基于全局臨界滑移場技術(shù)的撫順西露天礦邊坡穩(wěn)定性研究

孫世國，賈欣欣，肖 劍

（1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144；2.中冶交通建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 三河 065200）

西露天礦位于遼寧省撫順市望花區(qū)東南部，地質(zhì)資源儲量約為3819萬t，開采作業(yè)始于1914年，為露天礦與井工礦聯(lián)合開采，因露天開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及邊坡巖體受到風(fēng)化、水侵等作用導(dǎo)致地表變形加劇并持續(xù)發(fā)展且發(fā)生多次滑坡事故，嚴(yán)重威脅到人員、設(shè)備和地表建筑物的安全。受地貌條件、礦山規(guī)模、地質(zhì)條件、開采技術(shù)條件、氣候條件及周邊環(huán)境的多重限制，于2013年開始對西露天礦邊坡的變形防治采用回填壓腳技術(shù)，即通過堆載反壓的方式增大邊坡的整體阻滑力，以使滑坡體保持穩(wěn)定[1]，提高資源回收率，確保人員和工程安全。

穩(wěn)定性分析與評價作為研究邊坡的核心內(nèi)容，一直都是滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測預(yù)防和治理方案研究方面重要的環(huán)節(jié)[2]，其分析評價的結(jié)果是作為判斷邊坡穩(wěn)定性最重要的參考指標(biāo)，對準(zhǔn)確判斷邊坡穩(wěn)定性具有重要意義[3-5]。為此，借用有限元方法的單元劃分理念，應(yīng)用極限平衡理論和線性規(guī)劃原理，通過有限次數(shù)值組合計算方法，利用全局臨界滑移場原理[6]搜索并確定危險滑面，建立了西露天礦邊坡穩(wěn)定全局精細(xì)化評價體系，用來對內(nèi)排壓腳前后的邊坡穩(wěn)定進(jìn)行分析和評價，并根據(jù)西露天礦實(shí)際發(fā)展情況證明該評價體系對其評價結(jié)果的可靠性。

1 工程地質(zhì)條件

西露天礦礦坑?xùn)|西長6.6km，南北寬2.2km，礦坑面積10.8593km2，開采垂直深度為418m。煤資源豐富，可采煤層厚度為9.19～145m，平均厚度為35.5m；煤層傾角一般在15°～45°之間，平均30°左右，局部可達(dá)60°以上，煤層發(fā)育較穩(wěn)定。地層分布由上到下依次為：太古界（Ara）鞍山群、下白堊統(tǒng)龍鳳坎組（K1l）、古近系古新統(tǒng)撫順群（E1f）和第四系（Q），巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)Table1 Rock physical and mechanical parameters

該礦田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，有許多較大的斷層、褶皺和小褶曲存在。整個礦田為一軸向N80E的傾伏向斜；北翼較陡傾角48°～55°，南翼較緩傾角23°～48°，西北幫形成直立倒轉(zhuǎn)。

2 邊坡穩(wěn)定全局精細(xì)化評價體系

邊坡穩(wěn)定全局精細(xì)化評價體系可以同時求解出整體邊坡和局部邊坡穩(wěn)定狀態(tài)、最危險滑面位置及其形態(tài)分布[7]。只要單元體劃分尺度足夠小，其對應(yīng)的滑面用全局臨界滑移場法求解更方便可靠，所得精準(zhǔn)滑面更加逼近真值。此方法不僅解決了邊坡穩(wěn)定性評價結(jié)果的可靠性問題，而且提高了邊坡穩(wěn)定性評價結(jié)果的精度[8-9]。

2.1 廣義剩余推力基本概念

邊坡穩(wěn)定極限平衡理論的計算方法很多，各種方法不同之處是條塊間作用力方式假設(shè)不同，但無論何種計算方法都可以轉(zhuǎn)化為廣義的剩余推力法，即假定分子為抗滑力總和N2、分母為下滑力總和N1，二者之比為穩(wěn)定系數(shù)Fs，簡略為：Fs=N2/N1；那么經(jīng)過最簡的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換:△N=FsN1-N2，△N就可以稱為廣義的剩余推力。

以簡化Janbu法為例，就邊坡穩(wěn)定性評價的精細(xì)化數(shù)值計算方法的體系與實(shí)現(xiàn)過程作一簡要介紹。假定：①不考慮各塊滑移體自身相互擠壓作用；②不考慮各分塊兩側(cè)面上的摩擦力；③各段滑體上的推力作用方向水平。邊坡受力機(jī)制分析圖如圖1。

圖1 邊坡受力機(jī)制分析圖Fig.1 Analysis diagram of slope force mechanism

對任意土條，取垂直與平行土條底面方向力的平衡，得出式（1）：

根據(jù)安全系數(shù)定義和摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則，得出式（2）。

聯(lián)合解式（1）和式（2），消除Ti和Ni，得式（3）：

式中：αi、bi分別為第i條塊底面傾角和條塊寬度；ci、φi為第i條塊底面黏聚力、內(nèi)摩擦角；wi為第i條塊重力；pi、pi＋1為條塊間推力；Ni、Ti為土條底部的法向反力和切向力。

如式（3），在危險滑面出口處pi＋1稱為廣義剩余推力。利用最優(yōu)控制原理求最大剩余推力pmax，當(dāng)pmax=0時，對應(yīng)的滑移曲線便成為最危險面，其對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)就是邊坡體的實(shí)際最危險的穩(wěn)定狀態(tài)。但不一定是整體的穩(wěn)定狀態(tài)，有可能是局部的，也有可能是整體，需要根據(jù)滑面的出口位置確定。運(yùn)用廣義剩余推力更能把握精細(xì)化評價體系中的力學(xué)機(jī)理，更能體現(xiàn)節(jié)理裂隙、軟弱夾層等特殊地質(zhì)特性的影響屬性，物理意義也更明確。

2.2 邊坡全局臨界滑移場技術(shù)

邊坡全局臨界滑移場是臨界滑移場的延伸和發(fā)展，它是所有出口的局部臨界滑移面組成的安全系數(shù)極值曲線場，在一定程度上解決了邊坡整體和局部穩(wěn)定性同步計算問題。臨界滑移場是以最大的剩余推力等于0為目標(biāo)求出邊坡整體臨界狀態(tài)下的安全系數(shù)；全局臨界滑移場依次從每個出口出發(fā)，調(diào)整安全儲備Fs，不斷進(jìn)行循環(huán)搜索，使其對應(yīng)的最大廣義剩余推力均等于0。因此要解某出口的局部臨界滑移面，只須先求解該出口廣義剩余推力為0的危險滑移場即可。如果當(dāng)安全系數(shù)取某個定值時，邊坡達(dá)到極限狀態(tài)，邊坡體內(nèi)剛好出現(xiàn)臨界滑動面，則該安全系數(shù)取值即為邊坡的實(shí)際安全系數(shù)[10-11]。對于滑體體積與高度均接近的危險滑面而言，廣義剩余推力值的大小可以準(zhǔn)確反映危險滑面的穩(wěn)定性程度。

3 撫順西露天礦內(nèi)排壓腳前后邊坡穩(wěn)定性

采用邊坡全局臨界滑移場技術(shù)搜尋并確定撫順西露天礦內(nèi)排前后邊坡上的最危險滑面,再應(yīng)用Ordinary、Bishop、Janbu、Morgenstern-price4種 邊 坡穩(wěn)定性極限平衡方法對其穩(wěn)定性進(jìn)行計算與分析。以E400剖面北幫為例進(jìn)行分析。

3.1 E400剖面臨界滑動面搜尋與穩(wěn)定性評價

E400剖面北幫內(nèi)排壓腳前、后的危險滑面搜尋與確定如圖2和圖3，E400剖面北幫穩(wěn)定系數(shù)見表2。

表2 E400剖面北幫穩(wěn)定系數(shù)Table2 Stability coefficient of north side of E400profile

圖2 E400剖面北幫內(nèi)排壓腳前最危險滑面搜尋與確定Fig.2 Searching and determining the most dangerous sliding surface in front of the presser foot in the north side of the E400section

圖3 E400剖面北幫內(nèi)排壓腳后最危險滑面搜尋與確定Fig.3 Searching and determining the most dangerous sliding surface after the presser foot in the north side of the E400section

根據(jù)圖2（a）搜尋出的臨界滑動面并最終確定圖2（b）危險滑移面，圖2（b）危險滑移面顯示該邊坡的臨界滑動面是折線形的，而并非圓弧滑面。比較4種計算方法，結(jié)果表明內(nèi)排壓腳前利用Janbu法計算的安全系數(shù)最小，即當(dāng)Fs取值為1.04 時，最大的剩余推力為0，此時邊坡達(dá)到極限狀態(tài)。內(nèi)排壓腳后的安全系數(shù)按Ordinary法計算的Fs=1.39 ，可以看出此時邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

露天礦邊坡安全系數(shù)一般為1.1～1.5[5]，從表2可知該剖面實(shí)施內(nèi)排壓腳前后邊坡穩(wěn)定性差別很大。未實(shí)施內(nèi)排壓腳處理的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最小值為1.04 ，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，內(nèi)排壓腳后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最大為1.45 ，滿足了規(guī)范要求。且無論采用哪一種邊坡穩(wěn)定性精細(xì)化評價體系下的極限平衡方法計算，后者邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均比前者提高1.4 倍左右，說明實(shí)施內(nèi)排壓腳對控制高陡邊坡滑移變形、穩(wěn)定性提升和減小開采對環(huán)境影響效果十分顯著。

3.2 邊坡穩(wěn)定性綜合評價

通過相關(guān)資料分析,西露天礦滑坡易出現(xiàn)范圍在W600測線～E1000測線之間。因此對西露天礦西部采區(qū)選取W600、W400、W200、EW04個剖面；東部采區(qū)選取E200、E600、E800、E10004個剖面，共8個邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析與評價。分析方法同上述E400剖面，西露天礦邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果見表3。

表3 西露天礦邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果Table3 Slope stability calculation results of West Open-pit Mine

綜合分析，不同方法計算邊坡內(nèi)排壓腳前的穩(wěn)定性系數(shù)介于0.82～1.31 之間，其中W600、W200、EW0、E200、E8005個剖面穩(wěn)定性系數(shù)均不滿足規(guī)范要求，穩(wěn)定性差，坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)外部條件發(fā)生改變時，很容易發(fā)生破壞失穩(wěn)的可能。實(shí)施內(nèi)排壓腳技術(shù)后，在對其穩(wěn)定性進(jìn)行分析，均處在安全范圍內(nèi)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最高達(dá)到2.14 ，遠(yuǎn)大于規(guī)范要求，也再次說明了內(nèi)排壓腳使得邊坡穩(wěn)定性大大提高。

3.3 評價結(jié)果的可靠性分析

利用邊坡穩(wěn)定全局精細(xì)化評價體系對西露天礦進(jìn)行分析與評價，4種方法下的模擬結(jié)果表明對邊坡進(jìn)行回填壓腳后均顯著提高了邊坡穩(wěn)定性。結(jié)合前期勘察鉆探資料，分析其回填效果。

根據(jù)孫世國教授著《礦山復(fù)合開采邊坡巖體變形規(guī)律》一書的數(shù)據(jù)資料顯示，西露天礦北幫W200剖面境界外地面同區(qū)域（A線），測量范圍N1180～N1600，1996年平均變形值是1979年的8.8 倍；而在相同區(qū)域（N1200～N1400），1996年變形是井采期平均變形速率的3.7 倍。在坑內(nèi)E1000剖面1993年8月最大水平位移速度達(dá)2158mm/d；七段E10點(diǎn)從1987年4月至1997年3月水平移動值達(dá)14.6m；西北幫二十八干線W200剖面的W2點(diǎn)從1986年12月至1997年3月移動量達(dá)13.6m，平均每年移動1m多。

截止到2016年，該區(qū)域內(nèi)累計回填的土方量為1648.0084萬m3。根據(jù)遼寧省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站2013年至2016年監(jiān)測結(jié)果（數(shù)據(jù)略）可以看出，與20世紀(jì)80年代和90年代相比，地表變形速率呈現(xiàn)指數(shù)級遞減，近幾年隨有波動，但總體趨勢是遞減的，說明回填壓腳治理措施在滑坡的運(yùn)動中起到至關(guān)重要的作用，同時也證明了4種數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際情況能夠相互驗(yàn)證，評價結(jié)果可信有效。

4 結(jié) 語

1）基于撫順西露天礦采取了分區(qū)開采及內(nèi)排壓腳控制邊坡穩(wěn)定性與變形方案，運(yùn)用全局臨界滑移場方法搜索最危險滑面并通過多種極限平衡方法進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性分析，通過系統(tǒng)計算與對比，內(nèi)排壓腳后區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)得到了顯著提升，大幅度有效地控制了邊坡變形，基本避免了這些區(qū)域滑坡的發(fā)生，同時也減小了這些區(qū)域?qū)Νh(huán)境的安全的影響，為安全生產(chǎn)和環(huán)境問題提供了保障。

2）考慮到每種極限平衡法的假設(shè)條件都不盡相同，在實(shí)際工程應(yīng)用時會受到多重因素的限制，應(yīng)用4種極限平衡方法對撫順西露天礦進(jìn)行綜合分析與評價。對比不同方法下滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)，其中Bishop和Morgenstern-Price法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)較大，Janbu法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)較小，同時根據(jù)實(shí)測資料證明了全局邊界滑移場搜索危險滑面的可靠性、精細(xì)化評價體系中4種極限平衡計算方法的精確性，為實(shí)際工程提供了指導(dǎo)。