含雙裂隙組灰?guī)r邊坡漸進(jìn)失穩(wěn)過程分析①

汪志林，葉海旺，李子旋，雷 濤

（1.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430070；2.武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430070）

近年來，受國家基建項(xiàng)目對水泥和砂石骨料需求劇增的影響，我國大規(guī)模露天灰?guī)r礦山的數(shù)量也越來越多。然而，作為一種典型的沉積巖，在后期地質(zhì)運(yùn)動(dòng)作用下，灰?guī)r中往往分布著兩組以上的裂隙，其穩(wěn)定性更易受到裂隙組分布形式的影響，失穩(wěn)機(jī)制也更加復(fù)雜。因此，如何預(yù)估含有兩組及多組裂隙巖體邊坡的破壞過程，揭示其破壞模式，采取有效的工程措施，是近年來相關(guān)學(xué)者關(guān)注的重要課題之一［1－4］。

針對裂隙的不同分布形式對巖質(zhì)邊坡破壞模式的影響成果豐碩［5－14］。但對雙組裂隙邊坡尚未開展過成體系的研究。究其原因是在傳統(tǒng)數(shù)值模擬中，依賴于連續(xù)介質(zhì)理論的強(qiáng)度折減難以重現(xiàn)邊坡動(dòng)態(tài)失穩(wěn)過程。

針對上述問題，本文以山西省某灰?guī)r礦山為背景，引入可更有效呈現(xiàn)邊坡失穩(wěn)過程的離散元法，基于MatDEM離散元軟件的二次開發(fā)功能，建立了含雙組裂隙邊坡的數(shù)值計(jì)算模型，研究了雙裂隙組灰?guī)r邊坡的漸進(jìn)失穩(wěn)過程。

1 工程概況

某石灰石礦山位于山西省朔州市懷仁縣何家堡鄉(xiāng)悟道村南西1 km至樓子口村北西1.2 km處，地理坐標(biāo)東經(jīng)112°57′26″～112°59′03″，北緯39°49′08″～39°50′35″，礦區(qū)北東-南西長3.23 km，北西-南東寬0.45 km，面積1.454 km2。礦區(qū)位于大同盆地西側(cè)洪濤山山脈中部，區(qū)內(nèi)山勢陡峭，西高東低，地形高差較大，最低海拔1 175 m，最高海拔1 575 m，相對高差約400 m，溝谷呈近東西向分布，切割深度較大。礦區(qū)東側(cè)集寧群分布區(qū)屬低山丘陵區(qū)。礦區(qū)巖體為石灰?guī)r、泥灰?guī)r等，巖質(zhì)堅(jiān)硬致密。在現(xiàn)場地質(zhì)勘查過程中，未發(fā)現(xiàn)有大的斷裂通過，但巖體裂隙非常發(fā)育，現(xiàn)場典型巖體結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可看出，邊坡內(nèi)主要分布著兩組平行的裂隙，裂隙間距約為10 m，其中一組為豎向裂隙組，另一組為與工作平臺(tái)成45°的傾斜裂隙組，如圖中虛線所示。

圖1 典型灰?guī)r邊坡巖體結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 MatDEM顆粒離散元計(jì)算流程

MatDEM（Fast GPU Matrix computing of Discrete Element Method）軟件是南京大學(xué)自主開發(fā)的巖土體三維離散元模擬軟件，該軟件基于創(chuàng)新的GPU矩陣離散元法，使用MATLAB語言編寫，具有計(jì)算效率高、宏微觀力學(xué)性質(zhì)明確和強(qiáng)大的二次開發(fā)功能等優(yōu)點(diǎn)［15］。利用MatDEM軟件二次開發(fā)功能研發(fā)了雙裂隙組邊坡的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，整個(gè)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)過程可分為以下步驟：

1）根據(jù)邊坡幾何尺寸確定合適的模型盒尺寸并充滿單元顆粒，接著在上部施加壓力壓實(shí)單元顆粒模擬自然堆積得到初始的地層堆積模型。

2）按照邊坡的具體尺寸對地層堆積模型進(jìn)行切割并刪除多余的單元顆粒得到完整的邊坡模型。

3）根據(jù)裂隙組的位置對邊坡模型進(jìn)行分組建立裂隙組單元和基質(zhì)組單元，接著對兩組單元分別設(shè)置不同的材料參數(shù)，然后初始平衡得到邊坡實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

4）初始模型在邊坡自重的條件下不斷平衡迭代計(jì)算，過程中監(jiān)測模型的位移和摩擦熱數(shù)值，當(dāng)位移和摩擦熱數(shù)據(jù)滿足破壞判據(jù)時(shí)，停止計(jì)算。

2.2 雙裂隙巖體邊坡的離散元模型

為了探究雙裂隙組巖質(zhì)邊坡的漸進(jìn)失穩(wěn)過程，以圖1所示的典型灰?guī)r邊坡為藍(lán)本建立基本的離散元模型，主要用于研究雙裂隙巖質(zhì)邊坡的漸進(jìn)失穩(wěn)動(dòng)態(tài)過程。模型如圖2所示，其邊坡角60°，坡高45 m，裂隙設(shè)置區(qū)域如圖中淺色線條所示，其中顆粒單元數(shù)12 334個(gè)、平均粒徑0.25 m、分散性系數(shù)0.2。

圖2 雙裂隙組邊坡數(shù)值模型

2.3 材料參數(shù)

輸入巖石的宏觀力學(xué)參數(shù)后，根據(jù)文獻(xiàn)［16］給出的緊密堆積離散元模型單元力學(xué)參數(shù)與模型整體力學(xué)性質(zhì)之間的解析解，經(jīng)過多次材料模擬試算，確定了模型單元平均微觀力學(xué)參數(shù)，對巖體和裂隙分別設(shè)置不同的材料參數(shù)如表1所示。

表1 模型材料宏微觀參數(shù)

3 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 邊坡漸進(jìn)失穩(wěn)過程分析

邊坡破壞是一個(gè)復(fù)雜的漸進(jìn)過程，其中包含著復(fù)雜的力學(xué)變化行為，也伴隨著裂隙的形成、發(fā)展、貫通及滑移面形成。基于圖2所示的模型，從位移變化和摩擦熱特性兩個(gè)方面分析雙裂隙邊坡的漸進(jìn)破壞過程。

圖3 為雙裂隙邊坡的破壞過程示意圖。根據(jù)邊坡滑移面數(shù)量和滑體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將邊坡破壞過程分為裂隙貫通、初層滑動(dòng)、二層滑動(dòng)和三層滑動(dòng)共4個(gè)階段。從圖3可以看出，當(dāng)時(shí)間步為4 000步時(shí)，邊坡很完整，沒有產(chǎn)生位移和摩擦熱，此時(shí)邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)時(shí)間步為5 200步時(shí)，邊坡表面出現(xiàn)貫通的裂隙，在坡腳處產(chǎn)生少量位移且沒有摩擦熱生成，此時(shí)邊坡在剪切作用下形成貫通的圓弧剪切裂隙和初始滑體；當(dāng)時(shí)間步為6 000步時(shí)，初始滑體已經(jīng)脫離邊坡體，在重力作用下向下滑移，滑移體產(chǎn)生初始位移并在滑面上產(chǎn)生少量摩擦熱；當(dāng)時(shí)間步為7 600步時(shí)，產(chǎn)生了2個(gè)滑面，滑體位移明顯增加且在2個(gè)滑面上都有大量摩擦熱生成；當(dāng)時(shí)間步為10 000步時(shí)，邊坡體形成了由表及里的3層滑移體，不同滑移面在坡腳處逐漸合為一體，此時(shí)邊坡已經(jīng)完全失穩(wěn)，邊坡表面位移過大且在滑面上產(chǎn)生大量摩擦熱。對比圖3（e）和圖2還可以發(fā)現(xiàn)：3個(gè)滑移面的上部與3條豎向裂隙的位置重合，這是由于在邊坡后緣裂隙處的抗拉強(qiáng)度較低，發(fā)生張拉破壞而形成滑移面，故而形成了雙裂隙邊坡的裂隙貫通、初層滑動(dòng)、二層滑動(dòng)和三層滑動(dòng)等4個(gè)階段。由此可以看出，含雙裂隙邊坡的破壞過程是一個(gè)由表及里逐步“剪切滑移-張拉斷裂”的漸進(jìn)破壞過程。

圖3 邊坡破壞過程示意圖

3.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證

礦山現(xiàn)場為保障安全生產(chǎn)建立了一套邊坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，其中為了監(jiān)測邊坡變形情況、獲取邊坡位移數(shù)據(jù)，在重點(diǎn)區(qū)段邊坡的坡頂表面布置了位移監(jiān)測點(diǎn)。

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性和預(yù)測邊坡位移的未來變化情況，將數(shù)值模擬中監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如表2所示。從表2可以看出，現(xiàn)場位移數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬監(jiān)測點(diǎn)位移數(shù)據(jù)的變化趨勢是一致的，都是初始位移較小，變化幾乎為0，邊坡較穩(wěn)定；隨著時(shí)間增長，位移逐漸增大，位移增長速度逐漸加快，邊坡處于加速變形階段。礦山現(xiàn)場應(yīng)當(dāng)根據(jù)邊坡變形情況，在重點(diǎn)邊坡區(qū)域做好危險(xiǎn)警戒和針對性的工程處理，以防止出現(xiàn)安全事故。

表2 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬位移數(shù)據(jù)對比

圖4 為礦山邊坡破壞對比圖。由圖4可以看出，數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)邊坡上的4條滑移面與石灰石礦山坡頂出現(xiàn)的如圖中虛線所示的4條平行張拉裂縫是一一對應(yīng)的?，F(xiàn)場邊坡上部靠近坡面的③號(hào)裂縫比靠近邊坡內(nèi)部的④號(hào)裂縫寬度寬且貫通情況更加充分，這解釋了雙裂隙邊坡的破壞過程是一個(gè)由表及里逐步“剪切滑移-張拉斷裂”的漸進(jìn)破壞過程。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場情況比較符合，充分說明MatDEM軟件在含裂隙邊坡漸進(jìn)失穩(wěn)過程研究上的可適用性。

圖4 邊坡破壞模式對比圖

4 結(jié) 論

1）含裂隙巖體邊坡由于裂隙的存在而與完整巖體邊坡的失穩(wěn)過程有著明顯的差別，含兩組裂隙邊坡的破壞過程是一個(gè)由表及里逐步“剪切滑移-張拉斷裂”的過程，整個(gè)破壞過程在3組豎向裂隙的控制下可分為裂隙貫通、初層滑動(dòng)、二層滑動(dòng)和三層滑動(dòng)共4個(gè)階段。

2）本文所采用的基于離散元的MatDEM軟件在邊坡破壞過程上的研究結(jié)果與礦山現(xiàn)場邊坡的位移變化和破壞模式比較一致，證明基于離散元的MatDEM軟件在研究裂隙邊坡上的可適用性，能預(yù)測礦山邊坡可能發(fā)生的破壞過程，可為礦山未來的監(jiān)測和治理提供參考。