而構成位移邊界條件。介質采用Mohr－Coulomb模型，以保持整個系統受力體系的平衡。

圖2 地質剖面模型

3.2 計算參數的選取

巖土體物理力學參數的確定遵循以下原則:對一些關鍵性指標的巖體力學特性進行系統的測試研究，其力學參數基本依據試驗測試結果確定;對研究中未進行試驗測試的巖體物理力學指標，則主要采用工程地質類比法確定，具體物理參數見表1。

表1 黑岱溝排土場巖土物理力學性質指標

3.3 計算成果及分析

由圖3、圖4可知:受采礦的卸荷作用影響，臨空面發生回彈變形，位移較大的位置發生在邊坡較高臺階處，弱層處水平位移基本相等。模型上部位移矢量垂直向下，表現為沉降，中部位移矢量近乎與坡面平行，下部位移矢量在坡趾處剪出，其可能發生的破壞模式為排棄物內部滑動，即滑動面全部產生在排棄物中，滑面形式為圓弧破壞面。

圖3 水平位移分布

圖4 位移矢量

由圖5可知:隨著露天礦坑的開挖，邊坡體朝向礦坑一側的巖體形成臨空面，約束消失，對邊坡體潛在弱層起到了活化作用，在上覆巖土體的重力作用及臨空面約束消失所形成的應力釋放的雙重作用下，將加速弱層變形發展，致使弱層處存在塑性區。若塑性區一旦貫通至坡角處，可能導致滑體沿弱層滑動，在坡角處剪出，發生“坐落滑移式”的滑動破壞，其滑動面是由軟弱層面和切層部分的圓弧面組成的復合滑面。

圖5 剪切應變增量

4 結論

(1)通過對黑岱溝黃土基底排土場邊坡地質資料的收集、整理、分析，建立了黑岱溝黃土基底排土場邊坡地質簡化模型。

(2)通過對以往項目的巖土體試驗研究成果進行收集、歸納、分析，采用巖土體工程地質性質類比的方法，給出了黑岱溝黃土基底排土場邊坡數值模擬所用的巖土體物理力學性質指標。

(3)通過對研究區域內的2個典型剖面的數值模擬，得出如下結果:黑岱溝黃土基底排土場邊坡變形破壞模式為排棄物內部滑動與底部沿基底弱層面滑動。

(4)為保證黑岱溝黃土基底排土場邊坡的穩定性，建議開展滑坡治理工作，提高排土場的穩定性、保證露天礦安全生產。

［1］ 煤炭科學研究總院撫順分院.神華準能公司黑岱溝露天煤礦西排土場增高邊坡穩定性評價［R］.沈陽:煤炭科學研究總院沈陽研究院，2006，8.

［2］ 煤炭科學研究總院沈陽研究院.爾烏素露天煤礦黑岱溝排土場西部變形區邊坡穩定性評價與防治技術研究［R］.沈陽:煤炭科學研究總院沈陽研究院，2010，9.

［3］ 王學志，翟 誠，畢 重，等.FLAC3D在邊坡穩定分析中的應用［J］.吉林水利，2010，337(6):39－41.

［4］ 段小強，李俊鵬.基于ANSYS的黃土高邊坡穩定性分析［J］.山西建筑，2010，36(12):89－90.

［5］ 阿布·里提甫.基于FLAC3D的黃土邊坡穩定性分析［J］.中國煤炭地質，2008，20(9):32－35.

2011－06－14)

孫慶山(1959－)，男，遼寧北票人，高級工程師，主要從事計算機在礦山的應用開發工作，Email:mysqs@163.com。