碟子溝風井邊坡變形破壞機制及穩定性分析

李雅閣，吳海軍

（1.中國中煤能源集團有限公司，北京 100011；2.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013）

邊坡是人類工程活動中不可避免的問題之一，可分為天然斜坡和人工邊坡2 類[1]。邊坡穩定性是指邊坡巖、土體在一定坡高和坡角條件下的穩定程度[2]。對于邊坡穩定性的分析和研究由來已久，從簡單的工程類比法到數值模擬、相似模擬、穩定性監測預警等，都有了較為成熟的技術和設備[3-5]。分析邊坡穩定性問題有3 類基本方法，即分析計算、模擬試驗和巖體分級方法[6-7]。模擬試驗方法主要是采用地質力學模擬試驗、離心機模擬試驗或現場開挖測試等方法，通過儀表或影像來觀察邊坡的變形和破壞過程[8]。工程巖體分級方法來源于工程實踐，是在大量工程實測資料的統計分析和調查研究的基礎上編制出來的，然后又返回去指導工程實踐[9]。邊坡穩定性分析和評價是研究邊坡問題的核心，目前常用的邊坡穩定性分析計算評價方法有：極限平衡分析法，極限分析法，滑移線法，數值模擬試驗法和可靠性分析方法等[10]。條分法是工程實踐中應用很廣的極限分析法，它只考慮靜力平衡條件，將滑坡體看成剛體在假設的滑面上采用Mohr-Coulomb 破壞準則，根據處于極限平衡狀態時滑坡體的力的平衡來求得問題的解[11]。條分法包括簡化Bishop 法，Morgstern-Price法，簡化Janbu 法，剩余推力法和Sarma 法等[12]。在實際工程中，首先需要研究邊坡變形破壞的機理和特征，而后對邊坡穩定性進行分析和評價。

1 工程概況

中煤華晉集團王家嶺煤礦碟子溝風井工業場地位于碟子溝村西北的碟子溝內，地處呂梁山脈南麓，地形復雜，溝壑縱橫，場地自然地形坡度較大，南高北低。工業廣場內的綜合服務樓、電鍋爐房及進風斜井周邊的部分建構筑物屬于填方區域。其中3 層綜合服務樓自建成投入使用后，1 層西南側墻體出現輕微裂縫，隨著時間的推移，綜合服務樓2 層、3 層西南側墻體也出現了同樣的裂縫，對建筑物的正常使用造成了一定了影響，存在極大的安全隱患。據調查，該風井工業場地建在古滑坡體上，從目前現場的表觀特征分析，古滑坡體未出現滑動跡象，但邊坡變形破壞機理、穩定狀態和發展趨勢不明。為了掌握場地邊坡變形破壞機制、弄清裂縫發生發展的真正原因，開展了分析研究。

2 場地巖土力學參數

王家嶺礦在礦山建設、生產過程中，對碟子溝風井場地的各類巖土體的物理力學性質進行了比較全面的試驗研究，積累了比較豐富的成果和資料，為本次研究提供了有力的參考。在收集和整理王家嶺礦碟子溝風井場地已有巖土體試驗研究成果的基礎上，結合現場取樣實測、經過對比分析得到的本次研究中各巖土體的物理力學性質參數見表1。

3 剖面選取與邊坡變形破壞機理

3.1 模型計算

結合現場實際情況，本次邊坡變形破壞機理分析研究有針對性的選取了王家嶺碟子溝風井工業場地東側古滑坡體邊坡、西側古滑坡體邊坡和北側矸石邊坡各1 個剖面。分別建立計算模型，在此基礎上分析邊坡巖土體的位移、變形和應力情況[13-15]。古滑體及矸石邊坡模型圖如圖1，古滑體及矸石邊坡總位移云圖如圖2，古滑體及矸石邊坡剪切應變增量云圖如圖3。

表1 物理力學性質指標推薦表

圖1 古滑體及矸石邊坡模型圖

由圖2 可以看出，東側和西側古滑坡體邊坡總位移較大的地段出現在邊坡頂部靠里的區域（非邊坡外緣），而北側矸石邊坡的總位移較大的地段則出現在邊坡頂部的外緣，最大位移量在1.905 2×10-2～1.654 3 m。

由圖3 可知，東側古滑坡體和西側古滑坡體邊坡剪切應變的最大增量值（1.000 0×10-3～5.018 3×10-3）均發生在上部第四系邊坡的內部，距離坡面有一定的距離，不會造成明顯滑動；北側矸石邊坡剪切應變的最大增量值（1.337 5×10-1）發生在矸石邊坡的表面，穩定性相對較差，相應地導致了圖2 中矸石邊坡頂部表面發生較大位移，后期需要加強觀測。

圖2 古滑體及矸石邊坡總位移云圖

圖3 古滑體及矸石邊坡剪切應變增量云圖

3.2 破壞機理

根據以上對王家嶺碟子溝風井工業場地東側古滑坡、西側古滑坡和北側矸石邊坡數值模擬可知，工業場地內邊坡主要變形為剝挖活動引起應力釋放造成的位移變形，各邊坡均未形成明顯的滑動模式。東側古滑坡體邊坡的變形，主要在原始地表風化及后期開挖取土形成的邊坡區域，以水平方向變形為主，東側古滑坡體邊坡滑動模式為：沿基底巖層滑動。西側古滑坡體邊坡的變形，主要在剝離形成的裸露邊坡區域，以水平方向變形為主，指向邊坡臨空面，在現狀邊坡與預測邊坡中未形成整體滑動變形趨勢，在邊坡內部存在黃土層內部滑動趨勢。北側矸石回填邊坡的變形，主要在水力作用下形成的松散邊坡區域，主要以豎直方向變形為主，邊坡向臨空面有局部水平位移，在現狀邊坡與預測邊坡中未形成整體滑動變形趨勢。

4 邊坡穩定性分析

為了對碟子溝風井工業場地內各邊坡的穩定性進行分析評價，本次在工業場地內選取了8 個具有代表性的典型剖面，分別記為剖面1～剖面8，其中剖面1 和剖面2 位于西側古滑坡體上，剖面3～剖面5分布于東側古滑坡體上，剖面6～剖面8 位于北部的矸石回填邊坡上。

依據《露天煤礦巖土工程勘察規范》及《建筑邊坡工程技術規范》，結合目前對王家嶺礦碟子溝風井區域地質條件、構造條件、建筑設施及邊坡重要程度等資料的掌握情況，穩定計算的安全儲備系數的選取充分考慮邊坡穩定的時空效應：東側古滑坡體主要受取土開挖、機械、人員影響，安全系數取1.3；西側古滑坡體主要受工程建設、機械、人員影響，也作為運輸干道，其安全系數取1.3；北部矸石回填邊坡是主要建筑場地，有運輸干道，安全系數取1.5。按照邊坡的實際形狀和地層情況運用Geo-slope 軟件分別建立各剖面的地質模型，對各地層的物理力學性質等特征參數取值進行賦值，而后進行邊坡整體穩定性的分析計算。碟子溝風井工業場地邊坡整體穩定性系數曲線圖如圖4。

圖4 碟子溝風井工業場地邊坡整體穩定性系數曲線圖

由圖4 的計算分析可知：西側滑坡體上的2 個典型剖面中，剖面1 的穩定系數為1.103，相對來說穩定性差一些，因該處邊坡為場地建設時開挖切坡造成，坡度很大，坡面植被覆蓋不夠，后期風化、取土加上大氣降水等因素造成坡體穩定性降低，存在局部滑塌失穩的可能，需要加強監測監控，及時做好應急預警，防止災害發生造成嚴重影響；剖面2 的穩定系數為2.551，整體穩定性好。東側古滑坡體上的剖面4 為通風機房建設時開挖原山體形成，坡度較大，邊坡周圍的排水系統不夠完善，東側又有持續性的開挖取土活動，降低了坡體的穩定性，其穩定系數為1.227，邊坡處于欠穩定狀態；后期需要規范取土，做好排水和坡面防護，其整體穩定性可以得到保證。另外的剖面3 和剖面5 的穩定系數分別為2.737 和2.006，整體穩定性均較好。北部矸石回填邊坡上的3 個剖面（剖面6～剖面8），穩定系數分別為2.442、3.279、2.395，目前穩定性均較好，不會發生大的變形。

綜上分析，場地內各邊坡目前的穩定性較好，局部存在軟弱區域，但整體穩定性尚能滿足安全儲備要求。從分析結果來看，2 處古滑坡體目前均處于穩定狀態，沒有滑坡體復活滑動的跡象，在不發生地震等自然災害或極端天氣的情況下，邊坡體穩定，短期內不會對場地現有建筑物及后續規劃建設造成破壞性影響。

5 結語

1）碟子溝風井工業場地內邊坡主要變形為剝挖活動引起應力釋放造成的位移變形，各邊坡均未形成明顯的滑動模式。東側古滑坡體邊坡滑動模式為沿基底巖層滑動；西側古滑坡體未形成整體滑動變形趨勢，在邊坡內部存在黃土層內部滑動趨勢；北側矸石回填邊坡在現狀與預測條件下均未形成整體滑動變形趨勢。

2）碟子溝風井工業場地內的各邊坡在現狀條件下穩定性較好，局部存在軟弱區域，整體穩定性能滿足安全儲備要求。2 處古滑坡體目前沒有滑動跡象，穩定性較好，短期內不會對場區內建筑造成破壞。

3）場區邊坡目前穩定狀態較好，但仍需加強對場區內典型邊坡地表及深部位移的監測預警；還需做好整個場區的排水設施，使地表徑流能夠順暢排出區外，以保證區內建筑及整個場區的安全穩定。