軟弱結(jié)構(gòu)面的賦存條件對(duì)露天礦順層巖質(zhì)邊坡劣化的數(shù)值模擬研究

姜 超，孫宇超*，龔夢(mèng)洋，李忠鵬

（中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司，北京 100071）

露天礦邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題一直以來(lái)都受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，這是因?yàn)槁短斓V邊坡穩(wěn)定性是礦山重大的地質(zhì)災(zāi)害之一，對(duì)礦山的安全生產(chǎn)有著舉足輕重的地位。然而，由于地質(zhì)條件的不同，順層邊坡結(jié)構(gòu)面的賦存條件存在較大差異，其差異主要表現(xiàn)為單結(jié)構(gòu)面順層邊坡和多結(jié)構(gòu)面順層邊坡。單結(jié)構(gòu)面順層邊坡根據(jù)其巖層產(chǎn)狀的不同，其軟弱結(jié)構(gòu)面主要受角度的影響相對(duì)較大；多結(jié)構(gòu)面順層邊坡，在地質(zhì)構(gòu)造的影響下，邊坡存在大量切角巖層，切角巖層面向邊坡的臨空面，對(duì)邊坡存在不同程度的劣化影響。基于此，近年來(lái)許多學(xué)者對(duì)順層邊坡投入了大量的研究工作，例如：王章瓊[1]等采用UDEC離散元軟件分析了順層邊坡的破壞模式和穩(wěn)定性，研究結(jié)果表明邊坡主要有滑移和拉裂-滑移兩種破壞方式。李宗鴻[2]等采用順層邊坡的相似試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法研究了陡傾順層邊坡地下開挖失穩(wěn)的模式，并計(jì)算了該邊坡的安全系數(shù)。陳笑楠[3]等利用屈曲理論和突變理論針對(duì)順層邊坡的結(jié)構(gòu)缺陷分析了邊坡的不穩(wěn)定狀態(tài)。劉新榮[4]等采用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法研究了頻發(fā)微小地震下順層巖質(zhì)邊坡的累計(jì)損傷和邊坡的穩(wěn)定性。郝喆[5]采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、土工試驗(yàn)和生態(tài)環(huán)境治理設(shè)計(jì)等多種方法對(duì)露天礦超高邊坡建立了生態(tài)環(huán)境治理方案。韓新平[6]等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及試驗(yàn)，對(duì)中等傾角順層不穩(wěn)定邊坡結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化方案，不僅滿足了邊坡的安全要求，也為類似礦山的邊坡安全設(shè)計(jì)提供了參考。目前研究邊坡穩(wěn)定的方法以極限平衡法和強(qiáng)度折減法[7，8]最為常見，同時(shí)FLAC3D數(shù)值模擬軟件常被用來(lái)研究邊坡的穩(wěn)定性，這是因?yàn)樵撥浖粌H能以強(qiáng)度折減法為基礎(chǔ)計(jì)算出邊坡的安全系數(shù)，也可以清楚的計(jì)算出邊坡滑動(dòng)面的位置。因此本文采用FLAC3D數(shù)值軟件探索露天礦順層巖質(zhì)邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面的不同賦存條件對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 模擬方案

經(jīng)過(guò)查閱大量文獻(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段我國(guó)露天礦邊坡臺(tái)階高度為15m的居多，因此本文擬設(shè)計(jì)露天礦邊坡參數(shù)為：臺(tái)階高度為15m，最終臺(tái)階坡面角為65°，安全平臺(tái)為4m，清掃平臺(tái)為8m，每?jī)蓚€(gè)安全平臺(tái)設(shè)置一個(gè)清掃平臺(tái)，終了邊坡的角度為52°。研究中設(shè)置10個(gè)臺(tái)階作為終了邊坡研究對(duì)象，即終了邊坡高度為150m。

此次研究采用數(shù)值模擬的方法對(duì)露天礦順層巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面在劣化條件下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。其主要研究目的是分析順層巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面不同傾角及多結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性的劣化影響。并根據(jù)研究結(jié)果分析順層地質(zhì)條件下，邊坡的的失穩(wěn)模式及劣化程度。為今后開展邊坡穩(wěn)定性分析提供科學(xué)依據(jù)。單結(jié)構(gòu)面和多結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的研究方案具體分述如下。

單結(jié)構(gòu)面以研究不同傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，其中結(jié)構(gòu)面貫穿邊坡的頂?shù)撞浚医Y(jié)構(gòu)面上下均為均質(zhì)巖體，不存在切角巖層，單結(jié)構(gòu)面傾角分別設(shè)置為：0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°和45°。多結(jié)構(gòu)面以研究順層邊坡存在多個(gè)結(jié)構(gòu)面時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，多結(jié)構(gòu)面的研究方案為：終了邊坡結(jié)構(gòu)面由1~5逐漸遞增，其中該終了邊坡的特點(diǎn)是存在大量切角巖層。

2 模型的建立

根據(jù)模擬方案中露天礦終了邊坡的臺(tái)階相關(guān)參數(shù)及軟弱結(jié)構(gòu)面研究方案建立終了邊坡的數(shù)值計(jì)算模型。根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016-2014）可知，邊坡穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)為邊坡的安全系數(shù)，因此模擬中采用邊坡的安全系數(shù)作為衡量邊坡穩(wěn)定性的強(qiáng)弱標(biāo)準(zhǔn)。所建立的邊坡模型如圖1所示（根據(jù)研究方案所建立的模型較多，因此選取兩個(gè)典型的模型進(jìn)行展示），模型的尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=150m×10m×150m。共建立2592個(gè)節(jié)點(diǎn)，1638個(gè)單元。為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在終了邊坡的結(jié)構(gòu)面附近網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。同時(shí)為保證模擬的正確性需對(duì)模型做出如下假設(shè)：

圖1 模型示意圖

（1）各巖層均為各向同性的均質(zhì)體。

（2）符合摩爾-庫(kù)倫彈塑性理論模型。

（3）模擬中不考慮地下水和時(shí)間效應(yīng)的影響。

由于該礦山為露天開采，因此模擬過(guò)程中不考慮水平應(yīng)力的影響，模型僅受重力影響且重力加速度即 取9.8。

2.1 模擬中力學(xué)參數(shù)的確定

為獲取相對(duì)較為準(zhǔn)確的力學(xué)參數(shù)，通過(guò)對(duì)某石灰?guī)r露天礦現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查取樣，并進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)確定。試驗(yàn)結(jié)果，巖石的平均單軸抗壓強(qiáng)度為86.17MPa，平均彈性模量為20.44GPa。試驗(yàn)部分圖件如圖2所示。

圖2 巖石應(yīng)力-位移曲線

根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016-2014）和Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則，結(jié)合式（1）~式（7）將該礦山巖石力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)化為巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

通過(guò)閱讀文獻(xiàn)了解到巖體主要以剪切和拉伸破壞為主，且?guī)r體的物理力學(xué)性質(zhì)及破壞方式與彈塑性材料較為相似，因此，模擬中采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，在此本構(gòu)模型條件下，F(xiàn)LAC3D數(shù)值計(jì)算中需賦予巖體體積模量和切變模量參數(shù)，該參數(shù)的計(jì)算公式分別如式（8）和公式（9）所示，計(jì)算所需其它參數(shù)參照表1。

式中，K為體積模量，G為切變模量，E為彈性模量，v為泊松比。

2.2 邊界條件

邊界條件包括位移邊界、加速度邊界和應(yīng)力邊界，由于所研究邊坡為露天礦巖質(zhì)順層邊坡，邊坡高度為150m，為地表開采，因此模擬中不考慮水平地應(yīng)力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，只考慮在重力作用下邊坡的穩(wěn)定性。因此，模擬中采用Fix約束模型左側(cè)邊界和底部邊界的水平位移和加速度，模型頂部和模型右側(cè)邊界為自由邊界不受約束。并通過(guò)穩(wěn)定性系數(shù)和邊坡最大剪應(yīng)變來(lái)對(duì)露天礦順層巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

3 結(jié)果分析

3.1 模擬結(jié)果

根據(jù)模擬方案計(jì)算得到露天礦順層巖質(zhì)邊坡在單結(jié)構(gòu)面不同傾角條件的邊坡剪應(yīng)變和安全系數(shù)云圖如圖3所示；多結(jié)構(gòu)面邊坡剪應(yīng)變和安全系數(shù)云圖如圖4所示（由于計(jì)算云圖較多，因此這里只展示部分典型圖件以說(shuō)明問(wèn)題）。

圖3 單結(jié)構(gòu)面不同傾角下的邊坡模擬云圖（部分圖件）

圖4 多結(jié)構(gòu)面劣化條件下邊坡剪應(yīng)變模擬云圖（部分圖件）

將FLAC3D數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin后處理軟件，分別得到露天礦順層巖質(zhì)邊坡在單結(jié)構(gòu)面不同傾角和多結(jié)構(gòu)面劣化條件下的安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 單結(jié)構(gòu)面不同傾角下的邊坡安全系數(shù)

圖6 多結(jié)構(gòu)面劣化條件下邊坡的安全系數(shù)

3.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)圖3可知，露天礦順層巖質(zhì)邊坡存在單結(jié)構(gòu)面時(shí)（結(jié)構(gòu)面上下均為均質(zhì)巖體不存在切角巖層如圖1a所示），其邊坡的最大剪應(yīng)變主要出現(xiàn)在軟弱結(jié)構(gòu)面處，巖體會(huì)沿著軟弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)行滑動(dòng)；由圖4可知，當(dāng)露天礦巖質(zhì)邊坡存在多結(jié)構(gòu)面的劣化條件時(shí)，邊坡的最大剪應(yīng)變位置依舊出現(xiàn)在邊坡的軟弱結(jié)構(gòu)面處，且隨著結(jié)構(gòu)面的增加，邊坡的最大剪應(yīng)變的位置會(huì)隨之下降，但邊坡頂部的結(jié)構(gòu)面位置會(huì)存在相對(duì)較大的剪應(yīng)變。這說(shuō)明，露天礦順層巖質(zhì)邊坡在多結(jié)構(gòu)面劣化因素的影響下，順層邊坡的滑動(dòng)會(huì)優(yōu)先沿著下部的軟弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)行，同時(shí)，巖體頂部的軟弱結(jié)構(gòu)面也會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生滑動(dòng)。

根據(jù)圖5可知，單結(jié)構(gòu)面順層巖質(zhì)邊坡隨著傾角的增加，邊坡的安全系數(shù)逐漸降低，且當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角由0°增加至5度時(shí)，邊坡的安全性變化較大，由5°增加至30°時(shí)，邊坡安全系數(shù)近似呈線性降低趨勢(shì)，由30°增加至40°時(shí)，邊坡安全系數(shù)急轉(zhuǎn)直下，邊坡的不穩(wěn)定性急劇增加，當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角由40°增加至45°時(shí)，邊坡的安全系數(shù)顯著增加，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)面以上的巖體相對(duì)較少，其重量相對(duì)較少，且結(jié)構(gòu)面底部的反向支撐應(yīng)力相對(duì)得到提高，這時(shí)，邊坡不易產(chǎn)生滑動(dòng)破壞，但是此時(shí)的邊坡最易產(chǎn)生傾倒破壞，需嚴(yán)加防范。由圖6可知，露天礦順層巖質(zhì)邊坡在多結(jié)構(gòu)面劣化因素影響下，邊坡的安全系數(shù)先近似呈“直線型”下降趨勢(shì)，而后邊坡的安全系數(shù)顯著降低，這說(shuō)明，露天礦順層巖質(zhì)邊坡隨著軟弱結(jié)構(gòu)面的增加，邊坡的安全系數(shù)會(huì)顯著降低。

由于多結(jié)構(gòu)面順層邊坡存在大量的切角巖層和多個(gè)軟弱面，對(duì)邊坡的影響相對(duì)復(fù)雜（如圖1b所示）。因此本文對(duì)多結(jié)構(gòu)面劣化條件下的露天礦巖質(zhì)邊坡的位移和應(yīng)力進(jìn)行了分析，計(jì)算得到多結(jié)構(gòu)面劣化條件下的邊坡位移、應(yīng)力云圖（部分云圖）分別如圖7和圖8所示。

圖7 多結(jié)構(gòu)面劣化條件下邊坡位移模擬云圖（部分圖件）

圖8 多結(jié)構(gòu)面劣化條件下邊坡應(yīng)力模擬云圖（部分圖件）

根據(jù)圖7可知，露天礦順層巖質(zhì)邊坡在多結(jié)構(gòu)面劣化因素影響下，巖體的水平位移主要發(fā)生在巖體結(jié)構(gòu)面以上的巖體之中，且各結(jié)構(gòu)面處均有水平位移產(chǎn)生；根據(jù)圖8可知，存在多結(jié)構(gòu)面的順層巖質(zhì)邊坡，巖體的水平拉應(yīng)力主要集中在結(jié)構(gòu)面以上的巖體之中，且各結(jié)構(gòu)面附近均存在不同程度的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。由此可以得出，露天礦順層巖質(zhì)邊坡在多結(jié)構(gòu)面劣化因素影響下，邊坡的穩(wěn)定性顯著降低，邊坡的破壞主要以滑動(dòng)破壞為主，且?guī)r體沿各結(jié)構(gòu)面均會(huì)產(chǎn)生不同程度的滑動(dòng)破壞。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)露天礦順層巖質(zhì)邊坡的結(jié)構(gòu)面劣化因素進(jìn)行分析可知，當(dāng)露天礦順層邊坡為單結(jié)構(gòu)面時(shí)，結(jié)構(gòu)面上下均為均質(zhì)巖體不存在切角巖層，因此邊坡的最大剪應(yīng)變位置出現(xiàn)在軟弱結(jié)構(gòu)面處且邊坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)先降低后增高的趨勢(shì)；經(jīng)分析，邊坡穩(wěn)定性提高的原因是，結(jié)構(gòu)面以上巖體重量急劇降低，巖體重力在水平方向的分力明顯下降，且邊坡底部對(duì)結(jié)構(gòu)面上部巖體的支撐力有所增加所致。當(dāng)露天礦順層邊坡為多結(jié)構(gòu)面時(shí)，邊坡出現(xiàn)大量的切角巖層，且邊坡的拉應(yīng)力和位移主要出現(xiàn)在邊坡結(jié)構(gòu)面及結(jié)構(gòu)面上部巖體內(nèi)，邊坡的穩(wěn)定性急劇降低同時(shí)邊坡的安全系數(shù)呈不斷下降的趨勢(shì)。此次研究不僅提供了露天礦順層邊坡的破壞模式，也為順層邊坡的穩(wěn)定性優(yōu)化及邊坡的支護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。