降雨條件下某露天礦不同荷載作用的邊坡穩定性分析*

劉骎,張千俊,郭沙,王文通

(1.中國黃金集團有限公司,北京 100011;2.西南科技大學 環境與資源學院,四川 綿陽市 621000)

0 引言

隨著我國采礦行業的飛速發展,露天礦山的數量也在急劇增多,而邊坡在施工工程中經常發生坍塌、滑坡等災害,因此,邊坡的穩定性也成為眾多學者研究的焦點。降雨作為誘發邊坡失穩的主要因素[1-2],是眾人研究邊坡穩定性的主要方向。為保證邊坡施工的安全性,對降雨條件下礦山不同荷載作用的邊坡穩定性進行安全評價是十分必要的。

目前,國內外已有諸多學者開展了降雨條件下的邊坡穩定性分析。左韻琳等[3]分析了某滑坡在自然狀態和降雨條件下的邊坡穩定性,并針對邊坡特點提出了防范措施;鄭開歡、曾強等[4-5]分析了降雨之后巖體內不同時間段的滲流飽水狀態和瞬態孔隙水壓力分布,利用孔壓與應力耦合作用,研究了降雨后滑坡的發生機理;毛雪松、付宏淵等[6-7]通過數值模擬軟件,對降雨入滲條件下邊坡穩定性安全系數的下降情況進行了研究;姚奇等[8]結合物理試驗和數值模擬等手段研究德興銅礦在強降雨和開挖卸荷耦合作用下邊坡的變形演化規律和演化機制;李曉蓮等[9]以碎石土邊坡為例,研究了降雨、地震及降雨和地震耦合作用等不同極限工況下的邊坡穩定性,發現降雨會先快速降低、后緩慢降低邊坡穩定性,地震會拉裂坡頂,坡腳出現剪切破壞,邊坡巖體含水量的增加會極大地加強地震對邊坡穩定性的影響。

本文運用快速拉格朗日法(FLAC 法)計算邊坡典型剖面開挖完成后在不同工況下的安全系數,研究其應力應變分布規律,確定3種工況下邊坡安全系數和邊坡穩定性,并分析地下水位升降對邊坡穩定性的影響,為后續礦山的正常施工提供理論依據。

1 工程地質概況

西北某礦區地表出露地層如下。

(1) 第四系土層(Q4):第四系殘坡積層(Q4el+dl),主要分布于礦區西北側林山灣區域。

(2) 二疊系(P):二疊系中統茅口組(P2m)。

灰巖:淺灰-灰色中至厚層狀粉晶灰巖,夾雜少量泥質灰巖、方解石團塊,顯水平層理,具縫合線構造,鉆探深度范圍內按其風化程度可分為強風化泥巖和中等風化泥巖2個亞層。

強風化灰巖(③-1):巖芯較破碎,呈柱狀及短柱狀,巖質較軟。

中等風化灰巖(③-2):巖質相對較硬,在場地內不均勻分布破碎夾層及透鏡體,巖芯呈短柱狀、長柱狀,該層厚度大,未揭穿。

礦山受降雨影響,易導致邊坡失穩,故在本次模擬開始之前進行了一系列室內試驗,獲得各巖層在天然狀態和飽水狀態下的巖石力學參數,最終得到的巖石力學參數見表1。

表1 巖石力學參數

體積模量與剪切模量依據式(1)、式(2)進行換算:

式中,G為體積模量,MPa;E為彈性模量,MPa;v為泊松比;K為剪切模量,MPa。

2 模型建立

2.1 計算剖面的選取

為了能更準確地反映出該礦區的穩定性,選取典型剖面1-1進行分析(以下簡稱剖面1),剖面1邊坡高度為195 m,巖層分布較為均勻,剖面具體位置如圖1所示。

圖1 剖面位置

2.2 基本假定

(1) 本次計算采用摩爾-庫倫本構模型,各巖層為各向同性的彈塑性材料。

(2) 根據地質勘查報告及現場調研情況,礦區內地層單一,呈單斜產出,礦區附近并無斷層、褶皺等構造。因此,忽略斷層、節理裂隙等不連續面對邊坡穩定性的影響[10]。

(3) 采用擬靜力法分析邊坡在爆破與地震作用下的效應。

(4) 邊界條件:固定其左、右邊界在X方向上的位移,約束底部邊界,其余邊界采用自由邊界,只考慮重力場的影響,不考慮其他外力場的影響。

2.3 本構模型

數值模擬采用的本構模型為:

式中,σ1為最大主應力,MPa;σ3為最小主應力,MPa;c為材料黏聚力,MPa;φ為材料內摩擦角,(°);fs為破壞判斷系數。

2.4 數值建模

潘永堅等[11]通過研究,在邊坡模型尺寸的選取上給了一定的建議,為了減弱邊界對模擬效果的影響,最終所采用的模型大小如圖2 所示。本文以Rhino輔助FLAC3D 完成建模,使用GRIDDLE 插件對邊坡周圍的網格進行加密處理,并輸出成為FLAC3D 網格,最終的計算模型如圖3所示。

圖2 模型尺寸

圖3 開挖前模型

2.5 FLAC3D流固耦合

當使用FLAC3D 進行流固耦合分析時,往往需要耗費大量的計算時間,但在工程計算中,可以采用不同程度的耦合方法來進行分析,從而減少計算時間[12]。在進行方法選擇時,主要是由以下3個主要因素來決定。

(1) 問題的力學時標與礦山特征時間之間的比值。

(2) 施加擾動的屬性。

(3) 流圖剛度與土骨架的剛度比,稱為流固剛度比Rk。

本次模擬采用第3 種透水邊界來實現滲流過程,首先關閉力學計算打開滲流計算,形成穩定的孔壓場之后關閉滲流計算,打開力學計算,從而實現一種假耦合計算模型。為減少形成穩定滲流場的時間,本次試驗采用的參數見表2,固定模型左、右邊界水頭高度,坡體表面固定為零孔壓邊界,最終生成的穩態滲流場如圖4所示。

圖4 穩態滲流場

表2 流體參數

3 模擬結果分析

3.1 開挖結果分析

由圖5可以看出,邊坡的位移主要集中在坡頂的強風化區域,最大值為15.5 cm,變形量較小。邊坡表面也產生了小范圍位移,這主要是由于開挖卸荷過程中引起了巖體的應力釋放,以及地下水位的變化,產生了小部分塑性回彈。

圖5 邊坡主位移

為了分析坡體應力應變分布規律,在臨近坡面側的坡體中沿不同高程設置監測點,采集坡體的應力應變數據,處理后的結果如圖6、圖7所示。

圖6 應力分布

圖7 位移分布

由圖6可知,在邊坡坡面總應力與剪應力分布規律基本一致,呈不規則分布,在坡腳處應力最大,在臺階階腳處的應力較大,而在臺階面上的應力較小,隨著高程的逐漸增大,應力逐漸趨近于零。由圖7可知,水平位移在坡面呈先增加后減小的趨勢,最大位移變形發生在坡腳第二臺階中風化較完整處,位移量為3.17 cm,表明此處可能發生了剪切破壞,需要進行加固處理。這主要是由于該臺階處為巖石破碎帶,力學性能較差。豎向位移最大為9 cm,發生在坡頂強風化灰巖位置,此處位移較大,可能發生局部破壞,隨著高程的逐漸增加,位移呈緩慢增大的趨勢,符合一般邊坡變形規律。

3.2 終了邊坡穩定性分析

本文按以下3種工況進行模擬計算:降雨(地下水)、降雨(地下水)+爆破、降雨(地下水)+地震。礦區所屬的地區地震烈度為6度,通過式(4)可得礦區水平方向設計地震加速度,對于垂直方向上地震加速度,一般取值為水平設計地震加速度的2/3,爆破水平設計加速度參數通過式(5)可得,不考慮爆破水平設計加速度。

式中,F i為邊坡上某質點i爆破震動荷載的靜力等效值;αh為水平方向上的設計地震加速度代表值,對設計烈度為6,7,8,9度時,分別取0.05g、0.1g(0.15g)、0.2g(0.3g)和0.4g;ξ為效應折減系數值,除另有規定外,應取0.25;G Ei為集中在邊坡上某質點i的重力作用值;αi為邊坡上某質點i的地震慣性力的動態分布系數,αi在設計烈度為7,8,9度時,分別取3.0,2.5,2.0;g為重力加速度,取9.81 m/s2。

式中,β1 為爆破作用下的動力折算系數;W i為邊坡上第i條塊的巖體重量;αi為邊坡上第i條塊巖體中爆破震動的峰值質點振動加速度;αi/g為爆破地震系數。

根據規范[13],確定該礦區露天礦邊坡危害等級為Ⅰ級,邊坡工程安全等級為Ⅰ級,該邊坡終了開采高度為100～300 m,邊坡地質環境復雜等級為中等復雜。不同的荷載組合邊坡設計安全系數推薦值見表3。

表3 不同荷載組合總體邊坡的設計安全系數

由圖8至圖10可知,剖面1在3種工況下皆滿足設計要求,且有一定的富余量,表明該礦區邊坡皆處于穩定狀態,初步設計符合相關規范。

圖8 降雨工況

圖10 降雨+地震工況

3.3 地下水對邊坡穩定性的影響

為了研究地下水位升降對邊坡穩定性的影響,通過改變地下水左邊界水頭高度的方法來探究地下水在不同高度下對邊坡的影響大小。在天然狀態下最終結果如圖11所示(圖中橫坐標0為最低開采平面)。

圖11 安全系數變化趨勢

由圖11可以看出,不同地下水位對邊坡穩定性造成一定影響,其安全系數從1.820下降至1.485。通過這些數據可以說明,當邊坡內部地下水位在坡面以下時,邊坡安全系數基本穩定不變,對邊坡造成的影響并不大,當地下水位升高至一定高度時,邊坡穩定性將會迅速降低。因此,在實際工程中應重視地下水對邊坡穩定性的影響。

4 結論

(1) 通過數值模擬手段,探究了邊坡坡面上應力應變的分布規律,應力沿坡腳從下至上逐漸減小,在軟弱夾層及臺階階腳處會出現應力集中現象。水平位移在坡面呈先增加后減小的趨勢,豎向位移隨著高程的增加呈緩慢增大的趨勢。

(2) 通過分析,發現軟弱夾層會影響邊坡的局部穩定,需在夾層處采取加固措施,防止破壞的發生。

(3) 當地下水上升至邊坡坡面以上時將會對邊坡穩定性造成一定的影響,在實際工程中應當重視地下水對邊坡穩定性的削弱作用。

(4) 該礦區初步設計的邊坡穩定性較好,符合相關規范,可為該礦區邊坡開挖提供相關理論依據。