降雨及爆破振動條件下巖質邊坡穩定性研究

趙奎， 余樂興， 邵海， 何文， 吳冰， 程三建

(1.江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州341000;2.中國地質環境監測院，北京100081; 3.廈門紫金工程設計有限公司，福建 廈門 361000;)

降雨及爆破振動條件下巖質邊坡穩定性研究

趙奎1， 余樂興1， 邵海2， 何文1， 吳冰3， 程三建1

(1.江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州341000;2.中國地質環境監測院，北京100081; 3.廈門紫金工程設計有限公司，福建 廈門 361000;)

文章采用Geostudio軟件中的Quake/w模塊和Slope/w模塊對邊坡進行了爆破穩定性研究，在Quake/w模塊中加入了爆破振動速度時程曲線和降雨后實測的邊坡水位線作為數值計算的兩種邊界條件，并將動態響應結果導入Slope/w模塊中，應用有限元極限平衡法計算爆破振動時邊坡的安全系數，以此分析考慮水時邊坡在爆破振動影響下的穩定性.同時，為研究水位線對計算結果的影響，分別將有水位線、無水位線及自重應力場下三者的計算結果進行了對比分析.研究表明，與純自重應力場作用下的邊坡穩定性相比，爆破振動下的安全系數降低了6.88%，爆破振動與地下水聯合作用下的安全系數降低了24%，地下水對邊坡穩定性有非常明顯的影響.

爆破振動;地下水;降雨;邊坡穩定性

0 前 言

邊坡穩定性問題的研究是露天礦的重要課題之一.自1927年美國人Rockwell首次發表有關爆破振動響應的文章以來[1]，眾多學者在爆破振動對邊坡穩定性影響研究方面做了大量工作，隨著計算機技術的發展以及多學科之間的交叉，數值模擬等越來越多的手段運用到此項研究中來.潘東[2]引入降振技術，通過LS—DYNA有限元分析程序，結合福建某礦山的工程實際對其進行數值模擬，分析了邊坡受中深孔爆破影響后的穩定性狀況.胡志強等[3]以歪頭山鐵礦為研究對象，對該礦爆破產生的地震波的傳播過程以及地震波的衰減規律進行研究，分析了爆破振動對邊坡的影響大小，提出了減震爆破措施，起到了有效保護邊坡的作用.王建國等[4]利用FLAC3D軟件將現場所實測的爆破數據在麗江阿海電站左岸高陡邊坡三維模型的底部輸入，分析了邊坡體內部速度、位移以及應力等變量的分布規律，從而對該邊坡在爆破載荷作用下的穩定進行判斷.郭魯川等[5]以鄂爾多斯豐勝奎露天煤礦邊坡作為研究對象，運用灰色關聯理論，分析了影響爆破振動的各因素，從中選出影響爆破振速的最優因素，通過研究藥量、距離、孔數與爆破振動之間的關系，指導實際安全生產，提高邊坡穩定性.陳建平等[6]運用強度折減法分析邊坡穩定性.對于巖質邊坡而言，其穩定性受多種因素相互影響，從單一角度對其進行分析往往得到的結果是片面的.通過分析以上研究現狀得知:在傳統的邊坡爆破振動分析中，大多并未考慮地下水對計算結果的影響.由于巖體賦存條件復雜，而地下水是地質體賦存重要條件之一，它對巖體力學性質影響較大[7-11].在降雨過程中，由于雨水的物理化學作用和力學作用將削弱巖體的強度，因此分析邊坡在降雨時的穩定性是非常必要的.在以往巖質邊坡穩定性問題的研究中，分析爆破振動對邊坡穩定性影響時往往忽略了地下水的作用.通過此次的研究，為邊坡在地下水和爆破振動聯合影響下的穩定性分析提供思路，具有重要的理論價值，并為相關問題的解決提供一定科學依據和借鑒.

以銀山鉛鋅礦露采坑東北邊坡為研究背景，現北東邊坡180 m標高以上已靠幫，露天采場最終境界邊坡最高達到420 m，邊坡屬超高邊坡.邊坡巖體工程地質特性復雜，邊坡在擴幫過程中特別是在北東邊坡局部已發生了滑坡、崩落、塌陷等較為嚴重的地質災害，研究其降雨條件下爆破振動對邊坡穩定性的影響意義重大.

1 工程地質、水文地質概況

1.1 工程地質

巖石是構成巖質邊坡的主要結構，其巖性、物理力學性質將直接影響巖質邊坡的穩定性.對東北邊坡進行鉆探取樣，鉆探中發現主要巖性為千枚巖，巖芯總采取率為96.71%，總RQD值為90.67%，依次可見地表土、灰白色絹云母化千枚巖、灰黑色絹云母化千枚巖、灰黃色絹云母化千枚巖、灰白色絹云母化千枚巖、灰黑色絹云母化千枚巖、灰黃色絹云母化千枚巖、灰白色絹云母化千枚巖.同時部分區域還夾雜著英安斑巖、石英斑巖等.各類巖石的力學參數，見表1.

表1 各類型巖石的力學參數

1.2 水文地質

礦區氣候屬亞熱帶濕潤性氣候區，四季更替分明，因受海洋性氣候影響，春夏多雨，秋冬干燥，據數據統計，年平均降雨量2185.4 mm，蒸發量為1198.95 mm，最大年降雨量2870.4 mm，晝夜最大降雨量達311.7 mm，雨季集中于春季和夏初，全年降雨天數150～192天，平均為171天.礦區內無水庫、湖泊等較大地表水體，僅有一條自北東向南西流淌的銀山小河，河谷寬50～100 m，河床寬2～6 m.

根據礦區水文地質情況分析，礦區水文地質條件較為簡單.礦區為一個獨立的水文地質單元，由較為堅硬的巖石組成，巖石幾乎不含水，相對隔水層賦存在沒有受斷裂影響的地段;基巖風化帶與構造裂隙含水帶單位涌水量較小，屬弱富水性含水層;第四系孔隙含水層分布不連續，沒有形成整層的規模，也屬于弱富水性含水層.通過分析礦區水文地質情況可知大氣降水是本文所研究的北東邊坡地下水的主要補給途徑.

2 模型設計及參數選取

2.1 模型設計

根據銀山礦巖性分布三維立體圖，在最高的北東邊坡上截取一個剖面，模型邊界范圍的大小對有限元計算精度的影響較大，根據有關資料統計，當坡腳到左端邊界的距離設為邊坡高度的1.5倍，坡頂到右端邊界的距離設為邊坡高度的2.5倍，且上下邊界的總高不低于2倍的坡高時，能夠得到較為理想的計算精度，故根據此建立邊坡剖面，如圖1.

圖1 45°邊坡剖面模型尺寸示意圖/m

模型根據銀山北東邊坡為研究對象進行建立，實際邊坡最終邊坡角為45°，采用平面應變三節點及四節點單元對模型離散，邊坡剖面模型得到3788個節點(Nodes)、3779個單元(Elements)，如圖2.

圖2 東北邊坡45°剖面數值計算模型

2.2 參數選擇

爆破振動對邊坡穩定性的影響屬于動力學研究，數值分析仍以銀山北東邊坡作為研究主體，巖體力學參數選取見表1，假設巖體各向均質同性.在動力學的數值分析中，模型網格尺寸的選取和設置必須要能確保足夠精確的波傳播，Kuhlemeyer和Lysmer提出在數值計算時，由最高頻率所組成的輸入波波長應當大于所用網格單元尺寸的8～10倍[12-13].本模型輸入的動載荷主頻為30 Hz，參考相關文獻[14]，網格尺寸選為10 m.

在爆破工程中，所用藥量單耗及震源距離邊坡的位置的不同將對結果產生重要影響.通常計算爆破巖體質點振動速度v的經驗公式為:

式(1)中:Q是一次爆破的炸藥量，kg;R是測點與震源中心的距離，m;k是與巖體性質、地質條件有關的系數;α是爆破地震波衰減系數.根據研究成果文獻[15]通過對銀山爆破振動的數據進行回歸分析，并對公式(1)進行了修正，修正過后的公式為:

采用動力學Quake/W模塊進行計算時主要考慮P波(方向垂直于邊坡剖面)和SV波(方向平行于邊坡剖面)的共同作用對邊坡的影響.通過現場對爆破振動數據采集，得到了計算邊坡剖面處的爆破速度時程曲線，見圖3.

圖3 邊坡剖面測點的振動速度時程曲線

圖4 測點與爆源的位置圖

此振動波形通過BlastMateⅢ型測振儀于銀山礦露天開挖爆破時采集，測點與爆源的位置見圖4，單段最大藥量為8000 kg，爆源在96 m平臺，測點在122 m平臺，測點距離爆源水平距離145 m，高差26 m，直線距離147.2 m.

3 邊界設定

爆破動載荷必須由于考慮了P波(方向垂直于邊坡剖面)和SV波(方向平行于邊坡剖面)共同作用對邊坡的影響，此次數值計算模型下邊和兩側采用粘滯邊界.同時，在邊坡面中加入爆破振動速度時程曲線，在邊坡內部增加邊坡實測水位線.其中降雨后的水位線通過實地測量獲取資料.

在計算模型整個邊坡面施加爆破振動測得的速度時程曲線時，由于該邊坡屬超高邊坡，距離對振速的影響較大，因此，考慮將邊坡面分成8段(見圖5)，根據分別計算各段的振速作為爆破振動邊界條件，以減小邊界條件帶來的誤差.

圖5 邊界條件載入分段示意圖

根據修正的薩道夫斯基公式(2)，以及分段中點距爆源的直線距離，可計算得到每一段的合成速度值，見表2.并可得到相對測點合成速度的比值，再將各比值乘以測點的波速，最終可得到各分段的振動速度時程曲線，此時得出的8段速度時程曲線便可分段加載到邊坡面以模擬爆破振動邊界條件.

表2 各分段最大振速與測點最大振速比值

將降雨后實測的水位線與各分段的振動速度時程曲線兩類邊界條件加入邊坡模型，確定了邊坡剖面計算模型，見圖6.

圖6 加入實測水位線時的計算模型

此次計算，根據不同條件，需要計算三種工況下邊坡穩定性，如表3.

表3 工況分類

4 計算結果及分析

4.1 工況一

當Quake/w動力學模塊完成邊坡振動計算后，將計算結果導入Geostudio軟件的Slope/w模塊，采用Newmark Deformation方法計算出邊坡在爆破振動作用下的永久位移，用有限元極限平衡法計算爆破振動時的安全系數，以此分析邊坡穩定性情況，結果見圖7～圖12.

圖7 剪應力云圖/kPa

圖8 坡腳歷史點剪應力隨時間的變化

由圖7～圖8可知，在爆破振動的影響下，坡腳處剪應力總體隨時間逐漸增大，并從坡頂至坡腳，剪應力逐漸增大，有從坡腳剪出的趨勢.

圖9 位移云圖/m

圖10 爆破振動1.5 s時邊坡標高與節點位移圖

由圖9～圖10可知，距離爆源最近的中部位移量相對較大，位移最大處達34.8 mm，坡腳處位移量為3.2 mm.

圖11 邊坡潛在滑移面云圖

圖12 邊坡安全系數隨時間的變化

由圖11～圖12可知，在考慮地下水和爆破振動聯合影響下，由爆破引起邊坡振動的過程中，邊坡的安全系數的最小值為1.024，根據《滑坡防治工程勘察規范》(DZ/T 0218-2006)，計算所得的安全系數低于1.05的基本穩定值，因此考慮水時邊坡在爆破振動過程中是欠穩定的.

4.2 工況二

在爆破邊界不變，不加水位線的條件下，計算模型見圖13.

圖13 加邊界條件后的計算模型

由計算結果可知，未添加水位線時，爆破引起邊坡振動的過程中，邊坡的安全系數的最小值為1.257.

4.3 工況三

在此邊界條件下，只考慮自重應力，見圖14，先通過Geostudio軟件中的Quake/w模塊，選擇I nitial Static方法進行自重應力場的計算，然后將結果帶入Slope/w模塊，進行邊坡安全系數的計算.

由計算結果可知，自重應力場下計算得到的邊坡安全系數為1.350.

根據本章對不同邊界條件下的邊坡穩定性數值分析，得到相應邊界條件下的邊坡最小安全系數，見表4.

表4 不同邊界條件下的邊坡最小安全系數

通過表4可知，當只考慮自重應力的情況邊坡最小安全系數為1.350，考慮自重應力與爆破振動時邊坡最小安全系數為1.257，考慮自重應力、爆破振動和水位的情況邊坡最小安全系數減小到1.024.通過有無水位線時爆破振動下的邊坡最小安全系數與只考慮自重應力場時的最小安全系數對比可知，爆破振動使邊坡的安全系數降低了6.88%，爆破振動與地下水的聯合作用使邊坡的安全系數降低了24%.

5 結 論

在爆破振動測試及現場水位監測的基礎上，運用Geostudio巖土軟件進行邊坡的穩定性數值計算，以爆破振動的P波 (方向垂直于邊坡剖面)和SV波(方向平行于邊坡剖面)作為邊界條件施加在二維邊坡剖面上，同時在模型中添加了實測水位線，研究了考慮地下水時邊坡在爆破振動影響下的穩定性.通過研究主要得到如下結論.

1)由數值計算結果可知，考慮地下水和爆破振動聯合作用的邊坡安全系數隨時間呈波動變化，邊坡最小安全系數為1.024，此時邊坡為欠穩定狀態.坡腳的剪應力隨爆破振動時間逐漸增大，坡體有從坡腳剪出的潛在可能.

2)分析對比了不同邊界條件下的邊坡最小安全系數，當只考慮自重應時邊坡最小安全系數為1.350，考慮自重應力與爆破振動時邊坡最小安全系數為1.257，考慮自重應力、爆破振動和水位的時邊坡最小安全系數減小到1.024.

3)與自重應力場所得安全系數相比，爆破振動使邊坡的安全系數降低了6.88%，爆破振動與地下水的聯合作用使邊坡的安全系數降低了24%.因此在分析爆破振動對邊坡穩定性的影響時，地下水對邊坡穩定性的影響重大.

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Research on rock slope stability in the condition of rainfall or blasting vibration

ZHAO Kui1，YU Lexing1，SHAO Hai2，HE Wen1，WU Bing2，CHENG Sanjian1
(1.School of Resource and Environment Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China;2.China Institue of
Geological Enviromental Monitoring，Beijing 10081，China;3.Xiamen Zijin Engineering Design Co.Ltd，Xiamen 361000，China)

This paper studies the influence of blasting vibration on the slope stability by using Quake/w module and Slope/w module of Geostudio software，as two kinds of boundary conditions for numerical calculation.The velocity time history curve of blasting vibration and slope water line measured after rainfall are added to the Quake/w module，and results of dynamic response are imported into the Quake/w module，with the limit equilibrium method used to compute the safety factor of slope blasting vibration.Then，the stability of the slope containing water is analyzed in the influence of blasting vibration.Meanwhile，in order to study the effect of water level on results，the three results that contain water line or not and under self-weight stress field are compared and analyzed.Research shows that compared with the safety factor of slope stability under pure gravity stress field，it reduced by 6.88%under the blasting vibration，and 24%under the joint action of blasting vibration and groundwater.Thus groundwater had obvious influence on the slope stability.

blasting vibration;groundwater;rainfall;slope stability

2095-3046(2015)01-0043-06

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.01.008

O 382+.2

A

2014-09-09

江西省科技支撐計劃項目(20141BBG70097);江西理工大學研究生創新專項資金項目(YC2013-X02)

趙奎(1969- )，男，博士，教授，主要從事巖土工程等方面的研究，E-mail:Yglmf_zk@163.com.