裂縫發(fā)育情況對露天煤礦排土場邊坡穩(wěn)定性的影響研究

卜 飛，段宏波，李景明，單 帥

(山西省勘察設(shè)計研究院有限公司, 太原 030013)

近年來，眾多學(xué)者采用土力學(xué)基本原理、極限平衡分析理論和數(shù)值模擬方法分析了考慮裂縫的邊坡穩(wěn)定性，并取得了一定的成果。劉華磊等[1]分析了降雨條件下裂縫的演化機制及其對邊坡穩(wěn)定性的影響。陳曉冉等[2]基于土體的抗剪強度、變形參數(shù)和朗肯理論求出了邊坡坡底豎向裂縫的上限值，在此基礎(chǔ)上分析了考慮裂縫的邊坡穩(wěn)定性。錢閃光等[3]采用slide軟件分析了坡頂裂縫發(fā)育程度對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響。蔣斌松等[4]基于極限分析上限法，推導(dǎo)出了具有張裂縫的穩(wěn)定系數(shù)計算方法。鄧東平等[5]基于有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法，推導(dǎo)出了折線型和臺階型含裂縫邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)計算公式。蔣澤鋒等[6]提出了一種考慮張裂縫的臨界滑動場數(shù)值模擬方法，并采用粘土邊坡算例進行了驗證。康孝森等[7]推導(dǎo)出了黃土邊坡張拉裂縫的極限深度，并分析了裂縫的影響因素和形成機制。

目前有關(guān)考慮裂縫的邊坡穩(wěn)定性分析成果較為豐富，但考慮裂縫的分布對邊坡失穩(wěn)變形規(guī)律的影響研究較少，關(guān)于裂縫大量發(fā)育的排土場邊坡的實際工程問題未得到解決。基于此，本文采用有限元強度折減法，以同生安順露天煤礦外排土場邊坡為研究對象，分析不同裂縫分布情況下排土場邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律，討論降雨條件下裂縫的形成與擴展及其對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省寧武縣同生安順煤業(yè)有限公司露天煤礦排土場。本礦田地處晉北黃土、基巖切割的中低山區(qū)，屬大陸性中溫帶季風(fēng)氣候，屬于干旱地區(qū)。年平均氣溫6.2℃，1月份最低，最低溫度為-28.0℃，7月份氣溫最高，最高達34.8℃；年平均降水量420 mm，冬春兩季多西北風(fēng)少雪雨，而夏季雨量集中，有時出現(xiàn)洪水災(zāi)害。礦區(qū)剝離、采煤均采用單斗-卡車工藝，剝離物的排棄物料采用卡車-前裝機分層(臺階)排棄方式處理，礦區(qū)主要剝離物為煤層頂板以上的泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖及中細砂巖和砂質(zhì)粘土、砂土和亞砂土、亞粘土及粘土等混合物料。根據(jù)《大同煤礦集團同生安順煤業(yè)有限公司露天煤礦兼并重組整合項目初步設(shè)計說明》可知，煤巖的容重為1.37 t/m3，黏聚力為90 kPa，內(nèi)摩擦角為38°。

外排土場邊坡平臺土體裂縫發(fā)育嚴重，裂縫表面粗糙，延伸較遠，走向多平行于等高線且呈弧線分布，部分裂縫呈樹枝狀分布，集中分布在距離排土場平臺坡頂線邊緣5 m范圍內(nèi)。土體裂縫長度主要集中分布在距離排土場平臺5～50 m范圍內(nèi)，寬度集中分布在距離排土場平臺0.5～6.0 cm范圍內(nèi)。

踏勘過程中共布置了3個探坑進行裂縫觀測，如圖1所示。裂縫由上至下寬度逐漸減小，最大延伸深度達1.5 m。探坑一和探坑二分別位于平臺的中部和坡腳處，其裂縫產(chǎn)生的主要原因為不均勻沉降和降雨，而造成排土場邊坡不均勻沉降的因素有重力因素、排土工藝、排棄物料的強度等。探坑三位于平臺靠近坡頂線處，此處裂縫延伸長度約50 m，寬度0.5～3.0 cm，深度0.6 m，其裂縫產(chǎn)生主要原因為不均勻沉降、降雨和靠近臨空面等因素，此類裂縫表明，邊坡正處于拉剪破壞的初期，隨著時間的推移，裂縫可能會逐漸延展形成剪切滑移帶，導(dǎo)致邊坡發(fā)生局部剝落或溜滑。

(a) 探坑一

2 裂縫對排土場邊坡穩(wěn)定性的影響

2.1 模型建立及參數(shù)選用

為分析裂縫的分布對邊坡穩(wěn)定性的影響，將排土場1 785～1 810 m范圍的邊坡進行簡化，參考鄭穎人等[8]對模型的建議以及排土場現(xiàn)狀，簡化后的模型見圖2所示。模型中，邊坡高度25 m，坡度35°；邊界左右兩側(cè)為水平約束，底部為水平和豎向位移約束，排棄物料選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。模型參數(shù)參考《大同煤礦集團同生安順煤業(yè)有限公司排土場巖土工程勘察報告(詳細勘察)》，其參數(shù)取值如表1所示。

圖2 邊坡模型圖

表1 模型參數(shù)取值

2.2 土質(zhì)邊坡裂縫的數(shù)值模擬方法

參考鄭穎人等[8]的研究可知，邊坡坡頂豎向裂縫的模擬方法主要有兩種：第一種是通過對裂縫內(nèi)的土體強度參數(shù)進行折減，可以達到近似模擬裂縫的效果，如圖3(a)所示；第二種則是采用接觸單元模擬裂縫，如圖3(b)所示。對于第一種方法而言，由于其采用土體來模擬裂縫，需要將裂縫區(qū)域內(nèi)的土體劃分為很小的單元，而在裂縫發(fā)育初期，裂縫的寬度僅為幾毫米至幾十毫米之間，此種情況下將網(wǎng)格劃至符合要求的尺寸的難度較大，故該方法僅適用于裂縫較為寬大的情況。而第二種方法中的接觸單元能夠滿足Mohr-Coulomb屈服準則，為一種無厚度單元，包括的參數(shù)有剛度、接觸黏聚力、接觸內(nèi)摩擦角及間隙值等，適用于模擬巖土體中的裂縫。本文中的裂縫采用界面(接觸單元)助手生成，其中虛擬厚度系數(shù)為0.01 m，強度折減系數(shù)為0.5。

(a) 接觸單元

2.3 裂縫對排土場邊坡穩(wěn)定性的影響

排土場邊坡裂縫走向基本平行于坡頂線，而其豎直方向的延展部分則垂直于邊坡頂面，部分裂縫以一定角度斜交于邊坡頂面。對于垂直裂縫的邊坡穩(wěn)定性分析主要考慮裂縫與坡頂線的距離和裂縫深度這兩方面的影響；對于傾斜裂縫的邊坡穩(wěn)定性分析主要考慮角度對邊坡穩(wěn)定性的影響。

本節(jié)在2.1部分中邊坡模型的基礎(chǔ)上增設(shè)裂縫，分別模擬不同裂縫位置、深度和角度等在工況下(見表2)穩(wěn)定性系數(shù)的變化情況，探討裂縫的分布對邊坡穩(wěn)定性的影響。

表2 模擬工況表

2.3.1裂縫位置的影響

圖4為根據(jù)強度折減法計算出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與裂縫至坡頂線距離間的關(guān)系圖。從圖中可以看出，存在裂縫的情況下，其邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于無裂縫時的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；裂縫至坡頂線的距離不同，其穩(wěn)定性系數(shù)下降程度也不同。當(dāng)裂縫距坡頂線的距離在0～1 m范圍內(nèi)時，隨著裂縫距坡頂線距離的逐漸增大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低，且在距離為1 m時達到最小值，說明裂縫在該處對于邊坡的劣化程度最大；當(dāng)裂縫距坡頂線的距離在1～3 m范圍內(nèi)時，隨著裂縫距坡頂線距離的逐漸增大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸增加，但其值仍小于無裂縫時的情況；當(dāng)裂縫距坡頂線的距離大于3 m時，有裂縫與無裂縫情況下的穩(wěn)定性系數(shù)基本接近，此時裂縫的存在對于邊坡穩(wěn)定性基本無影響。

圖5為裂縫距離坡頂線1 m、3 m、4 m時的最大剪應(yīng)變云圖。當(dāng)裂縫距離坡頂線4 m以內(nèi)時，裂縫的存在影響塑性區(qū)的擴展路徑，而當(dāng)裂縫距離坡頂線大于等于4 m時，裂縫位于塑性區(qū)擴展范圍之外，對其穩(wěn)定性基本無影響。

圖4 不同位置下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

(a) 裂縫距離坡度線1 m

2.3.2裂縫深度的影響

圖6為不同裂縫深度下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)圖。當(dāng)裂縫深度在1～5 m范圍內(nèi)時，隨著裂縫深度的增加，穩(wěn)定性系數(shù)迅速下降，當(dāng)裂縫深度達到5 m時下降至最低點，說明此范圍內(nèi)，隨著裂縫深度的增加，塑性區(qū)沿著最短路徑開始擴展，土體可以承受剪力的面積減小，穩(wěn)定性系數(shù)降低；當(dāng)裂縫深度大于5 m時，穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)波動下降趨勢，且下降速度減慢，說明此范圍內(nèi)裂縫深度的增加，對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)影響較小。

圖6 不同深度下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

2.3.3裂縫角度的影響

圖7為不同角度下裂縫與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系圖。分析可知，當(dāng)裂縫角度在10°～110°范圍內(nèi)時，隨著角度的增加，穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)波動下降的趨勢，說明角度越大，邊坡越易發(fā)生破壞；當(dāng)裂縫角度為110°時，穩(wěn)定性系數(shù)達到最小值，說明此角度下塑性區(qū)和裂縫之間相互貫通的路徑最短，裂縫對邊坡的裂化程度達到最高；當(dāng)裂縫角度大于110°時，穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，說明此時隨著角度的增加，最短塑性區(qū)貫通路徑開始增加，但其穩(wěn)定性系數(shù)仍小于無裂縫時的數(shù)值。

圖7 不同角度下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

2.3.4裂縫的存在對塑性區(qū)的影響

圖8為裂縫至坡頂線距離為1 m，裂縫深度為5 m，裂縫角度為110°時的最大剪應(yīng)變云圖。從圖中可以看出，裂縫的存在改變了塑性區(qū)的貫通方式，邊坡的滑動破壞面由坡底的塑性區(qū)延伸至裂縫底端，再由裂縫底端延伸至坡頂，此時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)達到最低，為1.115，相比正常工況下降低了0.051，降低了約4.6%。

圖8 最大剪應(yīng)變云圖

3 降雨條件下裂縫的形成及其對邊坡穩(wěn)定性的影響

邊坡穩(wěn)定性受多種因素影響，雖然上述內(nèi)容討論了不同裂縫工況下對邊坡穩(wěn)定性的影響，但是裂縫對邊坡的劣化效應(yīng)在降雨條件下會成倍地增長，二者之間的相互耦合是坡體發(fā)生破壞的本質(zhì)原因。本部分主要討論降雨條件下，裂縫的發(fā)展及其對邊坡穩(wěn)定性的影響。

3.1 降雨條件下裂縫的形成

由于邊坡表面起伏不平，故在一定的降雨強度下，坡體表面會形成徑流[9-10]，會對其正下方土體產(chǎn)生沖刷，排棄物中的細小顆粒逐漸流失，形成小型沖溝。如圖9所示，假定坡面徑流點在A點，此時土體處于飽和狀態(tài)，該處的飽和度大于其余位置的飽和度，故該處的滲透系數(shù)最大。在重力作用下，雨水主要沿AG段下滲，該處的含水率增加，土體間的黏結(jié)強度降低，導(dǎo)致裂縫沿AG面開始擴展，而裂縫的擴展又使其成為雨水的優(yōu)勢入滲通道，雨水開始在裂縫周邊富集，水流對裂縫側(cè)壁的沖蝕導(dǎo)致其開始出現(xiàn)坍塌，隨著裂縫內(nèi)水位的升高，裂縫底部土體在水壓作用下逐漸達到抗拉強度，裂縫進一步加寬加深。

降雨條件下，坡體表面的土體受水浸濕，含水率增大，土體自重增加，強度降低，對應(yīng)的下滑力增加，抗滑力減小，邊坡體存在下滑的趨勢。當(dāng)坡體前端滑塊Ⅰ產(chǎn)生局部溜滑時，緊鄰前緣滑塊的坡體Ⅱ由于失去支撐，產(chǎn)生新的張拉裂縫BH，并繼續(xù)向后擴展，導(dǎo)致裂縫CI、DJ、EK、FL產(chǎn)生，在坡頂形成多級張拉裂縫，如圖9所示。坡體后緣形成多級張拉裂縫后，在降雨作用下，雨水會沿裂縫迅速入滲，隨著入滲量逐漸增加，會在裂縫底部形成暫時的飽水帶，此時在自重力、滲流力、孔隙水壓力的作用下，坡體產(chǎn)生滑移破壞。

裂縫的形成是一個從量變到質(zhì)變的過程，并非降雨就會形成貫通裂縫，而是在降雨等諸多因素影響下逐漸向下擴展，最終形成與潛在滑動面貫通的裂縫，當(dāng)抗滑力不足以抵抗下滑力時，邊坡出現(xiàn)整體滑動破壞。

圖9 裂縫形成與擴展示意圖

3.2 降雨條件下裂縫對邊坡穩(wěn)定性的影響

邊坡后緣中積水的力學(xué)模型，參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，建立簡化后的邊坡平面力學(xué)模型，如圖10所示。

圖10 平面力學(xué)模型示意圖

邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs為：

(1)

其中，滑體ABCD的抗滑力R和下滑力T為：

R=(Gcosθ-Vsinθ-U)tanφ+cL,

(2)

T=Gsinθ+Vcos(θ+α).

(3)

裂縫面AD的水壓力合力V為與滑面CD上的水壓力合力U為：

(4)

(5)

式中:G為滑體ABCD自重，kN/m；φ為滑面CD的內(nèi)摩擦角，(°)；c為滑面CD的黏聚力，kPa；L為滑面CD的長度，m；θ為滑面CD與水平面的夾角，(°)；α為裂縫與豎直面的夾角，(°)；γw為水的重度，γw=9.8 kN/m3；hw為裂縫充水高度，m。

降雨條件下，裂縫對邊坡穩(wěn)定性的影響可以分為3個方面。

1)后緣裂縫中充水產(chǎn)生的水壓力V合力，可以分解為沿滑面CD方向的力Vcos(θ+α)和垂直滑面方向的力Vsin(θ+α)。根據(jù)上述分析可以看出，水壓力的分力Vcos(θ+α)增大了滑體的下滑力，同時Vsin(θ+α)減小了滑體對滑面的正壓力，導(dǎo)致抗滑力下降，說明裂縫內(nèi)充水僅會對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生劣化作用，且充水高度越高，劣化效應(yīng)越明顯。

2)當(dāng)裂縫貫通至軟弱滑動面時，裂縫內(nèi)的水沿滑面DC下滲，導(dǎo)致滑面CD中也產(chǎn)生靜水壓力，進一步降低了滑體對滑面的正壓力，導(dǎo)致抗滑力下降。

3)水沿滑面DC下滲時，會使滑面上的土進一步劣化，其黏聚力和抗剪強度進一步降低，從而導(dǎo)致邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3.3 積水條件下裂縫的位置、角度、充水高度對邊坡穩(wěn)定性的影響

以簡化后的排土場邊坡模型為例(算例1)，根據(jù)計算得到積水條件下的裂縫位置、角度、充水高度與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系，模擬工況見表3所示。

表3 模擬工況表

從圖11中可以看出，充水條件下裂縫距離坡頂線越近，裂縫角度越大，充水水位高度越高，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)越低；裂縫距離坡度線的距離分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m時，有裂縫存在的情況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降比例分別為8.6%，9.3%，10.2%，11.1%，12.3%；裂縫角度分別為90°，100°，110°，120°，130°時，有裂縫存在的情況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降比例分別為8.6%，9.2%，10.2%，11.8%，14.9%；裂縫充水水位高度分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m時，有裂縫存在的情況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降比例分別為0.4%，1.5%，3.3%，5.7%，8.6%。

(a) 裂縫位置

實際情況下，裂縫在排土場邊坡上的分布是不均勻的，多分布于排土場邊坡的坡頂及坡面這些與大自然直接接觸的位置，邊坡坡體上部裂縫的發(fā)育程度明顯優(yōu)于下部，而裂縫的存在又會導(dǎo)致坡體表面的強度指標降低，相比于邊坡發(fā)生深層滑動，排土場邊坡更容易在裂縫開展深度范圍內(nèi)的淺表層滑動。

4 結(jié)論

1)裂縫的存在對排土場邊坡穩(wěn)定性存在劣化效應(yīng)：當(dāng)裂縫距坡頂線的距離為0.5～1.5 m，深度大于4 m，角度大于90°時，劣化程度較大；當(dāng)裂縫處于無裂縫情況下的邊坡塑性區(qū)以外時，裂縫的存在對邊坡穩(wěn)定性基本無影響。

2)裂縫和降雨之間的相互耦合是坡體發(fā)生破壞的本質(zhì)原因。在降雨條件下，坡體表面會形成徑流，部分區(qū)域形成小型沖溝，在滲透和水對土體的軟化作用下，坡頂開始出現(xiàn)裂縫。裂縫的存在進一步增強了雨水的入滲，而雨水開始在裂縫周邊富集又將導(dǎo)致裂縫進一步加寬加深。隨著雨水的進一步入滲，裂縫底部形成暫時的飽水帶，此時在自重力、滲流力、孔隙水壓力的作用下，坡體產(chǎn)生滑移破壞。

3)鑒于排土場邊坡發(fā)生整體滑移破壞都需要一定的演變過程，當(dāng)坡頂出現(xiàn)沖溝、裂縫及錯臺等變形跡象時，必須及時采取相應(yīng)的治理措施，防止其進一步擴展，這是保證排土場邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵。