基于水影響作用下的露天煤礦邊坡穩(wěn)定性研究

吳榕真，舒應(yīng)秋，李志強(qiáng)，關(guān)云澤

（華能伊敏煤電有限責(zé)任公司 伊敏露天礦，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021134）

在露天礦山治理工程中，邊坡的治理問題占有重要的地位，沉積地層的特點(diǎn)使得含有弱層的邊坡成了礦山建設(shè)中的棘手問題[1-3]。泥巖弱層的力學(xué)性質(zhì)通常較差，強(qiáng)度較小，對(duì)邊坡的上部巖土體穩(wěn)定性有著嚴(yán)重的影響[4]。同時(shí)在降雨條件下，隨著雨水入滲，坡內(nèi)土體含水率增加，孔隙水壓力上升，基質(zhì)吸力減小，膠結(jié)物質(zhì)受到侵蝕，抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步降低，甚至有可能在邊坡內(nèi)形成更加軟弱的弱層，進(jìn)一步降低邊坡的穩(wěn)定性，易產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象[5-6]。

邊坡穩(wěn)定性極易受到外界氣候的影響，尤其是大氣降雨，導(dǎo)致大量邊坡滑坡失穩(wěn)事故都發(fā)生在降雨天氣[7-8]。目前有關(guān)水對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的研究基本都集中在水壓力作用上，因?yàn)樗畨毫δ軌蚴乖景l(fā)育不完全的裂隙發(fā)生持續(xù)的受壓張裂，加劇巖體的不完整性，可見水壓力對(duì)邊坡穩(wěn)定性有著不可忽視的影響。王述紅等[9]研究了淺層強(qiáng)透水的雙層土質(zhì)邊坡降雨滲流特征，通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)2 種類型的土進(jìn)行了建模分析，根據(jù)土體內(nèi)的基質(zhì)吸力情況研究了飽和與不飽和區(qū)域的影響。在關(guān)于降雨影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的問題上也有了很多相關(guān)研究，胡靜云[10]針對(duì)某螢石露天礦受到強(qiáng)降雨停產(chǎn)這一問題，采取了臨滑體表面位移監(jiān)測、滑裂面工勘、強(qiáng)風(fēng)化巖室內(nèi)物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)、應(yīng)急剝離臨時(shí)境界設(shè)計(jì)與剝離施工等應(yīng)急治理措施。

然而目前在研究水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響問題時(shí)，基本都是集中在研究孔隙水壓力的影響上，對(duì)巖體遇水軟化這一問題的考慮并不夠充分，未能將孔隙水壓力的影響與巖體遇水軟化相結(jié)合，并在邊坡穩(wěn)定性研究中進(jìn)行分析。水對(duì)泥巖的弱化作用是十分明顯的，泥巖內(nèi)含水量的增加加劇了泥化程度，而且開采活動(dòng)造成的卸荷效果也會(huì)給泥巖的蠕滑變形帶來促進(jìn)作用。如張彧等[11]通過實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出了鹽漬土的含水量和抗剪強(qiáng)度變化關(guān)系函數(shù)，建立了簡化的路基含水量-強(qiáng)度參數(shù)等值分層計(jì)算模型，利用GeoStudio 中SLOPE/W 模塊對(duì)鹽漬土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，該研究僅為巖體遇水后的強(qiáng)度變化對(duì)穩(wěn)定性影響，而未結(jié)合孔隙水壓力進(jìn)行研究。

結(jié)合上述研究發(fā)現(xiàn)，目前大多數(shù)針對(duì)邊坡水體對(duì)穩(wěn)定性影響的研究中，均未能實(shí)現(xiàn)對(duì)孔隙水壓力作用和軟巖遇水后強(qiáng)度弱化的全面綜合研究。在FLAC3D軟件中，可以通過對(duì)巖體賦值來進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的分析，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)孔隙水壓力的耦合分析，并模擬出邊坡的宏觀變形及失穩(wěn)模式[12-13]。

1 基于極限平衡理論的穩(wěn)定性計(jì)算方法

1.1 含水邊坡滑移理論模型

在露天煤礦的沉積巖巖層中，往往會(huì)存在著滲透性極差的泥巖弱層，潛在滑移面的下部一般都是出現(xiàn)在泥巖弱層與相對(duì)較硬下部巖層的接觸位置，同時(shí)，因?yàn)槟鄮r滲透性差的這一性質(zhì)，使得降雨后形成的浸潤線位于泥巖弱層上方，從而對(duì)滑移條塊的底部產(chǎn)生弱化作用。含水邊坡滑移示意圖如圖1。

圖1 含水邊坡滑移示意圖

圖中：Wi為條塊的重力，kN；Ti、Ti+1為豎直面上的剪切反力，kN；Ei，Ei+1為豎直面上的水平反力，kN；αi為條塊底面中點(diǎn)處的傾角，（°）；li為條塊的底部弧長，m；Ui為底滑面上的平均壓強(qiáng)，kPa；Si、Ni為底滑面上的剪切及垂直反力，kN。

1.2 含水邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算方法

將圓弧滑面進(jìn)行分條，邊坡的安全系數(shù)Fs計(jì)算公式為：

式中：c 為轉(zhuǎn)動(dòng)滑面上的單位黏聚力，kPa；φ 為轉(zhuǎn)動(dòng)滑面上的內(nèi)摩擦角，（°）。

簡化Bishop 法中Ei-Ei+1=0，分析其受力狀態(tài)，由此可以得到每個(gè)條塊受力的平衡狀態(tài)為：

式中：Fsi為i 各條塊的安全系數(shù)。

令Ti-Ti+1=0，得到轉(zhuǎn)動(dòng)滑移范圍的安全系數(shù)Fs的Bishop 簡化計(jì)算式：

由式（4）可見，滑面位置巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角決定了安全系數(shù)的值，而飽水的極限理想黏土的內(nèi)摩擦角為0，因此式（4）可簡化為：

由此可見水會(huì)對(duì)黏性土抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ 產(chǎn)生極大的減弱作用[14]，且在式（4）中可以發(fā)現(xiàn)同時(shí)增加水壓力Ui，能夠明顯降低安全系數(shù)的值，從而影響邊坡穩(wěn)定性。所以水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響是從降低巖體力學(xué)強(qiáng)度和增加水壓力2 個(gè)方面產(chǎn)生作用的。

3 東幫的FLAC3D 模擬分析

3.1 各巖層的性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)

1）地層的原巖力學(xué)參數(shù)。研究對(duì)象為伊敏露天礦東幫采掘結(jié)束后未排土?xí)r的最終邊幫狀態(tài)，邊坡所含巖層主要有雜黏土、泥巖、泥質(zhì)粉砂、砂礫石、粉細(xì)砂、砂巖。東幫各巖層的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 東幫各巖層的力學(xué)參數(shù)

2）泥巖層遇水弱化后的強(qiáng)度。其中泥巖層作為邊坡體中的相對(duì)弱層，其強(qiáng)度參數(shù)受到水的影響也最大，飽水后的黏聚力c 衰減到59.28×104kPa，內(nèi)摩擦角φ 衰減到15.69°。因此在進(jìn)行對(duì)孔隙水壓力作用和軟巖遇水后強(qiáng)度弱化作用的綜合研究時(shí)，可作為重點(diǎn)研究對(duì)象加以分析。

3.2 FLAC3D 中復(fù)雜水體的流固耦合方法

1）流固耦合參數(shù)賦值流程。FLAC3D軟件需要先將實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再對(duì)劃分出來的每個(gè)單元體進(jìn)行賦值、計(jì)算?；诖丝梢酝ㄟ^單元遍歷的方法將飽水單元體和無水單元體區(qū)分開來，對(duì)飽水單元體進(jìn)行特定的參數(shù)賦值，增加對(duì)巖體遇水后強(qiáng)度弱化問題的考慮，來提高計(jì)算結(jié)果的真實(shí)度。將地層中的泥巖弱層作為研究對(duì)象，單獨(dú)研究其飽水狀態(tài)所帶來的強(qiáng)度變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，流固耦合參數(shù)賦值流程如圖2。

圖2 流固耦合參數(shù)賦值流程

2）FLAC3D流固耦合參數(shù)賦值實(shí)現(xiàn)方法。賦值過程進(jìn)行了2 次條件判斷，分別是弱層分組與飽水狀態(tài)的判斷。當(dāng)分組為弱層時(shí)，繼續(xù)下一步的孔隙水壓力判斷，進(jìn)行飽和與干燥強(qiáng)度參數(shù)的賦值，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飽水弱層巖土體的精準(zhǔn)賦值。當(dāng)分組為其他巖層時(shí)，則直接賦予相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)。飽和強(qiáng)度參數(shù)的賦值是通過自編fish 程序?qū)崿F(xiàn)的，編程思路為：判斷弱層的單元體水壓力是否為0，將水壓力不為0 的單元體放入一個(gè)全新的分組內(nèi)，最后對(duì)該分組進(jìn)行重新賦值。

3.3 FLAC3D 建模及模擬計(jì)算

3.3.1 FLAC3D流固耦合模型

根據(jù)平盤的標(biāo)高，邊坡整體上可以劃分為地表的674 m 水平及下部的662、650、638、626、614、602 m 水平共7 個(gè)水平。為了在FLAC3D中進(jìn)行建模分析水體產(chǎn)生的孔隙水壓力作用和對(duì)軟巖的強(qiáng)度弱化作用，利用seep 模塊求解強(qiáng)降雨時(shí)的邊坡體內(nèi)水位線分布情況，選取降雨強(qiáng)度為暴雨時(shí)的極限降水量80 mm/d。從seep 模塊水位線求解結(jié)果（圖略）中可以看出利用seep 模塊模擬出的水位線分布結(jié)果比較復(fù)雜，并非單一的1 條水位線，也正是因此使得利用FLAC3D軟件進(jìn)行耦合分析時(shí)，僅通過代碼難以進(jìn)行非常貼合的模擬。所以通過外部建模導(dǎo)入的方式，同時(shí)結(jié)合水位線圈中的所述代碼，實(shí)現(xiàn)較為全面的耦合分析，得到模型邊坡體中的復(fù)雜水位線（圖略）。

3.3.2 FLAC3D模型計(jì)算結(jié)果

得到的邊坡內(nèi)孔隙水壓力分布情況如圖3。含孔隙水壓力的區(qū)域主要分為2 部分，分別是低滲透性泥巖上部的滯水區(qū)以及下部的均勻水壓力分布區(qū)。水體耦合后對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響圖4。

圖3 水體耦合后邊坡內(nèi)孔隙水壓力分布情況

東幫邊坡不含水的計(jì)算結(jié)果如圖4（a），利用圖4 中求解得到的水壓力分布情況求得水體耦合后的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖4（b），該計(jì)算結(jié)果展示的是東幫邊坡體的x 方向位移，并將兩種狀態(tài)的位移值調(diào)整為相同的云階同時(shí)展示。

圖4 水體耦合后對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

3.3.3 模擬分析

根據(jù)圖4 中的位移計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在沒有水的影響時(shí)，邊坡產(chǎn)生較大位移的位置僅在662 m水平和650 m 水平（2 個(gè)臺(tái)階的巖性主要為泥巖），而且向下部延伸的范圍很小。然而當(dāng)水體單元耦合后，邊坡坡面出現(xiàn)了很大范圍的位移，從最高的674 m 水平一直延伸到下部的602 m 水平，可見降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響是整體性的，而且會(huì)加劇局部危險(xiǎn)臺(tái)階的滑坡風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)邊坡上的最大位移臺(tái)階依然是巖性為泥巖的662 m 水平，但是最大位移量增加了近0.2 m。無水狀態(tài)下的東幫使用強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的安全系數(shù)為1.965，當(dāng)水體耦合后，安全系數(shù)降到了1.512，降低了18 %，可見水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響是很大的。因此在發(fā)生強(qiáng)降雨時(shí)，應(yīng)該著重關(guān)注邊坡的位移監(jiān)測，防止出現(xiàn)滑坡事故。

4 結(jié)語

1）通過總結(jié)當(dāng)前含水體邊坡穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀，總結(jié)出了目前只單獨(dú)研究孔隙水壓力的局限性和弊端，由此提出了水體對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響是通過產(chǎn)生的孔隙水壓力作用和對(duì)軟巖的強(qiáng)度弱化作用共同實(shí)現(xiàn)的。

2）通過分析和推導(dǎo)邊坡的安全系數(shù)計(jì)算公式發(fā)現(xiàn)，水對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響主要是通過增加水壓力和降低巖體強(qiáng)度參數(shù)來進(jìn)行的，與研究探討的假設(shè)一致。

3）通過使用FLAC3D軟件，提出了一種新的水體單元耦合方法。該方法能夠快速的耦合復(fù)雜形狀的水體單元，使得模擬結(jié)果與實(shí)際更為貼切，降低了模擬的誤差，并能夠通過自編代碼實(shí)現(xiàn)了對(duì)含水巖體的弱化強(qiáng)度參數(shù)單獨(dú)賦值。

4）在FLAC3D數(shù)值分析軟件中，x 方向位移云圖展現(xiàn)出了強(qiáng)降雨對(duì)東幫邊坡位移特征的影響，由無水狀態(tài)下的局部臺(tái)階變形轉(zhuǎn)變成了由上至下的大范圍滑移變形。