基于FLAC3D采用削坡壓腳方式后的邊坡穩定性分析

郝光 羅益輝 許萬忠

摘 要：云南富寧縣某煤礦過度不合理地開采與開發，導致界外的北東側山坡發生大規模的開裂變形，并有小塊出現了滑移，可能對煤礦的正常生產及東側磚場的安全生產造成較大威脅，并危及到北東側的富廣高速公路。礦區工作人員隨后對該邊坡進行了削坡壓腳為驗證該煤礦邊坡在削坡壓腳后是否穩定以及對周圍環境的安全性，本文采用FLAC3D對該場區的邊坡開挖的情況進行模擬研究，最終驗證該煤礦是安全的，這對同類型的邊坡提高穩定性具有重大的借鑒意義。

關鍵詞：邊坡;煤礦;穩定性;削坡壓腳;滑動面

一、煤礦信息概述

富寧煤礦位于富寧縣城以南東的城邊，富寧至白色公路（323國道）從礦區南側通過，交通較為方便。煤礦資源于1956年修建開（遠）～南（寧）公路時發現，隨后對該礦區進行有計劃的開采了60來年。但中途由于過度與不合理的開采，從而使邊坡出現了變形。

二、工程地質條件概述

（一）地形地貌

富寧煤礦位于富寧縣城的北東側，地貌為河流二級階地中、后緣斜坡上，原站地形坡度約5～15°，后經過人類工程活動改造后，在斜坡上修筑了節次鱗比居民建筑及階梯狀的水田、旱地，緩坡上發育近南北向的溝谷，呈V字型，在山麓地帶溝谷切割深度約30～50m，山前緩坡地帶切割深度約1～3m，均為季節性沖溝，雨季流量較大。煤礦開采區位于一條溝谷出口地帶，由于地形相對低凹，雨水季節大量雨水沖入開采的礦坑內對礦區的正常開采及礦坑邊坡的穩定有很大影響。

（二）氣象與水文

煤礦位于北回歸線附近，地處低緯高原季風氣候區，屬亞熱帶氣候類型。年最高氣溫38℃，最低-5.5℃。北東側有一條季節性溝谷，旱季對礦區影響不大，雨季水流量較大，對礦坑及邊坡影響較大。

（三）礦區地質構造

礦區地處富寧新生代盆地北部，富寧斷裂是盆地和煤礦形成地控制性斷裂。主要由兩條斷裂帶，具體介紹如下。

（1）富寧斷裂：位于礦區北側與高速公路之間，呈北西～南東向延伸，在研究區斷層面向南西傾斜，傾角約60度，斷裂帶內巖層陡立、擠壓破碎，沿斷裂帶有多期基性侵入巖體，并控制了富寧盆地地層沉積，屬延續時間長，右行扭動，壓性兼扭性的活動大斷裂。

（2）礦區斷裂：在礦區內發育兩條次級斷裂，傾角較陡，對巖層、煤層破壞較大，節理裂隙發育。

（四）地層巖性

工作區分布地層有第四系人工堆積耕植土（Q4ml）、第四系沖洪積卵礫石層（Q4al+pl）、及上第三系（N）泥巖、泥質砂巖褐煤層及燕山期基性侵入巖體，現自上而下分述如下：

（1）第四系人工堆積層（Q4ml）

①耕植土：褐灰、褐色，可塑狀，主要由粉質粘土組成，厚0.40～0.60m，局部地段為人工早期開采煤礦的就地填土，含少量碎石或礫石。分布于礦區的未開采的自然斜坡耕作區表層。

（2）第四系沖洪積層（Q4al+pl）

②1卵石：黃、灰黃、灰色，含5%漂石，卵石成份以輝綠巖、石英砂巖為主，松散，一般直徑8～20cm，最大0.5～1.0m，顆粒形狀以次圓狀為主，有淺灰色膨脹土充填，厚度一般1.5～2cm，局部缺失或較薄。分布于礦區周圍及緩坡地帶。

②2粘土：淺灰、黃灰、灰色，可一硬塑，切面光滑，韌性好，干后硬度高，網狀裂隙發育。為膨脹土，自由膨脹率40～54%，厚l～2m，礦坑周圍及緩坡地帶均有分布，南西側厚度較大。

（3）第四系殘坡積層（Q4el+dl）

③含碎石粉質粘土：褐紅、褐色，硬塑狀，碎石含量約10%，成份為輝綠巖、砂巖、灰巖等，粒徑l～3cm，淺表層土質疏松，厚1～2m，分布于二級階地后緣的坡麓地帶。

（4）第三系組上段（N）

④1泥質砂巖：灰綠色，半成巖，顯層狀結構，經風化作用呈砂狀，手捏易碎，成份為長石、石英及少量泥質，受構造作用，巖層分布無規律性，局部呈透鏡狀分布，厚5～10m，區內均有分布，北、北東側開挖的邊坡有露頭。

④2泥巖：褐、棕褐色，中厚層狀，半成巖，節理裂隙發育，被風化后呈粒狀脫落，質軟，局部泥化程度較高，偶夾紫色砂巖和煤層，有的煤層呈透鏡狀。泥巖及煤層受地下水浸潤易軟化，泥巖厚3～10m，煤層厚0.5～2m，往南西側泥巖逐漸變厚。礦區內均有分布。

④3炭質泥巖：褐、褐黑色，中厚層狀，半成巖，節理裂隙發育，被風化后呈粒狀脫落，質軟，局部泥化程度較高，夾褐煤層，礦區內均有分布。

④4褐煤層夾炭質泥巖：黑、褐灰色，中厚層狀，以煤層為主，夾薄層泥巖，節理裂隙發育煤塊表面光滑透亮，局部較疏松，礦坑內有多條早期開采的巷道或坍陷、回填礦坑，據煤礦勘察資料，煤層最大厚度26m，大部地段呈1～5m的層狀或透鏡狀。

（5）燕山期基性侵入巖

⑤輝綠巖：灰綠色，成份為輝石、綠泥石等，強風化，均呈土狀或碎石土狀，高速公路樁孔中揭露到弱風化巖層，分布于高速公路兩側及北東的坡麓地帶。

（五） 地震

根據《建筑抗震設計規范》（GB50011一2001）第3.2.4條及附錄A規定，富寧縣抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度值為0.05g。

（六）不良地質作用

根據現場調查，共有4處滑坡。部分邊坡如圖1所示：

三、FLAC3D軟件的基本原理與介紹

（一）FLAC3D有限單元法的基本原理[1，2]

Flac3D計算法又稱三維快速拉格朗日法，它采用了混合離散方法，計算如圖2所示一四面體，節點編號為1到4，第n面表示與節點n相對的面，則可由高斯公式得：

由式（3-1）可得：

最終，由三維快速拉格朗日法的計算循環確定，如圖3所示

（二） FLAC有限單元法的計算方法

計算模型采用巖土工程中應用[3]最為廣泛的Mohr-Coulomb模型，該模型包含剪切和拉伸兩個準則[4]。主應力空間中（拉為正，壓為負），由Hooke定律可得應力增量的表達式為：

拉伸破壞（BC段）修正后的應力增量關系可表示為：

四、 邊坡穩定性分析

（一）邊坡剖面的選擇

由于該礦區的邊坡剖面較多，所以本文選擇最危險的剖面2進行計算分析，基本可以代表了相應滑坡的穩定性評價。本文計算了天然工況得到相應剖面下的安全系數及潛在滑移面的區域位置。

（二） 計算模型

根據地質剖面圖2-2利用自編[5]的ANSYS-FLAC3D接口程序，如下圖所示：

（三）計算參數

根據有關工程地質勘察報告和地區經驗值[6]及規范值得到計算參數表1。

（四）? FLAC有限單元法的計算結果分析

1、邊坡位移及潛在滑移面分布

以下各計算剖面中，位移由上到下逐漸減小，褐色為穩定部分，緊鄰穩定部分的黃色和黃褐色部分為潛在滑動面，藍色部分為位移或變形較大部分。

2、邊坡安全系數及結果分析

通過FLAC3D數值分析計算，得到各個剖面的安全系數如表2所示，從表中可以看出，在天然下，邊坡穩定系數均大于規范中1.25，處于穩定狀態。整體邊坡在外界因素作用下，會出現局部穩定系數小于1.25的情況。另外，剖面2-2的潛在滑動面位于整體邊坡臺階坡角最陡處，需重點控制邊坡這些部位的變形和穩定，采取相應的加固措施，如繼續削坡，壓坡角、采用抗滑樁、設置截排水設施等。因此，對邊坡的穩定性維護和治理也必須采用綜合的措施。

五、邊坡穩定性對高速公路的影響

從2-2 剖面數值分析的結果可以看出，該邊坡整體是穩定的，不會構成對高架橋基礎的直接威脅，在局部較陡的臺階處有局部潛在滑動破壞的可能，潛在滑移面的安全系數小于規范的要求，對這種潛在的滑動要做局部的維護處理。

由上述邊坡的靜態力學分析來看，目前礦區所采取的加固措施提高了邊坡的穩定性，對于消除滑坡對高速公路的影響起到了明顯的作用;另一方面，滑坡前緣的穩定對于整體邊坡的穩定至關重要，滑坡前端的局部破壞，會牽引滑坡的中后部發生連鎖式的反應，因此，對于邊坡回填壓腳的部位要重點處理，有必要采取分層強夯的方式來提高回填土的密實度，從而提高前緣巖體的物理力學參數，以提高邊坡前部的穩定性。

六、 結語

通過運用有限單元法對富寧煤礦礦坑邊坡采用削坡壓腳的剖面模型進行計算與分析，對富寧煤礦邊坡的穩定性以及周邊環境的影響，得到如下結論：

（1）滑坡地質災害主要是由煤礦露天開采境界的開挖引起。如果造成周邊滑坡的采場邊坡穩定性能夠得到改善，則進一步發生滑坡災害的前提條件將得到控制，從而能夠大大降低地質災害對礦山生產的影響。

（2）邊坡在天然公開下，穩定系數大于要求的穩定系數值1.25，處于穩定狀態。當在外界水侵擾情況下，邊坡的安全系數迅速下降。可見，整個邊坡在雨水作用下，將出現局部穩定系數小于1.25的情況。因此，在邊坡治理中需控制地下水和雨水對整個采場邊坡的浸蝕。

（3）潛在的危險滑動面在2-2剖面并未影響到高速公路橋的基礎，說明煤礦所采取的削坡壓腳維護邊坡穩定的措施發揮了作用。但同時一旦邊坡潛在的滑動部分垮掉，橋梁樁地基的左側部分將失去約束，由于橋梁樁地基巖體較破碎，加之巖體局部風化，橋梁樁基礎的穩定性受到影響，即使該剖面邊坡的穩定性系數較高，也要采取杜絕各種影響邊坡穩定的不利因素。

（4）邊坡的垮塌是內外因素綜合作用的結果，因此，對于邊坡穩定性的維護也必須采取綜合治理措施，防患于未然。

參考文獻：

[1]鄭穎人，趙尚毅，李安洪，唐曉松.有限元極限分析法及其在邊坡中的應用[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D 基礎與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[3]趙明階，何光春，王多垠，等.邊坡工程處治技術[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4]唐輝明，晏鄂川，胡新麗. 工程地質數值模擬的理論與方法[M]. 武 漢：中國地質大學出版社，

[5]鄭穎人，陳祖煜等.邊坡與滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社，2006：194-195.

[6]《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊（第五版）[M].北京;中國建筑工業出版社，2017.