地質(zhì)災(zāi)害作用下云南省礦山邊坡穩(wěn)定性分析

何 凱，李超群

（紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000）

目前對于邊坡的研究一直是巖土工程的核心，尤其是巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性研究屬于重中之重[1-4]。歷史上由于邊坡失穩(wěn)造成的工程事故不計(jì)其數(shù)，對人員的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了極大的威脅。近年來，隨著西部開發(fā)的進(jìn)展，工程規(guī)模不斷的擴(kuò)大，面臨地質(zhì)條件越來越復(fù)雜的情況。地震災(zāi)害由于其突發(fā)性、不可控性、破壞性，一直以來也都是的研究重點(diǎn)，對于地震災(zāi)害引發(fā)的邊坡失穩(wěn)情況[5-7]，其造成的影響遠(yuǎn)大于普通邊坡失穩(wěn)。丁梓涵等[8]通過FLAC3D研究地震作用下巖層傾角與順傾坡面地震效應(yīng)之間的關(guān)系得到順傾坡面在地震作用下水平加速度放大系數(shù)隨巖層傾角增加而減小。校小娥[9]通過以八浪溝滑坡為原型模擬其在地震作用下得到隨著水平地震峰值加速度的增加其安全系數(shù)顯著下降直至貫穿導(dǎo)致整體失穩(wěn)破壞。馬玉飛等[10]以新巖滑坡為例模擬在地震荷載與交通荷載下其穩(wěn)定性，得到地震作用對邊坡穩(wěn)定性影響更大。對于地震引起的邊坡問題我們的研究熱點(diǎn)是：在地震作用下邊坡是否會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，邊坡發(fā)生失穩(wěn)的位置以及破壞面的形狀，邊坡失穩(wěn)造成的永久性位移。目前邊坡動(dòng)力分析的方法主要有物理模擬以及數(shù)值模擬，但是由于物理模擬條件受限，我們一般采用數(shù)值模擬的研究，通過模擬地震作用期間監(jiān)測點(diǎn)[11-12]的位移和速度的變化曲線以及巖質(zhì)邊坡的安全系數(shù)變化區(qū)間來分析邊坡穩(wěn)定性。

1 邊坡概況及模型建立

該巖質(zhì)邊坡位于云南省大理州賓川縣金牛鎮(zhèn)，經(jīng)過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)該巖質(zhì)邊坡的工程地質(zhì)沒有明顯的變化。云南屬于山地高原地形，與貴州及四川相連，其位于亞歐板塊和印度洋板塊的交界地帶，在板塊作用下地殼運(yùn)動(dòng)相對活躍，易產(chǎn)生構(gòu)造地震。該邊坡近南北走向，傾向西，邊坡高度約90米，寬度約200米，坡向297°，坡角50°。邊坡表面總體呈現(xiàn)灰黃色，主要出露灰?guī)r，風(fēng)化程度較高。巖體表面節(jié)理裂隙較為發(fā)育，有裂隙水，無充填物。從上到下來看，邊坡中上部較陡，有些許碎石掉落；邊坡中部較平緩；邊坡中下部較陡，有少許碎石堆積在邊坡底部并且有2米左右的積水，其巖土體參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)取值

本文通過Geo-studio中Slope/w與Quake/w模塊耦合建立工程地質(zhì)模型來進(jìn)行模擬分析，為了能更直觀展現(xiàn)，共設(shè)置1117節(jié)點(diǎn)、1063單元，并設(shè)置了ABC三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測地震過程中位移和加速度，工程地質(zhì)模型見圖1。

2 地震波選取

由于豎向加速度的影響可以忽略不計(jì)，本文研究水平地震加速度對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響，依托于修正后的實(shí)測地震波如下圖（2、3、4、5、6、7），峰值加速度分別為0.15g、0.2g、0.4g三種；輸入時(shí)間分別為10s、20s兩種，10s地震波出現(xiàn)峰值加速度為2.1s；20s地震波出現(xiàn)峰值加速度為4.2s。

圖1 邊坡工程地質(zhì)模型

圖2 10s峰值加速度為0.15g

圖3 20s峰值加速度為0.15g

圖4 10s峰值加速度為0.2g

圖5 20s峰值加速度為0.2g

圖6 10s峰值加速度為0.4g

圖7 20s峰值加速度為0.4g

3 動(dòng)力響應(yīng)分析

3.1 位移監(jiān)測結(jié)果分析

本次監(jiān)測點(diǎn)選取ABC三點(diǎn)，分別代表了該巖質(zhì)邊坡坡頂、坡中部、坡腳三部分，選用修正峰值加速度為0.4g，修正持續(xù)時(shí)間為20s來進(jìn)行位移響應(yīng)分析，位移時(shí)間圖見圖8。從圖中可以得到三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)最先產(chǎn)生X方向位移的是位于邊坡坡腳的C點(diǎn)，然后再是位于中部的B，最后是位于頂部的A點(diǎn)。位于坡頂?shù)腁點(diǎn)的位移峰值大于C點(diǎn)的位移峰值，因此可以預(yù)判，在相同地震波的影響下坡頂受到的影響將大于坡腳處。隨著地震時(shí)間的增加，ABC三處的峰值位移都在不斷的增加。其中9.6s和18s時(shí)分別產(chǎn)生最大的向左和向右的位移，為了更加直觀的看到整個(gè)邊坡的情況，分析了這兩個(gè)時(shí)刻的邊坡相對位移圖見圖9、圖10。

圖8 ABC監(jiān)測點(diǎn)位移

圖9 9.6s最大向左位移

圖10 18s最大向右位移

圖11 ABC監(jiān)測點(diǎn)速度

3.2 速度監(jiān)測結(jié)果分析

分析ABC三點(diǎn)X方向速度見圖11可以看出C點(diǎn)最先動(dòng)然后是B點(diǎn)最后是A點(diǎn)。C點(diǎn)峰值速度出現(xiàn)在4.68s，其值為1.61m/s；B點(diǎn)峰值速度出現(xiàn)在11.08s，其值為1.44m/s；A點(diǎn)峰值速度出現(xiàn)在10.48s，其值為1.88m/s，三個(gè)點(diǎn)的峰值速度有所差別，但是位于坡頂?shù)腁點(diǎn)在x方向速度波動(dòng)劇烈，B、C兩點(diǎn)波動(dòng)較為平緩且有所降低。三點(diǎn)總體的震動(dòng)趨勢與地震波較為相似，同一邊坡不同位置對于同一地震波的反映劇烈程度不一樣。

4 穩(wěn)定性分析

通過Quake/w和SLOPE/w耦合情況下分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性，主要是通過分析安全性系數(shù)來判定，本文選擇指定滑移面將中風(fēng)化灰?guī)r與弱風(fēng)化灰?guī)r的交界處作為指定滑移面1，比較不同條件下的地震波對邊坡的安全系數(shù)的影響。在初始狀態(tài)下該邊坡的安全系數(shù)為1.21。

從圖中可以看出所有安全系數(shù)隨時(shí)間圖在一開始都趨于穩(wěn)定，之后有較大的起伏，如圖12可以得到在3.8s時(shí)安全系數(shù)最低為1.08，安全系數(shù)在整個(gè)模擬過程中區(qū)間是[1.08，1.36]。如圖13可以得到在6.0s時(shí)安全系數(shù)最低為1.02，安全系數(shù)在整個(gè)模擬過程中區(qū)間是[1.02，1.36]。如圖14可以得到在4.0s時(shí)安全系數(shù)最低為1.05，安全系數(shù)在整個(gè)模擬過程中區(qū)間是[1.05，1.36]。如圖15可以得到在6.4s時(shí)安全系數(shù)最低為1.05，安全系數(shù)在整個(gè)模擬過程中區(qū)間是[1.05，1.42]。如圖16可以得到在9.4s時(shí)安全系數(shù)最低為1.07，安全系數(shù)在整個(gè)模擬過程中區(qū)間是[1.07，1.49]。如圖17可以得到在7.6s時(shí)安全系數(shù)最低為0.99，安全系數(shù)在整個(gè)模擬過程中區(qū)間是[0.99，1.58]。比較相同修正時(shí)長地震加速度分別為0.15g、0.2g、0.4g的三幅圖可以得到，地震加速度越大，安全系數(shù)在相同時(shí)間內(nèi)的方差越大。比較相同地震加速度下不同修正時(shí)長的三組圖可以得到，時(shí)間越長，安全系數(shù)越低，邊坡越趨于不穩(wěn)定。10s的地震波出現(xiàn)的峰值加速度時(shí)間在2.1s；20s的地震波出現(xiàn)的峰值加速度時(shí)間在4.2s，可如下圖可得邊坡最小安全系數(shù)出現(xiàn)的時(shí)刻與地震波峰值加速度出現(xiàn)時(shí)刻有較大的滯后性。

圖12 10s峰值加速度0.15g安全系數(shù)

圖13 20s峰值加速度0.15g安全系數(shù)

圖14 10s峰值加速度0.2g安全系數(shù)

圖15 20s峰值加速度0.2g安全系數(shù)

圖16 10s峰值加速度0.4g安全系數(shù)

圖17 20s峰值加速度0.4g安全系數(shù)

5 結(jié)論

本文通過Geo-slope中的Quake/w模塊和Slope/w模塊耦合作用下，依托于云南省大理州賓川縣金牛鎮(zhèn)某礦山在地震作用期間分析得到：

①在地震作用下該邊坡最大位移出現(xiàn)在邊坡坡頂，且對于峰值加速度有一定的滯后性。②相同地震加速度下，其作用時(shí)長越長安全系數(shù)越低，邊坡越趨于不穩(wěn)定。③邊坡最小安全系數(shù)出現(xiàn)的時(shí)刻與地震波峰值加速度出現(xiàn)時(shí)刻有較大的滯后性。④該巖質(zhì)邊坡在正常狀態(tài)下通過野外經(jīng)驗(yàn)判斷以及邊坡地質(zhì)模型建立得到的安全系數(shù)來看屬于穩(wěn)定，但在地震作用期間其安全系數(shù)有部分時(shí)刻小于1.05，屬于不穩(wěn)定情況，如遇上飽和狀態(tài)易發(fā)生滑坡失穩(wěn)，對周圍村落造成影響，因此需要加固。