基于GeoStudio的矸石山邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

馬俊生

(山西焦煤集團(tuán)公司 安監(jiān)局，山西 太原 030024)

·試驗(yàn)研究·

基于GeoStudio的矸石山邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

馬俊生

(山西焦煤集團(tuán)公司 安監(jiān)局，山西 太原 030024)

以屯蘭礦矸石山基地為工程背景，采用GeoStudio數(shù)值模擬軟件對(duì)該礦矸石山穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬，分析了降雨影響下矸石山的穩(wěn)定性與位移變化。研究結(jié)果表明，表面覆土對(duì)矸石山穩(wěn)定性影響不大；在連續(xù)降雨條件下，矸石山邊坡安全系數(shù)隨降雨時(shí)間的增加而降低，且在前10 d降低幅度很大，之后趨于平穩(wěn)；降雨給矸石山帶來(lái)的位移變化主要發(fā)生在表面土體，且垂直位移要顯著大于水平位移。

矸石山；邊坡穩(wěn)定性；安全系數(shù)；GeoStudio數(shù)值模擬

我國(guó)是一個(gè)煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)大國(guó)，將煤炭資源從地下開(kāi)采出來(lái)的同時(shí)，伴隨著大量的矸石產(chǎn)出，資料顯示，我國(guó)矸石產(chǎn)出量占煤炭總產(chǎn)量的15%～20%[1]. 迄今我國(guó)煤礦產(chǎn)出廢棄矸石總量已高達(dá)7 000 Mt，堆積面積大約70 km2，并以150 Mt/a的速度增加[2]. 堆放的矸石占用大量的土地，導(dǎo)致環(huán)境污染等問(wèn)題，而且一旦矸石山發(fā)生失穩(wěn)滑坡，會(huì)給周邊企業(yè)與居民帶來(lái)生命財(cái)產(chǎn)損失。因此有必要對(duì)矸石山的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

對(duì)于巖土體邊坡的穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了大量的研究。高謙等基于正交實(shí)驗(yàn)得到了邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與巖體參數(shù)的函數(shù)關(guān)系[3]；唐東旗等對(duì)邊坡坡體各部分受力情況進(jìn)行了分析，并運(yùn)用FLAC3D對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬，對(duì)邊坡的節(jié)理進(jìn)行了分區(qū)[4]；陳國(guó)慶等使用動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法對(duì)巖土體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)邊坡失穩(wěn)全過(guò)程的分析與調(diào)控[5]；唐棟等采用非飽和滲流分析方法研究了前期降雨對(duì)不同土體邊坡穩(wěn)定性影響[6]；宋玉才等研究了連通節(jié)理巖巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，使用極限平衡法對(duì)一系列滑面進(jìn)行分析，從而對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)判[7].

但是以上研究結(jié)果不適用于矸石散體且加蓋黃土邊坡的穩(wěn)定性分析，因此，本文使用GeoStudio數(shù)值模擬軟件，對(duì)屯蘭礦矸石山覆土后穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

1 工程概況

屯蘭礦矸石排放場(chǎng)地位于山西省古交市南梁村。南梁村山中山谷眾多，為盡可能減少占用耕地資源，充分利用地形條件，將屯蘭礦產(chǎn)出矸石以卡車(chē)運(yùn)輸填充到這些山谷中，再使用推土機(jī)等工具推平。最終形成東面緊靠山體，西面邊坡垂高8 m，坡角60°，頂部平整，平均厚度26 m，南北長(zhǎng)平均790 m，東西寬平均226 m的不規(guī)則狹長(zhǎng)形矸石山。

矸石填充完畢之后分別于2011—2013年和2013—2014年在矸石山表面進(jìn)行了兩次覆土工作，兩次覆蓋黃土的厚度都在1 m左右。覆土面積約157 666.7 m2.

2 矸石山邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

一般認(rèn)為，剪應(yīng)力的作用是巖土體邊坡發(fā)生失穩(wěn)滑坡的關(guān)鍵因素，要研究巖土體邊坡的穩(wěn)定性，主要就是看其抗剪強(qiáng)度與剪應(yīng)力之間的相對(duì)大小。根據(jù)屯蘭礦矸石山實(shí)際情況，構(gòu)建如圖1所示數(shù)值分析模型。模擬主要分析目標(biāo)為覆土前后無(wú)降水和有降水兩種條件下的屯蘭礦矸石山邊坡穩(wěn)定性及安全系數(shù)。覆土前模型共計(jì)節(jié)點(diǎn)472個(gè)，單元體430個(gè)，覆土后共計(jì)節(jié)點(diǎn)523個(gè)，單元體480個(gè)，每個(gè)網(wǎng)格單元的邊緣長(zhǎng)度為2.5 m. 模型左右邊界約束其x方向位移，底部邊界x、y方向位移全約束。

矸石散體屬于摩擦型散體材料[8]，其力學(xué)參數(shù)影響因素很多，綜合原位測(cè)試、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)與工程類(lèi)比，最終確定模型中巖土體力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1.

圖1 數(shù)值分析模型圖

表1 各巖土體的物理力學(xué)參表

2.2 無(wú)降雨條件下的穩(wěn)定性分析

為分析屯蘭礦矸石山表面覆土對(duì)其穩(wěn)定性的影響，分別對(duì)覆土前后兩種情況進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果見(jiàn)圖2. 比較覆土前后模擬結(jié)果，覆土前FS=1.742，覆土后FS=1.718，表明在矸石散體表面覆土?xí)p微降低矸石山邊坡的穩(wěn)定性，可能的原因是覆蓋黃土后，使得表土層與矸石散體表層之間產(chǎn)生了不連續(xù)面，相當(dāng)于人為引入了一個(gè)結(jié)構(gòu)面，從而降低了其穩(wěn)定性。但是在這兩種情況下安全系數(shù)都比較高，這表明無(wú)論屯蘭礦矸石山表面是否覆蓋2 m黃土，其邊坡都是穩(wěn)定的，不會(huì)發(fā)生滑坡等災(zāi)害現(xiàn)象。

圖2 無(wú)降雨影響下的穩(wěn)定性模擬結(jié)果圖

為盡可能詳細(xì)了解邊坡受力狀態(tài)及其變化規(guī)律，將潛在滑動(dòng)面劃分為如圖2中所示的30個(gè)豎直土條塊，模擬結(jié)果見(jiàn)圖3. 由圖3表明，屯蘭礦矸石山邊坡潛在滑動(dòng)面上土條間剪力隨邊坡延伸方向先增大后減小，增大和減小速度有明顯的階段性，尤其是剪切力的變化。以增加段為例：前期增加速度逐漸變大，之后呈現(xiàn)線(xiàn)性增長(zhǎng)，然后增加速度逐漸變慢，最終剪切力在x=85 m位置達(dá)到峰值。法向力的變化趨勢(shì)與之類(lèi)似，并同樣在x=85 m位置達(dá)到峰值。受力峰值位置出現(xiàn)在邊坡的中部靠上部位，表明此處是失穩(wěn)的危險(xiǎn)區(qū)域。

圖3 覆土后矸石山土條間應(yīng)力曲線(xiàn)圖

2.3 考慮降雨影響下的穩(wěn)定性分析

雨水入滲是造成非飽和土體滑坡及失穩(wěn)的至關(guān)重要的原因之一，隨著雨水大量滲入到邊坡土體，得邊坡土體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了改變而引起了邊坡的失穩(wěn)[9].屯蘭礦地處干旱的內(nèi)陸地區(qū)，常年干旱少雨，屯蘭礦設(shè)置降雨條件24 mm/d. 因?yàn)樵摰V矸石山周邊布置有專(zhuān)用排水道，匯水面積僅考慮矸石山占地即可。

設(shè)置降雨時(shí)間為90 d，每隔10 d記錄一次安全系數(shù)模擬結(jié)果，最終獲得安全系數(shù)受降雨影響變化曲線(xiàn)圖，見(jiàn)圖4. 由圖4可知，矸石山邊坡安全系數(shù)會(huì)隨著降雨時(shí)間的持續(xù)而降低，且在降雨開(kāi)始后的10 d內(nèi)降低速度比較快，之后則逐漸趨于穩(wěn)定；對(duì)于屯蘭礦矸石山邊坡而言，在降雨持續(xù)到第10 d時(shí)，其安全系數(shù)分別為1.288，并最終穩(wěn)定在1.23左右。降雨影響下矸石山水平位移云圖見(jiàn)圖5.

圖4 安全系數(shù)隨降雨持續(xù)時(shí)間變化曲線(xiàn)圖

圖5 降雨影響下矸石山水平位移云圖

由圖5模擬結(jié)果可知，在24 mm/d的降雨條件下，隨著降雨的持續(xù)，屯蘭礦矸石山的水平位移也在逐漸增大，位移主要發(fā)生在邊坡處的表面土體，矸石山內(nèi)部與上表面位移量則很小，幾乎無(wú)變化。降雨持續(xù)1 d后，水平位移最大值是0.38 cm，基本上可以認(rèn)為沒(méi)有發(fā)生變形；降雨持續(xù)20 d后，水平位移最大值是7.70 cm，位移量比較顯著；降雨持續(xù)50 d后，水平位移最大值是19.26 cm；降雨持續(xù)90 d后，水平位移最大值是34.66 cm. 隨降雨時(shí)間的增加，水平位移增長(zhǎng)速度逐漸降低，這與安全系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化關(guān)系一致。降雨影響下矸石山垂直位移云圖見(jiàn)圖6.

由圖6模擬結(jié)果可知，與降雨影響下水平位移變化情況相似，矸石山的垂直位移也是隨降雨時(shí)間的持續(xù)而逐漸增加，位移等值線(xiàn)在表土層中較密，矸石山內(nèi)部則十分稀疏，表明降雨對(duì)表土層位移的影響要強(qiáng)于對(duì)矸石散體的影響，且表土層的位移顯著大于矸石山內(nèi)部位移。降雨持續(xù)1 d后，垂直位移最大值為0.59 cm，基本上可以認(rèn)為沒(méi)有發(fā)生變形；降雨持續(xù)20 d后，垂直位移最大值為11.89 cm，位移量開(kāi)始顯著；降雨持續(xù)50 d后，垂直位移最大值為29.73 cm；降雨持續(xù)90 d后，垂直位移最大值為53.51 cm. 垂直位移增長(zhǎng)速度也和安全系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化關(guān)系一致。對(duì)比圖5與圖6結(jié)果可知，在降雨影響下，矸石山垂直位移同比顯著大于水平位移。

圖6 降雨影響下矸石山垂直位移云圖

3 結(jié) 論

1) 屯蘭礦矸石山邊坡安全系數(shù)隨降雨時(shí)間的增加而降低，且在降雨開(kāi)始后10 d里下降幅度很大，此后降低，安全系數(shù)最終穩(wěn)定在1.23左右。

2) 屯蘭礦矸石山表面覆土?xí)档推浞€(wěn)定性，但是降低不明顯，其仍可保持穩(wěn)定。

3) 降雨對(duì)屯蘭礦矸石山位移的影響主要體現(xiàn)在表土層，且降雨對(duì)垂直變形的影響要顯著強(qiáng)于水平變形。

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NumericalSimulationStudyonSlopeStabilityinGangueDumpBasedonGeoStudio

MAJunsheng

Based on the engineering background of a gangue dump base in Tunlan coal mine, GeoStudio numerical simulation software is used to analyze the stability and displacement of the dump under rainfall conditions. The results show that Surface soil coating has little effect on the stability of Gangue dump. Under continuous rainfall conditions, the slope stability decreases as the continuous rainfall days increasing in the first 10 days., and subsequently the safety factor turns to gentle gradually. The displacement change caused by rainfall occurs mainly in the soil covering on the gangue dump and the displacement along vertical is significantly bigger than that of the horizontal one.

Gangue dump; Slope stability; Safety factor; GeoStudio numerical simulation

2017-08-16

馬俊生(1968—)，男，山西祁縣人，1990年畢業(yè)于大同煤校，工程師，主要從事煤礦安全監(jiān)察及應(yīng)急救援工作

(E-mail)13994237918@163.com

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1672-0652(2017)11-0031-04