滲流作用下露天煤礦邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

王 明，趙玉成,2，劉家成，蘇 海，李敏妙

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州，221116 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州，221116)

邊坡的穩(wěn)定性是露天礦安全開(kāi)采的重要保障。因邊坡失穩(wěn)造成的地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重影響正常的采礦作業(yè)，威脅人員和設(shè)備的安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。復(fù)雜的區(qū)域構(gòu)造背景、力學(xué)性質(zhì)薄弱的巖性是導(dǎo)致?lián)犴樜髀短烀旱V邊坡失穩(wěn)的重要因素，而滲流的作用更不可小覷。撫順西露天煤礦開(kāi)采過(guò)程中，其生態(tài)系統(tǒng)被破壞，地下水及雨水的滲入，一方面會(huì)溶解巖體中的部分可溶物質(zhì)，使土體抗剪能力變差，另一方面水在巖體中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生滲透力作用在土體上，使邊坡巖體發(fā)生平面破壞、楔形破壞、圓弧破壞和傾倒破壞，對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成不利影響。2005年“8·13”強(qiáng)降雨造成撫順西露天煤礦北幫出現(xiàn)兩條巨大的地裂縫，其重要原因之一就是水的作用[2]。

目前，對(duì)水的作用下煤礦邊坡穩(wěn)定性研究中，大部分考慮的是水對(duì)土體中物質(zhì)成分產(chǎn)生影響，使土體抗剪能力變差，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。韓占占[3]曾用Morgenstern-Price法來(lái)確定邊坡安全系數(shù)，為露天煤礦邊坡穩(wěn)定性分析提供科學(xué)依據(jù)，但其并沒(méi)有考慮水流動(dòng)產(chǎn)生的滲流力影響。本文以撫順西露天煤礦均質(zhì)土坡為對(duì)象，在考慮滲流作用的情況下，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)露天煤礦邊坡的內(nèi)部應(yīng)力、位移和安全系數(shù)進(jìn)行研究，以期為預(yù)防露天煤礦礦坑的邊坡破壞及制定滑坡治理方案提供參考。

1 滲流對(duì)邊坡失穩(wěn)的影響

1.1 靜水壓力的影響

靜水壓力對(duì)巖體性質(zhì)產(chǎn)生影響。當(dāng)水向下滲透進(jìn)入巖體內(nèi)的空隙和裂隙時(shí)，土體含水量增大，土體容重和孔隙水壓力也隨之增大，而有效應(yīng)力隨之減小，從而引起剪應(yīng)力的增大和土體抗剪能力的降低。

1.2 動(dòng)水壓力的影響

水在土體中流動(dòng)時(shí)會(huì)搖曳土粒而對(duì)其穩(wěn)定性帶來(lái)不利影響。水流加于土體的力稱為滲透力，將單元滲透力分解到直角坐標(biāo)系中[4]：

(1)

(2)

式中：Px、Py為單元滲透力；h為水頭函數(shù)；V為單元體積；νw為水的容重；νwV為單元所受的浮力。當(dāng)坡面有水出流時(shí)，水流動(dòng)產(chǎn)生的滲透力作用于土體，這種力相當(dāng)于外部施加一種水平推力，使土體內(nèi)部應(yīng)力分布發(fā)生改變，對(duì)邊坡穩(wěn)定性極為不利。

2 露天煤礦邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

本文利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)露天煤礦邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。撫順西露天煤礦某均質(zhì)土坡如圖1所示，其坡高為18 m，坡角為53°，土體天然密度為1827 kg/m3，飽和重度為21 kN/m3，黏聚力為25 kPa，內(nèi)摩擦角為18°，土體孔隙率為0.3。邊坡土體等效為各向同性連續(xù)介質(zhì)，其滲透系數(shù)為0.14 m/d，彈性模量為30 MPa，泊松比為0.25。

圖1 邊坡示意圖Fig.1 Schematic diagram of the side slope

滲流分析的邊界條件為：區(qū)域底面為不透水面，邊坡表面為可能逸出面邊界，右側(cè)施加17 m水頭，左側(cè)施加10 m水頭。穩(wěn)定計(jì)算邊界條件為：左右兩側(cè)水平約束，下部固定，上部為自由邊界。

為了進(jìn)行對(duì)比分析，本文同時(shí)還建立了沒(méi)有施加滲流力的有限元模型。

2.2 數(shù)值模擬與分析

2.2.1 自由面的確立和水力坡降分布規(guī)律

均質(zhì)邊坡由于水頭差的存在而產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)，滲流場(chǎng)對(duì)邊坡的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)都有很大的影響。在進(jìn)行滲流場(chǎng)分析時(shí)采用整體建模方式。由于自由面上下的滲透系數(shù)不同，故首先采用改進(jìn)的單元滲透系數(shù)調(diào)整法來(lái)迭代計(jì)算求解自由面，然后選擇單元屬性為平面四邊形四結(jié)點(diǎn)單元(plane55)，一次性劃分所有單元，并賦予不同的材料屬性，最后進(jìn)行求解。

通過(guò)改進(jìn)的單元滲透系數(shù)調(diào)整法得到的邊坡自由面如圖2所示。邊坡的滲流量分布如圖3所示。結(jié)合圖2和圖3可以看出，自由面以上的區(qū)域沒(méi)有滲流場(chǎng)，在自由面上總水頭保持不變，自由面以下是滲流場(chǎng)分布區(qū)域，計(jì)算得到浸潤(rùn)面逸出點(diǎn)的坐標(biāo)為(13.36，14.48)。由圖3還可以看出，在坡腳處滲流量非常集中，易引起流土現(xiàn)象。

在滲流場(chǎng)中定義一條路徑P1，將水力坡降值映射到這條路徑上，如圖4所示。

路徑P1上的水力坡降值如圖5所示。由圖5可以看出，路徑P1上的水力坡降分布規(guī)律是：沿著滲流的方向水力坡降值逐漸增大，即越接近坡腳處，水力坡降值越大。由此可推知，當(dāng)發(fā)生滲流滑坡時(shí)最容易從坡腳處開(kāi)始破壞，然后才會(huì)慢慢擴(kuò)展到整個(gè)邊坡。因此，在防止邊坡滑移時(shí)，對(duì)坡腳部分進(jìn)行處理是一種行之有效的措施。

圖2 滲透壓分布圖Fig.2 Distribution contour of osmotic pressure

圖3 滲流量分布圖Fig.3 Distribution contour of seepage flow

圖4 路徑P1Fig.4 Route P1

圖5 路徑P1上的水力坡降Fig.5 Hydraulic gradient on route P1

2.2.2 邊坡的內(nèi)部應(yīng)力和位移

用ANSYS完成滲流場(chǎng)分析后，通過(guò)后處理程序可以求得單元(本文取四節(jié)點(diǎn)單元)上各節(jié)點(diǎn)的水頭梯度值，根據(jù)式(1)和式(2)進(jìn)而可求得單元上的平均滲透力，將單元滲透力轉(zhuǎn)化為等效結(jié)點(diǎn)荷載來(lái)分析，實(shí)現(xiàn)滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的間接藕合，獲得邊坡的各種應(yīng)力分布情況。圖6為有滲流和無(wú)滲流兩種情況下的邊坡切應(yīng)力τxy分布云圖。

由圖6可知，滲流場(chǎng)使邊坡應(yīng)力場(chǎng)得以重新分布，在自由面以下存在滲流，應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生很大的變化；在自由面以上無(wú)滲流，應(yīng)力場(chǎng)變化不大。從τxy云圖中還可以看出，在無(wú)滲流和有滲流兩種情況下，坡腳處都存在很大的剪應(yīng)力，此處最容易產(chǎn)生剪切破壞。

(a)有滲流

(b)無(wú)滲流

圖6邊坡切應(yīng)力τxy分布云圖

Fig.6Shearstressdistributioncontoursofthesideslope

位移的大小直接反映邊坡變形與破壞的趨勢(shì)，通過(guò)ANSYS強(qiáng)大的后處理功能可以得到兩種情況下的邊坡位移，如表1所示。

表1 邊坡位移Table 1 Displacement of the side slope

由表1可見(jiàn)，沿x軸負(fù)方向，有滲流作用下的位移比無(wú)滲流作用下的位移大得多，產(chǎn)生這種差異的主要原因是滲流作用使土體受到沿x軸負(fù)方向的附加力；沿y軸負(fù)方向，有滲流作用下的位移總體上要比無(wú)滲流作用下的位移小，這是由于滲流使土體產(chǎn)生向上的附加力的作用結(jié)果；從總位移上來(lái)看，兩種情況下的最大總位移都與y方向最大位移一致，這是由于最大位移點(diǎn)處受x方向約束。

2.2.3 邊坡的安全系數(shù)

邊坡的安全儲(chǔ)備能力大小直接影響著邊坡的穩(wěn)定性。本文在求解邊坡安全系數(shù)時(shí)利用ANSYS 12.0提供的巖土非線性彈塑性模型，模型遵循Druker-Prager屈服準(zhǔn)則，剪脹角ψ′=0，即沒(méi)有體積膨脹。用強(qiáng)度折減有限元方法[5]進(jìn)行計(jì)算，求得：有滲流作用下邊坡的安全系數(shù)Fs=1.609，臨界收斂時(shí)的等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D7所示；無(wú)滲流作用下邊坡的安全系數(shù)Fs=1.902，臨界收斂時(shí)的等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D8所示。

圖7 滲流作用下Fs=1.609時(shí)的邊坡等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

Fig.7EquivalentplasticstraincontourofthesideslopewithseepagewhenFs=1.609

圖8無(wú)滲流作用下Fs=1.902時(shí)的邊坡等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

Fig.8EquivalentplasticstraincontourofthesideslopewithoutseepagewhenFs=1.902

雖然圖7中的邊坡等效塑性區(qū)域沒(méi)有貫通，但是當(dāng)取Fs>1.609時(shí)ANSYS計(jì)算不收斂，所以有滲流作用下邊坡的安全系數(shù)還是確定為1.609。

通過(guò)有限元強(qiáng)度折減法和等效塑性應(yīng)變?cè)茍D，可找出準(zhǔn)確的邊坡滑移面并得到滑移面的穩(wěn)定安全系數(shù)。在邊坡存在滲流的情況下，土的抗剪能力變差，加上滲透力作用于土體，使其容易遭到破壞，安全系數(shù)下降。

3 結(jié)論

(1)對(duì)于富水地區(qū)的露天煤礦，水的滲流使邊坡穩(wěn)定性下降，邊坡更容易被破壞。由于坡度等原因，本文研究的邊坡模型主要以平面破壞為主。

(2)與無(wú)滲流情況相比，滲流作用使邊坡自由面以下的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生很大變化，而自由面以上的應(yīng)力場(chǎng)變化不大。

(3)在無(wú)滲流和有滲流兩種情況下，坡腳處都存在很大的剪應(yīng)力，此處最易產(chǎn)生剪切破壞，然后慢慢向上擴(kuò)展，最終貫通到頂部。在防止邊坡滑移和土流失時(shí)，對(duì)坡腳部分進(jìn)行處理是一種行之有效的措施。

(4)通過(guò)有限元強(qiáng)度折減法和臨界狀態(tài)時(shí)的等效塑性應(yīng)變圖可得到邊坡滑移面及滑移面的穩(wěn)定安全系數(shù)，為制定滑坡治理方案提供科學(xué)依據(jù)。

[1] 趙錫剛.露天煤礦邊坡地質(zhì)災(zāi)害及其影響因素分析[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2013(1):61-63.

[2] 劉大勇,宋建潮，王恩德.水對(duì)撫順西露天煤礦邊坡失穩(wěn)的影響[J].采礦工程,2007(6):22-24.

[3] 韓占占.哈爾烏素露天煤礦邊坡穩(wěn)定性分析[J].露天采礦技術(shù)，2013(9):24-27.

[4] 婁瀟聰，黃成，婁一青，等.滲流作用下邊坡穩(wěn)定有限元分析[J].水電能源科學(xué)，2008,26(3)：57-60.

[5] 秦帆,王正中.基于有限元強(qiáng)度折減理論的邊坡穩(wěn)定分析方法探討與改進(jìn)[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2012,10(1):43-47.