碟子溝風(fēng)井邊坡變形破壞機(jī)制及穩(wěn)定性分析

李雅閣，吳海軍

（1.中國中煤能源集團(tuán)有限公司，北京 100011；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

邊坡是人類工程活動(dòng)中不可避免的問題之一，可分為天然斜坡和人工邊坡2 類[1]。邊坡穩(wěn)定性是指邊坡巖、土體在一定坡高和坡角條件下的穩(wěn)定程度[2]。對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的分析和研究由來已久，從簡單的工程類比法到數(shù)值模擬、相似模擬、穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警等，都有了較為成熟的技術(shù)和設(shè)備[3-5]。分析邊坡穩(wěn)定性問題有3 類基本方法，即分析計(jì)算、模擬試驗(yàn)和巖體分級(jí)方法[6-7]。模擬試驗(yàn)方法主要是采用地質(zhì)力學(xué)模擬試驗(yàn)、離心機(jī)模擬試驗(yàn)或現(xiàn)場開挖測試等方法，通過儀表或影像來觀察邊坡的變形和破壞過程[8]。工程巖體分級(jí)方法來源于工程實(shí)踐，是在大量工程實(shí)測資料的統(tǒng)計(jì)分析和調(diào)查研究的基礎(chǔ)上編制出來的，然后又返回去指導(dǎo)工程實(shí)踐[9]。邊坡穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)是研究邊坡問題的核心，目前常用的邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算評(píng)價(jià)方法有：極限平衡分析法，極限分析法，滑移線法，數(shù)值模擬試驗(yàn)法和可靠性分析方法等[10]。條分法是工程實(shí)踐中應(yīng)用很廣的極限分析法，它只考慮靜力平衡條件，將滑坡體看成剛體在假設(shè)的滑面上采用Mohr-Coulomb 破壞準(zhǔn)則，根據(jù)處于極限平衡狀態(tài)時(shí)滑坡體的力的平衡來求得問題的解[11]。條分法包括簡化Bishop 法，Morgstern-Price法，簡化Janbu 法，剩余推力法和Sarma 法等[12]。在實(shí)際工程中，首先需要研究邊坡變形破壞的機(jī)理和特征，而后對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

1 工程概況

中煤華晉集團(tuán)王家?guī)X煤礦碟子溝風(fēng)井工業(yè)場地位于碟子溝村西北的碟子溝內(nèi)，地處呂梁山脈南麓，地形復(fù)雜，溝壑縱橫，場地自然地形坡度較大，南高北低。工業(yè)廣場內(nèi)的綜合服務(wù)樓、電鍋爐房及進(jìn)風(fēng)斜井周邊的部分建構(gòu)筑物屬于填方區(qū)域。其中3 層綜合服務(wù)樓自建成投入使用后，1 層西南側(cè)墻體出現(xiàn)輕微裂縫，隨著時(shí)間的推移，綜合服務(wù)樓2 層、3 層西南側(cè)墻體也出現(xiàn)了同樣的裂縫，對(duì)建筑物的正常使用造成了一定了影響，存在極大的安全隱患。據(jù)調(diào)查，該風(fēng)井工業(yè)場地建在古滑坡體上，從目前現(xiàn)場的表觀特征分析，古滑坡體未出現(xiàn)滑動(dòng)跡象，但邊坡變形破壞機(jī)理、穩(wěn)定狀態(tài)和發(fā)展趨勢不明。為了掌握?qǐng)龅剡吰伦冃纹茐臋C(jī)制、弄清裂縫發(fā)生發(fā)展的真正原因，開展了分析研究。

2 場地巖土力學(xué)參數(shù)

王家?guī)X礦在礦山建設(shè)、生產(chǎn)過程中，對(duì)碟子溝風(fēng)井場地的各類巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了比較全面的試驗(yàn)研究，積累了比較豐富的成果和資料，為本次研究提供了有力的參考。在收集和整理王家?guī)X礦碟子溝風(fēng)井場地已有巖土體試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場取樣實(shí)測、經(jīng)過對(duì)比分析得到的本次研究中各巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

3 剖面選取與邊坡變形破壞機(jī)理

3.1 模型計(jì)算

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，本次邊坡變形破壞機(jī)理分析研究有針對(duì)性的選取了王家?guī)X碟子溝風(fēng)井工業(yè)場地東側(cè)古滑坡體邊坡、西側(cè)古滑坡體邊坡和北側(cè)矸石邊坡各1 個(gè)剖面。分別建立計(jì)算模型，在此基礎(chǔ)上分析邊坡巖土體的位移、變形和應(yīng)力情況[13-15]。古滑體及矸石邊坡模型圖如圖1，古滑體及矸石邊坡總位移云圖如圖2，古滑體及矸石邊坡剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D如圖3。

表1 物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)推薦表

圖1 古滑體及矸石邊坡模型圖

由圖2 可以看出，東側(cè)和西側(cè)古滑坡體邊坡總位移較大的地段出現(xiàn)在邊坡頂部靠里的區(qū)域（非邊坡外緣），而北側(cè)矸石邊坡的總位移較大的地段則出現(xiàn)在邊坡頂部的外緣，最大位移量在1.905 2×10-2～1.654 3 m。

由圖3 可知，東側(cè)古滑坡體和西側(cè)古滑坡體邊坡剪切應(yīng)變的最大增量值（1.000 0×10-3～5.018 3×10-3）均發(fā)生在上部第四系邊坡的內(nèi)部，距離坡面有一定的距離，不會(huì)造成明顯滑動(dòng)；北側(cè)矸石邊坡剪切應(yīng)變的最大增量值（1.337 5×10-1）發(fā)生在矸石邊坡的表面，穩(wěn)定性相對(duì)較差，相應(yīng)地導(dǎo)致了圖2 中矸石邊坡頂部表面發(fā)生較大位移，后期需要加強(qiáng)觀測。

圖2 古滑體及矸石邊坡總位移云圖

圖3 古滑體及矸石邊坡剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D

3.2 破壞機(jī)理

根據(jù)以上對(duì)王家?guī)X碟子溝風(fēng)井工業(yè)場地東側(cè)古滑坡、西側(cè)古滑坡和北側(cè)矸石邊坡數(shù)值模擬可知，工業(yè)場地內(nèi)邊坡主要變形為剝挖活動(dòng)引起應(yīng)力釋放造成的位移變形，各邊坡均未形成明顯的滑動(dòng)模式。東側(cè)古滑坡體邊坡的變形，主要在原始地表風(fēng)化及后期開挖取土形成的邊坡區(qū)域，以水平方向變形為主，東側(cè)古滑坡體邊坡滑動(dòng)模式為：沿基底巖層滑動(dòng)。西側(cè)古滑坡體邊坡的變形，主要在剝離形成的裸露邊坡區(qū)域，以水平方向變形為主，指向邊坡臨空面，在現(xiàn)狀邊坡與預(yù)測邊坡中未形成整體滑動(dòng)變形趨勢，在邊坡內(nèi)部存在黃土層內(nèi)部滑動(dòng)趨勢。北側(cè)矸石回填邊坡的變形，主要在水力作用下形成的松散邊坡區(qū)域，主要以豎直方向變形為主，邊坡向臨空面有局部水平位移，在現(xiàn)狀邊坡與預(yù)測邊坡中未形成整體滑動(dòng)變形趨勢。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

為了對(duì)碟子溝風(fēng)井工業(yè)場地內(nèi)各邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，本次在工業(yè)場地內(nèi)選取了8 個(gè)具有代表性的典型剖面，分別記為剖面1～剖面8，其中剖面1 和剖面2 位于西側(cè)古滑坡體上，剖面3～剖面5分布于東側(cè)古滑坡體上，剖面6～剖面8 位于北部的矸石回填邊坡上。

依據(jù)《露天煤礦巖土工程勘察規(guī)范》及《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合目前對(duì)王家?guī)X礦碟子溝風(fēng)井區(qū)域地質(zhì)條件、構(gòu)造條件、建筑設(shè)施及邊坡重要程度等資料的掌握情況，穩(wěn)定計(jì)算的安全儲(chǔ)備系數(shù)的選取充分考慮邊坡穩(wěn)定的時(shí)空效應(yīng)：東側(cè)古滑坡體主要受取土開挖、機(jī)械、人員影響，安全系數(shù)取1.3；西側(cè)古滑坡體主要受工程建設(shè)、機(jī)械、人員影響，也作為運(yùn)輸干道，其安全系數(shù)取1.3；北部矸石回填邊坡是主要建筑場地，有運(yùn)輸干道，安全系數(shù)取1.5。按照邊坡的實(shí)際形狀和地層情況運(yùn)用Geo-slope 軟件分別建立各剖面的地質(zhì)模型，對(duì)各地層的物理力學(xué)性質(zhì)等特征參數(shù)取值進(jìn)行賦值，而后進(jìn)行邊坡整體穩(wěn)定性的分析計(jì)算。碟子溝風(fēng)井工業(yè)場地邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)曲線圖如圖4。

圖4 碟子溝風(fēng)井工業(yè)場地邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)曲線圖

由圖4 的計(jì)算分析可知：西側(cè)滑坡體上的2 個(gè)典型剖面中，剖面1 的穩(wěn)定系數(shù)為1.103，相對(duì)來說穩(wěn)定性差一些，因該處邊坡為場地建設(shè)時(shí)開挖切坡造成，坡度很大，坡面植被覆蓋不夠，后期風(fēng)化、取土加上大氣降水等因素造成坡體穩(wěn)定性降低，存在局部滑塌失穩(wěn)的可能，需要加強(qiáng)監(jiān)測監(jiān)控，及時(shí)做好應(yīng)急預(yù)警，防止災(zāi)害發(fā)生造成嚴(yán)重影響；剖面2 的穩(wěn)定系數(shù)為2.551，整體穩(wěn)定性好。東側(cè)古滑坡體上的剖面4 為通風(fēng)機(jī)房建設(shè)時(shí)開挖原山體形成，坡度較大，邊坡周圍的排水系統(tǒng)不夠完善，東側(cè)又有持續(xù)性的開挖取土活動(dòng)，降低了坡體的穩(wěn)定性，其穩(wěn)定系數(shù)為1.227，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；后期需要規(guī)范取土，做好排水和坡面防護(hù)，其整體穩(wěn)定性可以得到保證。另外的剖面3 和剖面5 的穩(wěn)定系數(shù)分別為2.737 和2.006，整體穩(wěn)定性均較好。北部矸石回填邊坡上的3 個(gè)剖面（剖面6～剖面8），穩(wěn)定系數(shù)分別為2.442、3.279、2.395，目前穩(wěn)定性均較好，不會(huì)發(fā)生大的變形。

綜上分析，場地內(nèi)各邊坡目前的穩(wěn)定性較好，局部存在軟弱區(qū)域，但整體穩(wěn)定性尚能滿足安全儲(chǔ)備要求。從分析結(jié)果來看，2 處古滑坡體目前均處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有滑坡體復(fù)活滑動(dòng)的跡象，在不發(fā)生地震等自然災(zāi)害或極端天氣的情況下，邊坡體穩(wěn)定，短期內(nèi)不會(huì)對(duì)場地現(xiàn)有建筑物及后續(xù)規(guī)劃建設(shè)造成破壞性影響。

5 結(jié)語

1）碟子溝風(fēng)井工業(yè)場地內(nèi)邊坡主要變形為剝挖活動(dòng)引起應(yīng)力釋放造成的位移變形，各邊坡均未形成明顯的滑動(dòng)模式。東側(cè)古滑坡體邊坡滑動(dòng)模式為沿基底巖層滑動(dòng)；西側(cè)古滑坡體未形成整體滑動(dòng)變形趨勢，在邊坡內(nèi)部存在黃土層內(nèi)部滑動(dòng)趨勢；北側(cè)矸石回填邊坡在現(xiàn)狀與預(yù)測條件下均未形成整體滑動(dòng)變形趨勢。

2）碟子溝風(fēng)井工業(yè)場地內(nèi)的各邊坡在現(xiàn)狀條件下穩(wěn)定性較好，局部存在軟弱區(qū)域，整體穩(wěn)定性能滿足安全儲(chǔ)備要求。2 處古滑坡體目前沒有滑動(dòng)跡象，穩(wěn)定性較好，短期內(nèi)不會(huì)對(duì)場區(qū)內(nèi)建筑造成破壞。

3）場區(qū)邊坡目前穩(wěn)定狀態(tài)較好，但仍需加強(qiáng)對(duì)場區(qū)內(nèi)典型邊坡地表及深部位移的監(jiān)測預(yù)警；還需做好整個(gè)場區(qū)的排水設(shè)施，使地表徑流能夠順暢排出區(qū)外，以保證區(qū)內(nèi)建筑及整個(gè)場區(qū)的安全穩(wěn)定。