利用slide軟件分析地下水對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性的影響

趙 恰,黃炳仁,王 軍,楊 柱

(長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司 金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

滑坡是坡體因多種因素耦合變形,最終被某些誘發(fā)因素激發(fā)失穩(wěn),產(chǎn)生滑動(dòng)的一種災(zāi)害地質(zhì)現(xiàn)象,統(tǒng)計(jì)表明,大量滑坡災(zāi)害的發(fā)生都與邊坡巖體中地下水的活動(dòng)有關(guān),因此,地下水是影響邊坡穩(wěn)定性的重要誘發(fā)因素之一。研究表明地下水的不利影響一般可使邊坡角的計(jì)算值減小5°～7°,有部分學(xué)者認(rèn)為,如果能有效地降低水位,一般可以使邊坡的安全系數(shù)增加40%[1-3]。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

礦區(qū)內(nèi)分布第四系松散堆積物孔隙含水層、基巖風(fēng)化帶裂隙水和石英巖、長(zhǎng)英角巖裂隙水,上部以孔隙－裂隙含水為主,分布于溝谷和斜坡地帶,自然狀態(tài)下沿基巖風(fēng)化裂隙帶或基巖接觸面向溝谷方向運(yùn)移,以泉水形式排出地表;深部以微裂隙、破碎帶含水為主,沿?cái)嗔褬?gòu)造呈帶狀、網(wǎng)絡(luò)狀分布。詳查期間部分鉆孔在施工過程中,有不同程度的自然涌水現(xiàn)象,水頭高度高出自然地面6.37～16.0 m,經(jīng)過抽水試驗(yàn)后認(rèn)為,其涌水程度受斷裂構(gòu)造控制,單位涌水量0.003～0.224 L/s·m,富水性極不均一。

2 地下水對(duì)礦區(qū)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

礦區(qū)構(gòu)造裂隙發(fā)育,大氣降水易通過構(gòu)造裂隙轉(zhuǎn)化為地下水,使構(gòu)造裂隙及附近巖體、破碎帶、結(jié)構(gòu)面、節(jié)理裂隙的容水性、持水性增加,加速破碎帶泥化、增大巖體滑力,降低巖體抗剪強(qiáng)度;同時(shí)地下水通過潤(rùn)滑作用、軟化作用和水楔作用降低了巖體的力學(xué)性能,影響了巖石的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度指標(biāo),一般含水量越大,其對(duì)應(yīng)指標(biāo)越低[4-6]。

2.1 地下水對(duì)完整巖體內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角影響

在實(shí)驗(yàn)室針對(duì)礦山邊坡的幾種主要巖樣進(jìn)行了浸泡飽和狀態(tài)和干燥狀態(tài)的力學(xué)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。通過表1可以看出,內(nèi)聚力隨含水量的增加而逐漸降低,且下降幅度較大,巖石飽和條件與干燥條件下相比,內(nèi)聚力c下降幅度達(dá)到87.03%。

表1 邊坡典型巖樣在干燥和飽和狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度

2.2 地下水對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角影響

礦區(qū)內(nèi)壓扭斷裂構(gòu)造發(fā)育,在礦區(qū)范圍內(nèi)形成Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ－Ⅴ3個(gè)級(jí)別的結(jié)構(gòu)面。Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面有F1、F6、F8、F9、F17、F21、F22、F24 8條斷層;Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面F25、F16、F18 3條斷層;礦區(qū)Ⅳ－Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面主要指各類巖礦石的節(jié)理裂隙和巖體與圍巖的接觸面,其主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)節(jié)理裂隙發(fā)育方向?yàn)镹WW和NE向,裂隙多為微張型,寬度一般為1～5 mm,長(zhǎng)度0.3～1 m,裂隙面較光滑,切割巖體成塊狀或碎塊狀。在地下水的作用下,結(jié)構(gòu)面軟化,并出現(xiàn)溶濾現(xiàn)象,抗剪強(qiáng)度大幅度降低。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn),結(jié)構(gòu)面在不同歷時(shí)水浸泡條件下,地下水對(duì)結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)影響如圖1、圖2所示。

圖1 巖體結(jié)構(gòu)面內(nèi)聚力隨浸泡時(shí)間的關(guān)系

圖2 巖體結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角隨浸泡時(shí)間的關(guān)系

從巖體結(jié)構(gòu)面粘聚力及內(nèi)摩擦角隨浸泡時(shí)間的關(guān)系曲線可以看出,地下水對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面粘聚力和內(nèi)摩擦角影響較大,在浸泡40 d后,巖體結(jié)構(gòu)面粘聚力已由天然狀態(tài)下的55 k Pa下降到15 k Pa,下降幅度高達(dá)63%;內(nèi)摩擦角由天然狀態(tài)下的26.5°下降到20.30°,下降幅度23%。

2.3 地下水對(duì)巖體的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度影響

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了礦區(qū)主要巖石試塊干燥和飽和條件下抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2可以看出,含水量對(duì)礦區(qū)主要巖石的影響較大,其中抗拉強(qiáng)度最大下降65.46%,抗壓強(qiáng)度最大下降57.85%。

表2 邊坡典型巖樣在干燥和飽和狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度

3 含水條件下邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 地下水邊界

根據(jù)礦山地下水實(shí)測(cè)資料,礦區(qū)外圍地下水位在1360 m標(biāo)高,礦坑水位1270 m標(biāo)高。

3.2 巖石物理力學(xué)參數(shù)

地下水位線以下的巖石物理力學(xué)參數(shù)取實(shí)驗(yàn)室飽和狀態(tài)下各巖石試塊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);地下水位線以上的巖石物理力學(xué)參數(shù)取實(shí)驗(yàn)室干燥狀態(tài)下各巖石試塊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),詳見表1、表2。

3.3 穩(wěn)定性模擬分析

針對(duì)礦山北部邊坡地質(zhì)剖面,分別采用畢肖普法,瑞典條分法,簡(jiǎn)布法和Spencer法對(duì)邊坡含水條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計(jì)算,其穩(wěn)定性安全系數(shù)K值變化結(jié)果如表3、圖3所示。

(1)通過4種方法計(jì)算,含水條件下北部典型地質(zhì)剖面的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)K的平均值為0.887。根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50197－2005),非工作幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)可取1.10～1.20,臨時(shí)工作幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)可取1.00～1.20。顯然含水條件下邊坡的安全系數(shù)不滿足強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)要求,邊坡在地下水滲流影響下,將處于滑坡狀態(tài)。

(2)從圖3可以看出,含水條件下邊坡淺部以橙色為主,隨深度增加逐步轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色,意味著淺部邊坡強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)K均小于1,因此淺部滑動(dòng)破壞的可能性很大。

表3 不同分析方法計(jì)算的含水條件下的邊坡安全系數(shù)

圖3 瑞典條帶法邊坡穩(wěn)定性分析

4 疏干后邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)礦山地下水實(shí)測(cè)資料,礦區(qū)外圍地下水位在1360 m標(biāo)高。依據(jù)礦山疏干計(jì)算,疏干后礦坑水位將下降至1150 m標(biāo)高。

疏干后針對(duì)北部邊坡典型地質(zhì)剖面,同樣分別采用畢肖普法,瑞典條分法,簡(jiǎn)布法和Spencer法分析邊坡疏干后的穩(wěn)定性,其穩(wěn)定性安全系數(shù)K值計(jì)算結(jié)果如表4、圖4所示。

(1)通過4種方法計(jì)算,疏干后北部典型地質(zhì)剖面的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)K的平均值為1.454。疏干后與含水條件下相比邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)K提高了63.9%,滿足露天礦邊坡強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)要求,邊坡穩(wěn)定;

(2)從圖4可以看出,疏干之后淺部邊坡以黃色為主,深部逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色,意味著淺部邊坡強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)K均大于1,深部綠色部分為邊坡強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)K均大于2,故疏干后滑坡的可能性很小。從兩者的對(duì)比可以看出,疏干后邊坡的穩(wěn)定性大幅提高,邊坡發(fā)生整體滑動(dòng)的可能性明顯降低。

表4 不同分析方法計(jì)算的疏干后的邊坡安全系數(shù)

圖4 瑞典條帶法邊坡穩(wěn)定性分析

5 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)相關(guān)試驗(yàn)表明,地下水使礦山巖體物理力學(xué)和巖體結(jié)構(gòu)面抗剪性能大幅下降。基于上述試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用slide軟件模擬分析疏干前后的礦山邊坡穩(wěn)定性,模擬結(jié)果表明,疏干之前礦山露天邊坡在含水狀態(tài)下處于滑坡狀態(tài),淺部滑動(dòng)破壞的可能性很大,疏干后礦山露天邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)K達(dá)到1.454,疏干后與含水條件下相比邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)K提高了63.9%,滿足露天礦邊坡強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)要求。