含多層級(jí)軟弱互層的露天礦邊坡穩(wěn)定性優(yōu)化

張 禹，呂文偉

（國家能源集團(tuán)中國神華能源股份有限公司哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

為開采特定位置的礦產(chǎn)資源，露天礦山往往不可避免的要克服包含軟弱層、斷層等在內(nèi)的諸多不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此產(chǎn)生過一些典型的滑坡案例。如扎哈淖爾露天煤礦[1]、黑山露天礦西幫[2]、勝利露天煤礦[3]、白音華一號(hào)露天煤礦[4]等大型露天礦滑坡事故均是在弱層等因素的作用下發(fā)生的。為了減少這類事故的發(fā)生，邊坡安全工程領(lǐng)域技術(shù)人員已經(jīng)開展了一系列卓有成效的工作，王東等[5]分析了斷層位置對露天礦順傾層狀邊坡穩(wěn)定性的影響，基于極限平衡理論，推導(dǎo)出順傾層狀邊坡分條穩(wěn)定系數(shù)表達(dá)式；曹蘭柱等[6]對含多弱層的復(fù)合邊坡的穩(wěn)定性規(guī)律和破壞機(jī)制進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，揭示了多弱層對復(fù)合邊坡的失穩(wěn)破壞及穩(wěn)定性的影響；李曉俊等[7]通過邊坡勘察及室內(nèi)試驗(yàn)，查清邊坡的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，尤其是軟弱層情況，對弱層邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析評價(jià)，并提出相應(yīng)的治理措施。軟弱地層與水、震動(dòng)、邊坡形態(tài)等因素耦合的工程問題復(fù)雜多變，是目前邊坡工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

1 穩(wěn)定性層級(jí)優(yōu)化方法

在含有多層級(jí)軟弱互層的邊坡體系中，是否發(fā)生滑坡取決于2 點(diǎn)：一是弱層力學(xué)強(qiáng)度以及其賦存產(chǎn)狀與坡面的空間關(guān)系構(gòu)成；二是弱層上覆巖土體載荷值是否達(dá)到弱層產(chǎn)生形變的極限。

對于露天礦邊坡而言，采剝工程發(fā)生的挖方量會(huì)直接破壞地層原始應(yīng)力場的平衡狀態(tài)，改變軟弱互層承受載荷的分布，甚至?xí)谷鯇又苯颖┞对谶吰屡R空面一側(cè)，從而誘發(fā)采場底部境界鼓起甚至邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。在采剝工程進(jìn)行時(shí)，技術(shù)設(shè)計(jì)人員很難通過控制弱層力學(xué)強(qiáng)度來維持邊坡穩(wěn)定。但可以利用挖方工作改善弱層承受載荷的情況，實(shí)現(xiàn)維持邊坡穩(wěn)定的目的。故對于含有多層級(jí)軟弱互層的邊坡，可按照空間自上而下的順序，逐層優(yōu)化各級(jí)弱層載荷分布，使各層級(jí)弱層上的邊坡巖土體達(dá)到穩(wěn)定。

1.1 傳遞系數(shù)法

傳遞系數(shù)法或稱剩余推力法，是邊坡安全工程領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用的一種滑坡穩(wěn)定性分析方法。傳遞系數(shù)法的一般表達(dá)式如式（1）。

式中：Ψi為第i 條塊的推力傳遞系數(shù)；Ei為第i條塊的剩余推力，kN；Wi為第i 條塊的質(zhì)量，kg；αi為第i 條塊的滑面傾角，（°）；φi為第i 條塊的滑面摩擦角，（°）；Ci為第i 條塊的滑面黏聚力，kN；Li為第i條塊的底面長度，m；k 為安全系數(shù)。

含有軟弱互層的邊坡巖體發(fā)生滑坡，往往是因?yàn)槿鯇訋r體在水或震動(dòng)的影響下強(qiáng)度大幅下降，并在上覆巖體荷載的作用下發(fā)生形變，牽引邊坡巖體整體滑動(dòng)。但在滑動(dòng)產(chǎn)生前，滑體仍可視為理想的剛塑材料，這與傳遞系數(shù)法的基本假設(shè)相適應(yīng)。同時(shí)考慮到該法計(jì)算的簡便性與適合分析復(fù)雜滑動(dòng)面的特性，選擇該法作為穩(wěn)定性層級(jí)優(yōu)化方法。

1.2 優(yōu)化步驟

首先應(yīng)查明邊坡巖體內(nèi)軟弱互層的力學(xué)指標(biāo)及賦存形態(tài)。然后根據(jù)弱層的分布特征將邊坡巖體劃分為多個(gè)研究區(qū)段，依據(jù)安全儲(chǔ)備系數(shù)要求，對空間上位置靠上的區(qū)段進(jìn)行穩(wěn)定性優(yōu)化，優(yōu)化后再驗(yàn)算其對位置相對靠下區(qū)段穩(wěn)定性的影響。如此反復(fù)驗(yàn)算，直至所有區(qū)段邊坡巖體穩(wěn)定性取得最終優(yōu)化結(jié)果。優(yōu)化步驟如圖1。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

白音華煤田位于大興安嶺以西煤盆地范圍內(nèi)，所處區(qū)域地層巖性相對復(fù)雜，常見有強(qiáng)親水性、較高黏塑性的軟弱互層賦存，是這一區(qū)域內(nèi)露天煤礦地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的主要誘因，具有典型的研究價(jià)值。以白音華4#露天煤礦某一工程時(shí)期產(chǎn)生滑坡后的東幫邊坡為研究對象，應(yīng)用穩(wěn)定性層級(jí)優(yōu)化方法研究。幫典型剖面地層分布如圖2。

圖1 優(yōu)化步驟

圖2 典型剖面地層分布圖

2.1 邊坡地質(zhì)條件

邊坡自下而上由下白堊統(tǒng)白音華組（K1b）、第三系（N）、第四系（Q）地層以及地表排棄物料組成。其中下白堊統(tǒng)白音華組以煤、泥巖、中粗砂巖、細(xì)砂巖為主，賦存有5 個(gè)軟弱層。第三系由碎屑巖、砂礫巖、泥巖、黏土組成，賦存有1 個(gè)軟弱層。第四系由礫石、砂土、淤泥層組成。邊坡高度約100 m，邊坡角11°，臺(tái)階坡面角70°，邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.2。各地層巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

2.2 優(yōu)化方法應(yīng)用

通過工程推演可以發(fā)現(xiàn)，隨著剝采降深工作的進(jìn)行，1#～5#弱層層面將進(jìn)一步接近臨空面，其上部壓覆巖層的厚度也將變得更加薄弱，導(dǎo)致采場底部境界弱層層面承受載荷減小。此時(shí)三、四系邊坡區(qū)段載荷易推動(dòng)弱層滑移，使采場深部境界發(fā)生鼓起，甚至存在滑體在某一最薄弱的位置剪出的可能性。此外，第三系巖層底部存在一定層位的軟弱層，已暴露在邊坡臨空面一側(cè)，存在發(fā)生剪切滑動(dòng)的可能。故將三系底部6#弱層作為分界，將東幫邊坡分為2 個(gè)研究區(qū)段。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

2.2.1 第三系地層以上邊坡穩(wěn)定性優(yōu)化

第三、四系巖體均為力學(xué)性質(zhì)較軟弱的巖層，6#弱層對邊坡穩(wěn)定有較大影響。通過調(diào)整平盤參數(shù)，調(diào)整邊坡角，反復(fù)試算得出這一區(qū)段的穩(wěn)定邊坡角在23°以下。三系地層以上區(qū)段邊坡穩(wěn)定性試算結(jié)果如圖3。

圖3 三系地層以上區(qū)段邊坡穩(wěn)定性試算結(jié)果

2.2.2 第三系地層以下邊坡穩(wěn)定性優(yōu)化

在上步計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析其對三系地層以下區(qū)段邊坡穩(wěn)定性的影響。三系地層以下區(qū)段邊坡穩(wěn)定性試算結(jié)果如圖4。

圖4 三系地層以下區(qū)段邊坡穩(wěn)定性試算結(jié)果

首先驗(yàn)算其對1＃弱層的影響，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果為1.04，如圖4（a），不滿足安全儲(chǔ)備要求。這說明上三系以上區(qū)段邊坡坡腳若設(shè)在煤層底板出，則其載荷將推動(dòng)1＃弱層層面產(chǎn)生滑動(dòng)并使滑體在抗剪段最薄弱位置剪出。故移動(dòng)邊坡坡腳至1＃弱層與第三系底板交界處，以此減小三系以上區(qū)段對1＃弱層的載荷，再次進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果為：1＃弱層在僅有自身載荷的情況下上部巖體的穩(wěn)定性系數(shù)為1.22；2＃弱層在三系以上區(qū)段載荷下邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)為1.23；3＃弱層在三系以上區(qū)段載荷下邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)為1.49，如圖4（b）～圖4（d）。這些數(shù)據(jù)表明：三系以上區(qū)段邊坡移設(shè)坡腳位置后產(chǎn)生的載荷分布對三系以下區(qū)段而言是穩(wěn)定的，至此2 個(gè)區(qū)段邊坡穩(wěn)定性優(yōu)化結(jié)束，得到了最優(yōu)邊坡形態(tài)。

從計(jì)算過程中得出：隨著假想底滑面賦存深度的增加，其抗剪段厚度也將增加，盡管弱層承受的載荷在增大，但最終對應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)是增大的。這說明抗剪段厚度是深部境界是否產(chǎn)生變形的主控因素。

3 數(shù)值模擬驗(yàn)證

傳遞系數(shù)法具有計(jì)算簡便、適用于復(fù)雜滑動(dòng)面穩(wěn)定性計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)。但在其運(yùn)算過程中設(shè)置有較多的假設(shè)條件，產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果存在與工程實(shí)際偏差的可能性。同時(shí)，由于計(jì)算原理上的限制，這類傳統(tǒng)的條分法不能考慮到邊坡巖層內(nèi)的彈塑性變形，無法達(dá)到研究邊坡巖體位移情況的目的。日益成熟的數(shù)值模擬技術(shù)不僅能真實(shí)地模擬邊坡巖體內(nèi)部應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，說明邊坡巖體的滑移模式，同時(shí)也可以追蹤邊坡巖體內(nèi)關(guān)鍵形變位置的各項(xiàng)數(shù)據(jù)[8]。基于強(qiáng)度折減法，應(yīng)用巖土工程分析軟件FLAC3D對多層級(jí)軟弱互層條件下的邊坡穩(wěn)定性優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證。

以圖4（d）最終優(yōu)化邊坡形態(tài)建立的數(shù)值模型如圖5。模型高度260 m，長度834 m。邊界條件為：模型坡面為自由邊界；禁止底部邊界面產(chǎn)生垂直位移；禁止模型左右兩側(cè)界面發(fā)生水平位移。自重加載作為加載方式。模擬運(yùn)算后得到的位移云圖、剪切應(yīng)變增量圖如圖6 和如圖7。經(jīng)過25 000 步時(shí)的折減運(yùn)算后，得到了邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.22 的計(jì)算結(jié)果。

圖5 數(shù)值模擬模型

圖6 位移云圖

圖7 剪應(yīng)變增量發(fā)展圖

由圖6 可以清晰的看出邊坡整體的變形破壞趨勢：由于三系底板弱層的作用，排土場、第四系、第三系地層邊坡巖體后在6#弱層層面產(chǎn)生滑動(dòng)，并于弱層出露位置滑出；深部境界巖土體在東幫、排土場載荷及多層軟弱層的共同作用下也產(chǎn)生了一定的滑移變形，其變形量隨著各弱層賦存深度的不同展現(xiàn)了明顯的梯度，體現(xiàn)出了深部境界產(chǎn)生地鼓的趨勢。位移云圖展現(xiàn)出的邊坡變形趨勢與傳遞系數(shù)法計(jì)算的各級(jí)軟弱互層穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)論相吻合。

圖7 呈現(xiàn)了邊坡剪切應(yīng)變增量隨折減步時(shí)發(fā)展的動(dòng)態(tài)過程，由圖7 可以得知：隨著持續(xù)的折減，邊坡體內(nèi)各個(gè)潛在的滑動(dòng)面將被激活，其層面上的剪切應(yīng)變增量的數(shù)值和分布范圍也將擴(kuò)大，剪切應(yīng)變分布的范圍逐漸呈現(xiàn)出更加貫通的趨勢。從距臨空面距離的角度上，由近及遠(yuǎn)，各滑動(dòng)面上的剪切應(yīng)變增量呈減小趨勢，如圖7（d）。不同層位弱層內(nèi)的滑動(dòng)面的剪切應(yīng)變增量在數(shù)值上呈現(xiàn)出了一定的梯度，且這一梯度隨著折減的進(jìn)行更加明顯。這說明各個(gè)弱層被激活為滑動(dòng)面的難易程度是不一樣的，簡言之即距離臨空面越遠(yuǎn)，弱層越不易產(chǎn)生剪切錯(cuò)動(dòng)，進(jìn)而由對應(yīng)弱層作為底滑面的變形滑動(dòng)越難發(fā)生。這與由位移云圖分析出的結(jié)論一致，并與傳遞系數(shù)法計(jì)算得出的結(jié)果相互印證。

4 結(jié)語

針對含有多層級(jí)軟弱互層的邊坡，給出了邊坡穩(wěn)定性層級(jí)優(yōu)化方法的詳細(xì)步驟。通過調(diào)整層級(jí)軟弱互層的上覆載荷分布，控制弱層到邊坡臨空面距離，對工程實(shí)例進(jìn)行了方法的應(yīng)用，取得了良好的優(yōu)化效果。