露天煤礦幫邊坡在地震荷載作用下穩(wěn)定性分析

李曉鵬，白建華，張江偉

河北地質(zhì)大學(xué) 勘查技術(shù)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050031

0 引 言

露天開(kāi)采一般都存在邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，邊坡的安全性對(duì)于煤礦具有非常重要意義。邊坡的穩(wěn)定性受到多種因素的影響，地質(zhì)地貌、水文條件、氣候條件、地層巖性以及構(gòu)造活動(dòng)等，由于構(gòu)造活動(dòng)引起的地震活動(dòng)會(huì)大大降低邊坡的安全穩(wěn)定性，而且地震具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、影響深遠(yuǎn)、防御難度大的特點(diǎn)，對(duì)于大型工程場(chǎng)地的地震穩(wěn)定性研究是非常有必要的。崔鐵軍等[1]對(duì)海州露天煤礦的邊坡進(jìn)行地震作用下的穩(wěn)定性研究；周浩等[2]對(duì)新疆某露天煤礦爆破振動(dòng)作用下邊坡穩(wěn)定性分析；劉思杰等[3]對(duì)地震荷載下雙面邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析；張江偉等[4]在采用有限元強(qiáng)度折減法的基礎(chǔ)上，綜合考慮了等效塑性變形區(qū)貫通率，進(jìn)行土坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；張金貴等[5]通過(guò)位移特征、應(yīng)力應(yīng)變等對(duì)大型露天煤礦邊坡破壞模式進(jìn)行了分析；鄭穎人等[6-7]分析了靜力法、安全系數(shù)時(shí)程分析兩種方法的局限性，提出了基于拉-剪破壞的動(dòng)力時(shí)程分析法和強(qiáng)度折減動(dòng)力分析法。葉海林等[8]通過(guò)擬靜力安全系數(shù)、動(dòng)力時(shí)程分析、動(dòng)力時(shí)程折減分析三種方法對(duì)地震作用下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，得出折減法能更準(zhǔn)確地對(duì)邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)做出評(píng)價(jià)；李海軍等[9]運(yùn)用強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡在地震和采耦合作用下的遼寧某露天煤礦邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。陳國(guó)慶等[10]通過(guò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)下的強(qiáng)度折減計(jì)算邊坡穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)折減計(jì)算更加適用于非均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析。李得建等[11]通過(guò)極限分析上限法以及擬靜力分析法，得到地震效應(yīng)下裂縫邊坡的安全系數(shù)的相關(guān)方程。徐康等[12]運(yùn)用有限元數(shù)值應(yīng)力時(shí)程分析，得到邊坡中部土層一級(jí)中上交界處是薄弱區(qū)域。袁維等[13]通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)折減計(jì)算進(jìn)行改進(jìn)，采用不同參數(shù)進(jìn)行折減，得到的滑動(dòng)面以及潛在滑動(dòng)面更大。張春生[14]等對(duì)白鶴灘水電站進(jìn)行三維動(dòng)力模型試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)抗震性能，在強(qiáng)震中邊坡塊體后院最先開(kāi)始?xì)堄嗥茐摹钫竦萚15-17]在進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，將有限元和強(qiáng)度折減計(jì)算有效地結(jié)合起來(lái)，結(jié)果更加符合實(shí)際要求。馮娟[18]將有限元分析和極限平衡法計(jì)算相結(jié)合，將兩種方法的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了整合。

目前抗震分析多采用擬靜力法、Newmark滑塊分析法、模擬試驗(yàn)法等方法。靜力法計(jì)算簡(jiǎn)單、要求低，但是地震作為動(dòng)態(tài)的過(guò)程，靜力法所得到的結(jié)果準(zhǔn)確性很難保證，多作為工程經(jīng)驗(yàn)使用；對(duì)于Newmark法其主要通過(guò)分析最大滑動(dòng)破壞面的永久性的位移，并不是連續(xù)的過(guò)程，地震作用是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，其研究的穩(wěn)定性，可作為發(fā)生永久性破壞的邊坡，對(duì)于整個(gè)作用過(guò)程的分析，還是不準(zhǔn)確的；鄭穎人等[6-7]將有限元強(qiáng)度折減與時(shí)程分析綜合起來(lái)，較上面兩種方法更能反映動(dòng)力作用的過(guò)程。

將采用有限元強(qiáng)度折減理論，通過(guò)有限元分析軟件模擬地震動(dòng)力荷載工況下，邊坡體位移、速度、折減系數(shù)以及剪切應(yīng)變的變化等并且通過(guò)擬靜力法和有限元時(shí)程分析進(jìn)行對(duì)比，對(duì)露天煤礦邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

該露天煤礦區(qū)位于新疆哈密市西南，礦區(qū)面積約總面積240.73 km2。區(qū)域地形地貌的基本輪廓是：北為天山褶皺帶，中部為吐魯番—哈密坳陷帶，西南為庫(kù)魯塔格復(fù)背斜，相應(yīng)形成了三大地貌單元：北部山地、中部平原和南部剝蝕殘丘臺(tái)地。區(qū)域上形成一個(gè)向西半閉合的斷陷盆地。

2 擬靜力法理論和強(qiáng)度折減理論

地震動(dòng)是時(shí)刻在發(fā)生著變化，是一個(gè)變動(dòng)的荷載，傳統(tǒng)方法上常常將地震動(dòng)等效為靜力作用進(jìn)行分析，這種方法計(jì)算簡(jiǎn)單，對(duì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。

邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中常常使用到折減法[19]，使用強(qiáng)度折減法時(shí)假定理想彈塑性體，在數(shù)值分析中按照一定比例降低材料參數(shù)(同比例降低c和φ)或者增大荷載，使其達(dá)到破壞狀態(tài)。這種方法不用提前假定破壞面，當(dāng)結(jié)構(gòu)體達(dá)到破壞時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)便可作為穩(wěn)定安全系數(shù)，具體到實(shí)際操作中是將土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ，用一個(gè)折減系數(shù)ω，然后用折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c′和φ′。

c、φ、ω為折減前巖土體粘聚力、內(nèi)摩檫角、抗拉強(qiáng)度；ω為折減系數(shù)；c′、φ′、σt′為折減后的巖土體粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度。

由于動(dòng)力荷載下的邊坡計(jì)算是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，折減系數(shù)是一個(gè)瞬值，對(duì)于單純考慮折減系數(shù)并不能完全表示邊坡的穩(wěn)定性，需考慮多種因素共同評(píng)判穩(wěn)定性。鄭穎人以及李海波等[6-8]提出邊坡地震動(dòng)力失穩(wěn)破壞判定應(yīng)從破裂貫通、位移以及應(yīng)力3個(gè)方面考量。論文通過(guò)MIDAS GTS NX軟件采用非線性時(shí)程分析+srm對(duì)該邊坡進(jìn)行分析，綜合對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移，應(yīng)力以及安全系數(shù)和剪切應(yīng)變?cè)茍D的變化來(lái)判別邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性。

3 有限元模型的建立

3.1 模型參數(shù)

本文中采用了一處剖面進(jìn)行有限元穩(wěn)定性分析。在進(jìn)行建立模型中，視將巖土層均假設(shè)為彈塑性材料，采用摩爾庫(kù)倫(MC)本構(gòu)關(guān)系建模，相關(guān)巖土的力學(xué)性質(zhì)如表1。露天煤礦隔水煤柱區(qū)域剖面進(jìn)行分析，采用MIDAS GTS NX軟件建立模型，在二維平面上建模，取三處剖面(圖1)，皆設(shè)定模型長(zhǎng)(x方向)926 m、高(y方向)150 m，并且規(guī)定x軸正向?yàn)檎?fù)向?yàn)樨?fù)。對(duì)于模型的邊界，本文中設(shè)置兩類邊界：(1)考慮到在實(shí)際詳細(xì)勘察了三處邊坡的地質(zhì)條件，為了簡(jiǎn)化計(jì)算分析程序，本文中通過(guò)選擇其中最不利的邊坡進(jìn)行分析。首先進(jìn)行在自然狀態(tài)下，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，所以需要設(shè)置靜力狀態(tài)下的邊界條件，左右限制x方向、下部限制x、y方向。(2)考慮到邊界對(duì)于地震波的反射，在模型的左右設(shè)置自由邊界，下部采用固定約束。該模型邊界采用左右自由場(chǎng)邊界，下部限制x、y方向。除了動(dòng)力荷載外，增加了在重力條件下邊坡的折減計(jì)算，比較三處剖面得出安全性最弱的坡面，然后對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

表1 力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖1 剖面位置圖

通過(guò)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)查得該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1 g，屬于設(shè)計(jì)地震第二組。對(duì)于地震動(dòng)的選擇，本文采用軟件中的地震記錄庫(kù)中的1 940，EICentro Site,180°，其加速度峰值為0.104 g，對(duì)該地震動(dòng)進(jìn)行修改，將地震持續(xù)時(shí)間截取10 s來(lái)進(jìn)行分析，并且取初始和結(jié)束加速度為 0 m/s2。地震作用加速度時(shí)程曲線如圖2。

3.2 網(wǎng)格建立及篩選

通過(guò)有限元軟件分別建立了如圖3三處的剖面的網(wǎng)格單元，通過(guò)三處剖面進(jìn)行重力條件下強(qiáng)度折減計(jì)算，得到安全系數(shù)：2.3、4.66、3。

剖面1處的邊坡在靜力條件下安全性是最低的一個(gè)，在剖面存在多處大坡度，地震作用下同條件下坡度越大穩(wěn)定性越差[20],故剖面1在地震荷載作用下的變形可以很大程度上代表整個(gè)邊坡體。在模型中取5個(gè)位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析其位置具體位置如圖4所示。

圖2 加速度時(shí)程曲線圖

圖3 剖面網(wǎng)格圖Fig.3 Section grid

圖4 剖面1邊坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置圖Fig.4 Profile 1 slope monitoring point location map

4 結(jié)果分析

4.1 邊坡體位移時(shí)程

在邊坡設(shè)置的5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化如圖5、圖6所示，在2.2 s時(shí)到達(dá)負(fù)方向的最大位移0.148 m，而后向著相反方向運(yùn)動(dòng)，在 9.6 s處達(dá)到最大位移，位移約為 0.488 m在10 s處位移曲線的斜率并未減小，所以會(huì)繼續(xù)變形。在圖7中可以看出在最大位移處，形成拉剪貫通破裂面。

地震對(duì)y方向產(chǎn)生最大變形為3.9×10-3m，水平地震作用對(duì)于變形相對(duì)水平位移較小，其對(duì)整體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響很小。

圖5 水平位移時(shí)程曲線圖

圖6 豎直位移時(shí)程曲線圖

圖7 最大位移時(shí)剪切應(yīng)變圖Fig.7 Shear strain diagram at maximum displacement

4.2 邊坡體速度時(shí)程

水平方向各監(jiān)測(cè)的速度趨勢(shì)大體相同，在1.8 s時(shí)達(dá)到最大速度0.28 m/s(圖8)；豎直方向在6.7 s時(shí)達(dá)到最大速度約為0.046 m/s(圖9)。在10 s時(shí)水平速度和豎直方向速度并沒(méi)有減小為0，說(shuō)明在地震作用下邊坡還在發(fā)生變形，此時(shí)監(jiān)測(cè)處邊坡體還沒(méi)出現(xiàn)永久破壞，整個(gè)邊坡還在處于變形中。

4.3 安全系數(shù)和剪切應(yīng)變分析

通過(guò)動(dòng)力折減計(jì)算得到了安全系數(shù)時(shí)程圖形(圖10)，整個(gè)安全系數(shù)曲線是呈現(xiàn)了下降的趨勢(shì)，0.1 s時(shí)最大為5.1，在地震波加速度圖中可以看出，地震波首先是朝著負(fù)方向傳播的，對(duì)邊坡產(chǎn)生一定的加固效果，所以安全系數(shù)增大，對(duì)于動(dòng)力折減系數(shù)，是一個(gè)瞬時(shí)值，大小并不能完全代表此時(shí)刻邊坡的安全程度，需要綜合考慮才能反應(yīng)邊坡的安全程度。經(jīng)過(guò)兩種不同荷載的情況下，動(dòng)力荷載下安全系數(shù)為1.677，靜力荷載下安全系數(shù)為2.89，說(shuō)明在動(dòng)力荷載下安全系數(shù)較靜力折減下更加符合要求。動(dòng)力分析下，邊坡體在5 s、7 s、10 s時(shí)安全系數(shù)最低，并且這三個(gè)圖都出現(xiàn)貫通區(qū)，說(shuō)明存在著剪-拉破壞，存在著滑動(dòng)的破壞。對(duì)應(yīng)的最大剪切應(yīng)變圖如圖11。從其中可以得出其中的變形小的位置大致為325 m的安全寬度，保證在安全生成的前提。通過(guò)比較這三種情況得出頂部向下深度為49 m的開(kāi)挖深度，安全性適宜。

圖8 水平速度時(shí)程曲線圖

圖9 豎向速度時(shí)程曲線圖

圖10 動(dòng)力和靜力下折減安全系數(shù)曲線

圖11 5 s、7 s、10 s時(shí)最大剪切應(yīng)變?cè)茍DFig.11 Cloud chart of maximum shear strain at 5S,7S and 10s

5 結(jié) 論

論文通過(guò)采用有限元折減計(jì)算的方法，對(duì)露天煤礦邊坡進(jìn)行了靜力穩(wěn)定性以及地震動(dòng)荷載作用下穩(wěn)定性分析，得到的主要結(jié)論：

(1)通過(guò)強(qiáng)度折減法分析，在考慮折減系數(shù)、剪切應(yīng)變以及時(shí)程曲線因素下，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，局部出現(xiàn)剪切應(yīng)變貫通區(qū)，說(shuō)明邊坡體發(fā)生變形破壞，如果地震繼續(xù)發(fā)生可能會(huì)產(chǎn)生邊坡整體破壞。

(2)通過(guò)動(dòng)力有限折減法分析，在考慮抗震設(shè)防烈度7度的安全條件下，露天煤礦坡在遭遇對(duì)應(yīng)強(qiáng)度地震時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)存在較大的變形，在考慮邊坡安全生成前提條件下，在約49 m深度范圍內(nèi)變形小可作為安全生產(chǎn)開(kāi)挖深度。