南芬露天鐵礦邊坡開挖穩(wěn)定性實驗研究①

彭巖巖，宋 南，劉宇航，張海江

（1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.紹興文理學(xué)院 浙江省巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，浙江 紹興 312000；3.衢州市柯城區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，浙江 衢州 324000）

露天開采是鐵礦資源的基本開采方式之一，隨著開采量增加，形成了大量高陡邊坡，邊坡受降雨、開挖擾動、結(jié)構(gòu)面等因素影響，易發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，對礦區(qū)工作人員和設(shè)備安全產(chǎn)生較大影響。近些年來，許多學(xué)者對邊坡穩(wěn)定性問題進行了研究，旨在通過監(jiān)測開采過程中的邊坡變形情況，提前發(fā)出預(yù)警［1-10］。

本文以南芬露天鐵礦為研究背景，開展大型地質(zhì)力學(xué)模型實驗和FLAC3D數(shù)值模擬實驗，研究滑體在不同開挖階段的變化特征以及錨索的變形情況，對比分析不同開挖方式對邊坡穩(wěn)定性的影響，以期對類似露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性分析提供借鑒和參考。

1 工程背景

南芬露天鐵礦位于遼寧省本溪市南芬區(qū)，是全國大型黑色冶金礦山，也是本鋼鐵礦石主要生產(chǎn)基地，礦區(qū)內(nèi)廣泛分布著4種地層且斷裂構(gòu)造發(fā)育較復(fù)雜，在開采中形成大量高陡邊坡，易發(fā)生滑坡破壞。2011年10月5日，南芬露天鐵礦298～370 m監(jiān)測平臺發(fā)生大規(guī)?；?，滑坡現(xiàn)場破壞特征見圖1。該區(qū)域巖體主要由云母石英片巖和綠簾角閃片巖組成，其工程巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 滑坡現(xiàn)場破壞特征圖

表1 工程巖體力學(xué)參數(shù)

2 地質(zhì)力學(xué)模型實驗

2.1 模型方案

地質(zhì)力學(xué)模型實驗利用深部地下工程破壞結(jié)構(gòu)效應(yīng)物理模型實驗系統(tǒng)進行實驗，真實還原從開挖到滑坡全過程。模型材料選取水灰比1∶1的石膏單元板作為模擬材料，石膏力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 石膏力學(xué)參數(shù)

根據(jù)表1～2參數(shù)，計算容重相似比Cγ和應(yīng)力相似比常數(shù)Cσ，其中Cγ計算式如式（1）所示：

式中γp為巖石容重平均值；γm為石膏容重。根據(jù)邊坡實際高度72 m和實驗?zāi)Ｐ痛罱ǜ叨?.6 m，計算得出幾何相似比Cl＝45；根據(jù)實驗機能施加的最大載荷和巖體力學(xué)參數(shù)，計算得出應(yīng)力相似比Cσ＝7.8。

地質(zhì)力學(xué)模型以“298～370邊坡”為原型，用石膏單元板按幾何相似比搭建模型尺寸長×高×寬＝1 750mm×1 600 mm×400 mm。

在地質(zhì)力學(xué)模型中設(shè)置錨索，用淺色線描出，地質(zhì)力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 地質(zhì)力學(xué)模型

2.2 實驗過程

為了使地質(zhì)力學(xué)模型達到真實的受力狀態(tài)，實驗前須對模型進行預(yù)加載，坡頂豎向荷載加載過程見表3。

表3 坡頂豎向荷載變化

坡頂預(yù)加載完成后，對邊坡中區(qū)域①進行開挖。開挖共分3次完成，每次開挖36 cm，每次開挖后，需等待5 min，待模型穩(wěn)定后進行下一次開挖，觀察開挖過程中滑體變化情況，圖3為地質(zhì)力學(xué)模型開挖全過程。

圖3 地質(zhì)力學(xué)模型開挖全過程

模型預(yù)加載后，模型處于開挖初始階段，單元板之間的縫隙都壓密閉合，模型整體性較好，與真實邊坡受力狀態(tài)一致。待穩(wěn)定5 min后，對開挖區(qū)進行第1次開挖，此階段滑體部分出現(xiàn)縱向裂縫，錨索無明顯彎曲變形。第2次開挖后，裂縫從坡頂向水平巖體擴展，錨索處滑體鼓起，有滑出趨勢，錨索出現(xiàn)彎曲變形，且錨索上部巖體變形明顯。第3次開挖后，裂縫從滑體坡頂貫通至水平巖體，錨索、局部坡頂巖體和錨索周圍巖體破壞，邊坡失穩(wěn)破壞。

2.3 實驗結(jié)果分析

實驗過程中，水平巖層發(fā)生少量豎向位移，無橫向位移；水平巖體與滑體之間位移差明顯；滑體區(qū)域橫向位移和豎向位移均發(fā)生突變；錨索約束周圍巖體位移發(fā)展，影響滑體滑出位置，滑體未沿著坡腳滑出破壞而沿軟弱面從錨索下部滑出。實際工程中可監(jiān)測邊坡坡頂位移變化。實驗在無模擬降雨的情況下開挖，邊坡失穩(wěn)破壞，說明降雨是誘發(fā)本次滑坡的間接原因，不合理開挖是本次滑坡的主要原因。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

建立長×高×寬＝1 750 mm×1 600 mm×400 mm的邊坡模型，模擬參數(shù)與石膏力學(xué)參數(shù)一致。為真實模擬錨索在開挖中變形情況，在FLAC3D中設(shè)置參數(shù)定義錨索的大變形性質(zhì)，使其符合恒阻大變形錨索的拉伸性質(zhì)，滿足模擬需求。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

數(shù)值模型圖及露天礦邊坡初始階段開挖變化情況如圖4所示。開挖前，最大主應(yīng)力分層分布，坡腳部分區(qū)域出現(xiàn)壓應(yīng)力，應(yīng)力最大值為1.86 MPa；隨著深度增加，X方向位移增加，坡腳區(qū)域出現(xiàn)位移集中現(xiàn)象，水平位移為1.11 cm；Y方向在坡頂產(chǎn)生最大位移7.09 cm且沉降量隨著深度增加逐漸減少。

圖4 開挖初始階段最大主應(yīng)力和位移

露天礦邊坡第1階段、第2階段、第3階段開挖變化情況分別如圖5、圖6、圖7所示。

由圖5可知，第1階段最大主應(yīng)力值1.87 MPa，X方向位移4.04 cm，Y方向沉降7.24 cm。此階段與初始階段相比，位移和最大主應(yīng)力值均呈現(xiàn)增加趨勢，其中X方向位移增加明顯，邊坡錨索附近位移梯度變化大，位移集中現(xiàn)象較為明顯，Y方向沉降多集中在坡頂。由圖6可知，開挖至第2階段時，最大應(yīng)力值降至1.85 MPa，但X方向位移增加了128%，Y方向位移增加了11.88%，且坡腳有向上運動的趨勢。可能在開挖過程中，滑體產(chǎn)生破壞，造成應(yīng)力重分布，最大應(yīng)力值降低，但位移增加明顯。從圖7看出，隨著開挖深度增加，最大應(yīng)力值持續(xù)下降，位移不斷增加，X方向發(fā)生17.06 cm水平位移，Y方向發(fā)生10.31 cm沉降。錨索彎曲變形發(fā)生破壞，X和Y方向分別產(chǎn)生22.34 cm和44.60 cm位移，錨索處Y方向向上位移趨勢大于上一階段，此階段錨索發(fā)生嚴重變形和位移突變，邊坡產(chǎn)生破壞。

圖5 第1階段開挖變形情況

圖6 第2階段開挖變形情況

圖7 第3階段開挖變形情況

邊坡模型模擬結(jié)果表明，最大主應(yīng)力分層分布，在錨索處應(yīng)力梯度變化較大，隨著深度增加其應(yīng)力也增加，且在開挖過程中應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，可能是開挖時邊坡逐漸破壞、應(yīng)力重分布引起。隨著邊坡開挖深度增加，X方向位移增大，且錨索附近位移變化集中；Y方向位移以沉降為主，大多發(fā)生在坡頂，隨著開挖深度增加，沉降量明顯增加，且錨索處有向上運動趨勢，并隨著開挖深度增加而增加。本次模擬未增加降雨條件，邊坡發(fā)生破壞，故不合理開挖是本次滑坡主要原因，降雨為次要因素，與室內(nèi)實驗結(jié)果一致。

4 不同開挖方案數(shù)值模擬分析

4.1 強度折減與邊坡安全系數(shù)

強度折減法的基本原理是將材料的黏結(jié)力C和內(nèi)摩擦角φ同時除以折減系數(shù)F，得到新的C′和φ′值，通過不斷增大折減系數(shù)F，計算至邊坡達到臨界破壞狀態(tài)［11］，相對應(yīng)的折減系數(shù)即為邊坡安全系數(shù)Fcr。在FLAC3D中選取Mohr-Coulomb準則，基于強度折減法計算邊坡安全系數(shù)，系統(tǒng)自行計算主應(yīng)力，若主應(yīng)力達到破壞準則，邊破發(fā)生破壞［12］，計算所得邊坡安全系數(shù)如圖8所示。邊坡為二級邊坡，安全系數(shù)為1.25。由圖8可知，分臺階開挖安全系數(shù)整體高于無臺階開挖，前10 m開挖，兩種開挖方案安全系數(shù)無明顯差別，開挖至15 m時，無臺階開挖安全系數(shù)低于1.25，開挖至35 m時，安全系數(shù)低于1.0，邊坡已經(jīng)發(fā)生破壞。分臺階開挖，安全系數(shù)始終大于1.25，邊坡穩(wěn)定安全，說明分臺階開挖是合理有效的。

圖8 安全系數(shù)隨開挖深度變化情況

4.2 初始應(yīng)力場

因礦區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力資料缺失，計算初始應(yīng)力時只考慮重力，采用分階段彈塑性方法計算初始應(yīng)力值，結(jié)果如圖9所示?？芍跏紤?yīng)力均為負值，且應(yīng)力絕對值自坡頂向坡底呈水平梯度增加。這說明開挖前模型受到的豎向應(yīng)力均為巖土體在自重作用下產(chǎn)生的壓應(yīng)力，符合變化規(guī)律。

圖9 初始應(yīng)力場

4.3 無臺階開挖

無臺階開挖分8次開挖，每次開挖5 m，共開挖40 m。開挖過程典型主應(yīng)力和位移圖如圖10所示。最大主應(yīng)力整體分布較均勻，應(yīng)力分布具有層次性，隨開挖深度增加，應(yīng)力逐漸增加，水平方向變化不大，邊坡最大應(yīng)力值為8.61 MPa，應(yīng)力值增加4.7%，坡腳處水平應(yīng)力集中且應(yīng)力梯度變化大，且位移明顯集中在坡腳附近。從位移云圖中看出，位移最大值為3.55 m，位移值增加明顯，在開挖30 m前位移變化不大，位移變化集中在30～40 m開挖階段，無臺階開挖位移變化具有突變性，位移突變，邊坡失穩(wěn)破壞。位移與應(yīng)力均在坡腳附近有明顯的集中變化現(xiàn)象，且位移集中范圍隨著開挖深度增加逐漸增大，說明在開挖過程中，應(yīng)力重新分布，引起應(yīng)力集中范圍增大，位移變化范圍增大，露天礦開采時應(yīng)重點加固處理這些范圍。

圖10 無臺階開挖最大主應(yīng)力和位移

4.4 分臺階開挖

分臺階開挖時每開挖10 m，設(shè)置一個開挖平臺，開挖次數(shù)與深度和無臺階開挖相同，分臺階開挖主應(yīng)力和位移圖如圖11所示。分臺階開挖應(yīng)力整體分布均勻、具有層次性，隨著開挖深度增加，應(yīng)力值逐漸減小，最大應(yīng)力值為8.22 MPa，開挖結(jié)束后應(yīng)力降低了0.36%。位移值隨著開挖深度增加逐漸增加，開挖至40 m時，邊坡出現(xiàn)最大位移值0.236 m，增加了0.04%，且邊坡無應(yīng)力和位移集中變化現(xiàn)象，邊坡整體較穩(wěn)定。

圖11 分臺階開挖最大應(yīng)力和位移

4.5 兩種開挖方案對比分析

分臺階開挖位移值遠小于無臺階開挖，最大位移值降低了93.35%，分臺階開挖位移變化更為均勻，沒有明顯的位移突變；兩種開挖方案的最大應(yīng)力值相差不大，但分臺階開挖最大應(yīng)力呈下降趨勢，降低了4.7%；在應(yīng)力相同的情況下，分臺階開挖比無臺階開挖更穩(wěn)定，位移變化量更小。分臺階開挖可以減輕開挖擾動對邊坡的影響，更適合露天邊坡開采，對于高陡邊坡坡腳區(qū)域，在條件允許時，合理設(shè)置平臺進行過渡，減少坡腳處應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高開挖過程中邊坡的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

以南芬露天鐵礦“298～370滑坡”為例，開展地質(zhì)力學(xué)模型和FLAC3D數(shù)值模型，分析不同開挖階段及不同開挖方式對邊坡的應(yīng)力狀態(tài)和變形特性變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）基于地質(zhì)力學(xué)實驗和數(shù)值模擬實驗，發(fā)現(xiàn)開挖階段坡頂處拉應(yīng)力集中，容易發(fā)生破壞，實際工程中可對邊坡坡頂進行位移監(jiān)測。地質(zhì)力學(xué)模型實驗及數(shù)值模擬實驗結(jié)果與現(xiàn)場滑坡現(xiàn)象一致，驗證了本次實驗研究的可靠性。

2）在邊坡關(guān)鍵位置施加預(yù)應(yīng)力錨索能夠很好地約束滑體位移，滑體位移的不連續(xù)性及滑坡發(fā)生時滑體沿著軟弱夾層自錨索下部滑出，說明錨索能在一定程度防止滑坡發(fā)生。

3）基于數(shù)值模擬有臺階和無臺階兩種開挖方案，發(fā)現(xiàn)合理設(shè)置開挖平臺能有效減緩安全系數(shù)下降速率，并且減少坡底壓力和應(yīng)力集中現(xiàn)象，保證安全開挖，為邊坡開挖方案提供實驗依據(jù)。