基于FLAC3D的潼關(guān)廢棄采石場(chǎng)邊坡治理效果分析

連海波，毛正君，袁官思龍

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，石材的需求量急劇增加，采石場(chǎng)數(shù)量激增，由此產(chǎn)生了大量的廢棄采石場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2010 年廣東省總計(jì)約13 000 個(gè)采石場(chǎng)，浙江省采石場(chǎng)5000 多個(gè)[1]。目前，礦山開(kāi)發(fā)造成了大量的廢棄采石場(chǎng)邊坡，其治理措施大致分為4 類(lèi)：對(duì)地表水、地下水采用排水疏干的方法、緩坡清理法和減重壓腳法來(lái)減小坡體下滑力和增大抗滑力措施，邊坡加固技術(shù)及周邊爆破技術(shù)[2]。廢棄采石場(chǎng)邊坡治理不僅要考慮地質(zhì)災(zāi)害隱患的消除，還要考慮生態(tài)環(huán)境的修復(fù)[3]。如今，我國(guó)對(duì)廢棄采石場(chǎng)修復(fù)治理的問(wèn)題越來(lái)越重視，眾多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究[4]。黃齊等[5]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、勘探及室內(nèi)試驗(yàn)，提出采石場(chǎng)不穩(wěn)定邊坡和礦區(qū)堆積廢碴應(yīng)采用“削高填低”的工程治理方案，坡面采用植被技術(shù)的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理方案；席文明等[6]采用植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)、新型復(fù)合生態(tài)護(hù)坡工程技術(shù)，對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡的綠化進(jìn)行了評(píng)價(jià)；沈俊等[7]采用工程類(lèi)比法和經(jīng)驗(yàn)法，對(duì)失穩(wěn)巖質(zhì)邊坡采取了預(yù)應(yīng)力錨索、自鉆式錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土聯(lián)合加固的措施；王燾等[8]針對(duì)渭北廢棄采石礦山，提出坡面危巖塊體清理、刷坡、坡面復(fù)綠等措施。

邊坡治理效果評(píng)價(jià)常采用解析法[9]、變形監(jiān)測(cè)法[10]、數(shù)值模擬法等。解析法一般只適用于連續(xù)介質(zhì)巖體，以及邊界與受力條件比較簡(jiǎn)單的情況[11]，其通常不能精確確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧的圓心位置，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定系數(shù)偏差較大的情況，從而影響邊坡穩(wěn)定性的判斷[12]。變形監(jiān)測(cè)法多為點(diǎn)狀監(jiān)測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離大面積監(jiān)測(cè)，存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)，增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)雖然可靠性有所提高，但工作量倍增，況且監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)的增加也會(huì)影響巖土體的整體性和結(jié)構(gòu)安全[13]。與解析法、變形監(jiān)測(cè)法相比，數(shù)值模擬可反映較為真實(shí)的工程條件，且需要的人力和財(cái)力更少、研究周期更短、靈活性和方便性更大[14]。因此，眾多學(xué)者利用數(shù)值模擬方法對(duì)邊坡治理效果進(jìn)行分析驗(yàn)證：潘長(zhǎng)勝等[15]采用極限平衡法和FLAC3D數(shù)值模擬法對(duì)邊坡治理前后的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析，表明治理措施使坡體位移得到了有效控制；楊天鴻等[16]應(yīng)用數(shù)值模擬方法介紹了撫順西露天礦北幫邊坡治理工程及效果；柏淼[17]采用MIDAS/GTS 軟件模擬工程情況，論證了衡重式擋墻治理方案的可行性；張文華等[18]借助ANSYS 軟件，對(duì)采用小型抗滑樁治理后的邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了抗滑樁治理邊坡的效果。

本文以潼關(guān)金礦區(qū)廢棄采石場(chǎng)邊坡為例，結(jié)合其工程地質(zhì)條件，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料，利用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件，對(duì)治理前后的邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析與計(jì)算，為類(lèi)似礦區(qū)廢棄采石場(chǎng)邊坡治理提供參考。

1 工程概況

1.1 廢棄采石場(chǎng)工程地質(zhì)條件

廢棄采石場(chǎng)地處小秦嶺太華臺(tái)拱與汾渭斷陷結(jié)合部，在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用下，山前斷裂發(fā)生間歇性強(qiáng)烈抬升，山麓沖洪積扇群疊覆，長(zhǎng)期遭受剝蝕夷平，形成了現(xiàn)代地質(zhì)地貌景觀，地層主要由第四系耕土、廢石碴、粉質(zhì)黏土、漂卵石、碎石土和燕山期花崗巖組成。廢棄采石場(chǎng)周邊溝道主要為潼峪河沖洪積物，漫灘上為大小不一的漂卵石，不利于植被發(fā)育；階地表層以粉質(zhì)黏土或含碎石粉質(zhì)黏土為主，主要為村民耕地，植被較發(fā)育，種植花椒樹(shù)或小麥；溝道兩側(cè)山體植被發(fā)育，主要為矮小灌木。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306?2001），治理區(qū)所在區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g，潼關(guān)縣抗震設(shè)防烈度為8 度，地震反應(yīng)譜特征周期為0.35 s[19]。

1.2 廢棄采石場(chǎng)邊坡基本特征

廢棄采石場(chǎng)邊坡整體形態(tài)呈簸箕形分布，上窄下寬，順坡長(zhǎng)約200 m，平均寬120 m，堆積物厚度約2.0～14.0 m，占地面積約41 500 m2，廢石量約100 000 m3，堆積坡度36°，堆積時(shí)間約15 a。由于采石場(chǎng)在坡腳處開(kāi)山取石，形成臨空面，造成坡體頂部表層堆積層發(fā)生滑塌，滑塌平均厚度為1.5 m。堆積物沿斜坡自然隨意堆積，無(wú)任何防護(hù)措施。斜坡表層開(kāi)挖及碴堆堆積造成坡體植被基本全部破壞。表層堆積物為第四系全新統(tǒng)人工堆積（Q4ml），主要由采石場(chǎng)廢石碴組成，呈黃褐色、灰褐色，一般粒徑為50～150 mm，最大粒徑為300 mm，棱角狀，松散-密實(shí)狀態(tài)。部分地段角礫、粉質(zhì)黏土充填，有結(jié)塊。該層主要分布在治理區(qū)中部東側(cè)坡體上和新民溝溝口部位，厚度約2.2～14.2 m。基巖為花崗片麻巖，主要出露于峪道與山體接觸部位，本層未揭穿，呈肉紅色、深灰色和灰黑色，色雜，硬質(zhì)巖較完整，塊體結(jié)構(gòu)，太古界太華群花崗片麻巖（Ar2D），中等-弱風(fēng)化，巖芯呈短柱狀、柱狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育。造巖礦物為花崗石、長(zhǎng)石、云母和角閃石等[20]。

2 廢棄采石場(chǎng)邊坡治理措施及數(shù)值模擬

2.1 治理措施

首先，對(duì)廢石碴堆進(jìn)行清理，在邊坡坡腳處設(shè)置攔碴擋墻，在上部地形陡峭可能發(fā)生崩塌的部位設(shè)置主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)，防護(hù)網(wǎng)與墊墩錨桿防護(hù)結(jié)合，鋼繩錨桿與壓力注漿錨桿綁扎連接，若邊坡巖層破碎、松散，鋼繩錨桿可加長(zhǎng)；整個(gè)坡體坡比為1:1.20，分10 級(jí)放坡開(kāi)挖，每級(jí)坡高15 m，坡腳均設(shè)3.0 m 寬平臺(tái)；攔碴擋墻采用M10 漿砌片石砌筑，石料強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于MU30；基礎(chǔ)埋置深度不得小于1.0 m，以漂石、卵石或碎石為持力層，片石厚度不得小于200 mm，砌筑時(shí)應(yīng)分層錯(cuò)縫，不得有垂直通縫，外露面用M7.5 砂漿勾縫。清理的廢棄松散堆積物及碴體，用于下方河道的整治及土地復(fù)墾[20]。治理工程剖面如圖1 所示。

圖1 廢棄采石場(chǎng)及堆碴治理工程剖面

2.2 模型建立

根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖，建立邊坡三維模型。從圖1 可以看出，廢棄采石場(chǎng)原始邊坡分為上下兩層，表層為廢石碴及堆積物，下層為基巖，因此邊坡三維模型分上下兩層。巖體采用彈塑性材料，選用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則。原始邊坡計(jì)算模型如圖2 所示，模型尺寸長(zhǎng)度取323.2 m，寬為60 m。邊坡治理后的模型如圖3 所示，坡腳處紅色部分為攔碴擋墻模型，該邊坡模型的攔碴擋墻采用實(shí)體單元模擬，坡頂處采用cable 單元模擬主動(dòng)柔性掛網(wǎng)。模型底部邊界固定x、y、z3 個(gè)方向的位移，邊坡模型前后邊界固定x方向位移，邊坡模型左右兩側(cè)邊界固定y方向位移，模型邊界為自由邊界[21]。

圖2 原始邊坡計(jì)算模型

圖3 治理后的邊坡計(jì)算模型

模型網(wǎng)格劃分采用六面體，原始邊坡模型共84 423 個(gè)單元，71 205 個(gè)節(jié)點(diǎn)，治理后的邊坡模型共76 737 個(gè)單元，64 469 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.3 參數(shù)選取

模型的建立需要進(jìn)行本構(gòu)模型以及相關(guān)參數(shù)的確定，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告和試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合以往的地質(zhì)資料，不考慮降雨和地表水的入滲。本例中，巖土體采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)采用cable 結(jié)構(gòu)單元，攔碴擋墻采用實(shí)體單元并賦予彈性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。各材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1 和表2。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

表2 主動(dòng)柔性網(wǎng)cable 單元參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 邊坡治理前數(shù)值模擬結(jié)果分析

（1）邊坡治理前的最小主應(yīng)力云圖如圖4 所示。由圖4 可以看出，原始邊坡的最小主應(yīng)力分布特征與一般斜坡應(yīng)力場(chǎng)特征一致，主要受到重力場(chǎng)控制，最小主應(yīng)力跡線與坡面平行，且在坡面出現(xiàn)了小范圍的拉應(yīng)力分布。

圖4 邊坡治理前的最小主應(yīng)力分布云圖

（2）邊坡治理前的最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D如圖5 所示。剪應(yīng)變?cè)隽慷嗉性谄旅婧推履_的堆積物部分，坡肩處剪應(yīng)變?cè)隽亢苄　Ｍǔ?lái)說(shuō)，剪應(yīng)變?cè)隽考械姆秶瞧麦w在剪應(yīng)力作用下最可能發(fā)生破壞的薄弱部位，這也說(shuō)明了清理坡面堆積物的必要性。

圖5 邊坡治理前剪應(yīng)變?cè)隽糠植荚茍D

（3）邊坡治理前的位移云圖如圖6 所示。由于基巖部分為花崗片麻巖，屬于巖質(zhì)邊坡，穩(wěn)定性非常好。從模擬結(jié)果來(lái)看也是如此，其下部基巖部分沒(méi)有出現(xiàn)峰值區(qū)域，表明基巖沒(méi)有發(fā)生位移，處于穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，坡肩部位相較于坡面和坡腳位移很小。但是坡面堆積體部分出現(xiàn)大量紅色區(qū)域，表明坡面堆積物有滑動(dòng)的可能，再次說(shuō)明對(duì)廢石碴堆積物進(jìn)行清理十分有必要。

圖6 邊坡治理前位移分布云圖

3.2 邊坡治理后數(shù)值模擬結(jié)果分析

（1）邊坡治理后最小主應(yīng)力云圖如圖7 所示，從圖7 可以看出，滑坡治理后應(yīng)力場(chǎng)仍受到重力場(chǎng)控制，與圖4 相比，坡體表面的拉應(yīng)力分布消失，表明治理措施有效地改善了坡面的應(yīng)力狀態(tài)。

圖7 邊坡治理后的最小主應(yīng)力分布云圖

（2）邊坡治理后剪應(yīng)變?cè)隽糠植荚茍D見(jiàn)圖8。由圖8 可知，坡腳在攔碴擋墻的作用下，剪應(yīng)變?cè)隽考械默F(xiàn)象大幅改善，雖然坡體仍有剪切變形，但主要分布在攔碴擋墻后，與圖5 相比，最大剪應(yīng)變?cè)隽康姆植挤秶蛿?shù)值都明顯減小，說(shuō)明在采取了組合治理措施之后，坡體的穩(wěn)定性有了較大提升，放坡開(kāi)挖和堆積物清理消除了廢石碴滑落的隱患，對(duì)承災(zāi)體潼洛公路起到了保護(hù)作用，但治理后期應(yīng)加強(qiáng)對(duì)坡腳的監(jiān)測(cè)。

圖8 邊坡治理后剪應(yīng)變?cè)隽糠植荚茍D

（3）對(duì)比圖6 的模擬結(jié)果，從圖9 可以看出，邊坡位移量明顯降低，云圖紅色區(qū)域消失，峰值出現(xiàn)在坡腳處橙色區(qū)域，數(shù)值由坡面向坡內(nèi)逐漸減小，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的滑動(dòng)面，邊坡穩(wěn)定性提高。由坡面中部紅色區(qū)域的消失可以看出，邊坡進(jìn)行開(kāi)挖放坡后提高了邊坡的穩(wěn)定性。

圖9 邊坡治理后位移分布云圖

最后，對(duì)比分析邊坡治理前后的安全系數(shù)。地質(zhì)勘查報(bào)告中，含有廢石碴堆積物的坡面只考慮自重作用條件，用理正軟件進(jìn)行計(jì)算得到安全系數(shù)為1.24，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果為穩(wěn)定[19]，用FLAC3D強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的結(jié)果為1.387，兩結(jié)果相差不大，表明分析結(jié)果是合理的。治理后計(jì)算得到邊坡的安全系數(shù)是2.10。比較安全系數(shù)的大小可以看出，組合治理措施的實(shí)施使得邊坡穩(wěn)定性得到了顯著提高。

4 結(jié)論

（1）潼關(guān)金礦區(qū)廢棄采石場(chǎng)邊坡治理工程措施包括：坡面廢碴清理、邊坡整體放坡、坡腳設(shè)置攔碴擋墻、坡頂設(shè)置主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)。邊坡治理后，消除了危巖及崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患，提高了邊坡安全性，放坡有效提高了邊坡的穩(wěn)定性，整體生態(tài)修復(fù)效果良好，綠化程度高，邊坡美觀。

（2）攔碴擋墻工程：清理潼洛公路東側(cè)廢棄采石場(chǎng)及碴堆上的陡立孤石、局部不穩(wěn)定堆碴，整平潼峪主峪道兩側(cè)棄碴，推高填低，修筑攔碴擋墻、以穩(wěn)碴固碴；危巖清理及柔性網(wǎng)防護(hù)工程：對(duì)潼洛公路東側(cè)山坡上的危巖、崩塌地質(zhì)災(zāi)害，采用人工清理危巖、柔性防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)，消除危巖及崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患；攔碴擋墻和主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)主要起防護(hù)作用，邊坡開(kāi)挖放坡對(duì)穩(wěn)定性的提高起著主要作用。

（3）運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)邊坡治理前后進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)比分析了其應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、應(yīng)變?cè)隽亢头€(wěn)定系數(shù)。在只考慮重力作用下，潼關(guān)廢棄采石場(chǎng)原始邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.387，處于穩(wěn)定狀態(tài)，但坡面上覆堆積體位移較大，應(yīng)及時(shí)治理。邊坡治理后穩(wěn)定系數(shù)增加到2.1，位移量明顯減小。結(jié)果較好地反映了邊坡的實(shí)際治理效果，驗(yàn)證了邊坡治理的有效性，也表明本次數(shù)值模擬的結(jié)論是合理的，達(dá)到了預(yù)期的效果。