撫順西露天礦北幫“7·25”滑坡數(shù)值反演分析

樊赟赟，劉孝龍

（東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110004）

露天礦邊坡在地震、降雨等觸發(fā)條件下，可能會(huì)發(fā)生邊坡失穩(wěn)問題，進(jìn)而嚴(yán)重的威脅著礦山的生產(chǎn)和安全[1]。其中降雨是觸發(fā)露天礦邊坡失穩(wěn)的1項(xiàng)重要因素。入滲的降雨通過改變邊坡滲流場(chǎng)、巖土體的物理和力學(xué)性質(zhì)等方式影響著邊坡的穩(wěn)定性[2]。在我國(guó)暴雨后露天礦邊坡發(fā)生滑坡與泥石流的案例時(shí)有發(fā)生[3]，因而對(duì)露天礦邊坡在降雨條件下進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)十分必要。

學(xué)者們以不同的方式對(duì)降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。徐全等采用飽和-非飽和滲流理論，對(duì)土體滲透性及降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡安全系數(shù)影響的分析研究[4]；張我華等運(yùn)用現(xiàn)代非線性分析的突變論方法研究降雨裂縫滲透影響下山體邊坡可能發(fā)生突發(fā)性失穩(wěn)和漸進(jìn)演化性失穩(wěn)滑坡的機(jī)理、突發(fā)性滑坡災(zāi)變機(jī)理、以及災(zāi)變累積性演化機(jī)理的研究[5]；王一兆等對(duì)降雨和停雨期間孔隙水壓力對(duì)淺層邊坡滑動(dòng)面影響的分析研究[6]；陳國(guó)國(guó)等對(duì)降雨引發(fā)孔隙水壓力瞬態(tài)分布及基質(zhì)吸力變化影響[7]進(jìn)行了研究；翁新海等對(duì)降雨誘發(fā)滑坡機(jī)制[8]進(jìn)行了研究。在試驗(yàn)研究方面，林鴻州等通過試驗(yàn)得到了降雨歷時(shí)和雨強(qiáng)對(duì)孔隙水的影響，研究了與之對(duì)應(yīng)邊坡的破壞模式[9]；劉福明等通過相似模型試驗(yàn)分析邊坡表面壓實(shí)區(qū)對(duì)雨水入滲的影響[10]；潘皇宋等采用離心模型試驗(yàn)，研究降雨對(duì)特定形狀破壞面邊坡的影響[11]；范秋雁等通過連續(xù)降雨實(shí)驗(yàn)，研究邊坡的響應(yīng)特征[12]；李龍起等通過不同降雨類型及支護(hù)條件下順層邊坡的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，分析雨水入滲對(duì)坡體位移、孔壓以及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響[13]。在數(shù)值模擬研究方面，張磊等從降雨入滲下顆粒運(yùn)移的角度分析降雨潛蝕和入滲相互作用下邊坡穩(wěn)定性的變化情況[14]；王柳江等利用有限元法從降雨入滲和降雨引起應(yīng)力變化的角度分析邊坡在滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)作用下的邊坡穩(wěn)定性[15]；王協(xié)群等從降雨條件下強(qiáng)度和變形參數(shù)變化的角度分析降雨入滲深度對(duì)非飽和路堤穩(wěn)定性和滑動(dòng)面變化特征的影響規(guī)律[16]；劉洋等從水分運(yùn)移規(guī)律的角度，研究降雨強(qiáng)度、水分?jǐn)U散率以及導(dǎo)水率變化對(duì)邊坡水分運(yùn)移的影響[17]；戚國(guó)慶等通過模擬邊坡降雨入滲過程中基質(zhì)吸力的變化、暫態(tài)飽和區(qū)的形成、發(fā)展以及暫態(tài)水壓力的分布和變化[18]；Asano Y等進(jìn)一步發(fā)展出降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的優(yōu)化模擬方法等[19]。近年來，多種方法相結(jié)合的方式成為研究降雨條件下邊坡穩(wěn)定的重要的方向[20]。

對(duì)撫順西露天礦北幫“7·25”滑坡進(jìn)行了反演計(jì)算，以分析滑坡特征和校準(zhǔn)計(jì)算參數(shù)。在此基礎(chǔ)上研究排水條件和巖石風(fēng)化破碎帶深度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，所得到的結(jié)果可為類似邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定性分析提供參考與借鑒。

1 工程概況

西露天礦是撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司下屬分公司，位于撫順煤田西部、渾河南岸和千臺(tái)山北麓。露天礦北幫地層條件較為復(fù)雜，沖積層沿北幫頂部臺(tái)階連續(xù)出露，出露標(biāo)高為+58～+62m，最大厚度35 m，平均厚17m。沖積層下部為下白堊系龍鳳坎組巖石，分布于F1至F1a斷層之間，由玄武巖、白堊系砂巖、砂頁巖組成；再往下為綠色泥巖、褐色頁巖及油頁巖層；最下部為煤層。除了地層復(fù)雜，北幫的地質(zhì)構(gòu)造表現(xiàn)也比較突出，主要是F1與F1a斷層，F(xiàn)1斷層走向NE80°，傾向北西，傾角47°～52°，上盤為白堊系龍鳳坎組地層，下盤為第三系煤系地層；F1a斷層走向NE80°～85°，傾向北西，傾角70°～75°，上盤為太古界鞍山群的花崗片麻巖，下盤為白堊系破碎砂巖；在F1與F1a之間還有次級(jí)斷層F1-1、F1-2，斷層走向傾向與F1大致相同。砂巖破碎帶寬20～30m，發(fā)育有斷層泥、角礫巖等。北幫的水文地質(zhì)條件較為不利，北幫沖積層與渾河河床相鄰，含水層連續(xù)分布，北幫沖積層底板低于渾河常年水位3～13m，礦坑距渾河最近距離1000m，與渾河水力聯(lián)系密切，直接受渾河補(bǔ)給水源。另外，北幫上部的發(fā)電廠、石油一廠、水泥廠等企業(yè)和周邊居民也以明溝暗渠將工業(yè)、生活污水排入沖積層中，沿基巖接觸面滲出或越流補(bǔ)給下部F1a至F1斷層之間基巖和斷層破碎帶[21]。

2016年7月25日晚，撫順地區(qū)遭遇了降雨量近200mm的50年一遇的暴雨，次日早西露天礦北幫發(fā)生局部滑坡。滑坡后緣位置標(biāo)高+75m，前緣剪出位置位于12段下部臺(tái)階，標(biāo)高為-25m附近，高差約110m，南北方向水平距離300m，東西邊界分別在E800和E1300附近，東西寬約500m，影響了東露天電鐵內(nèi)排和西露天礦東區(qū)上部排土，嚴(yán)重妨礙了采區(qū)正常生產(chǎn)[22]。

2 數(shù)值模型建立

根據(jù)西露天礦北幫東側(cè)邊坡實(shí)際工程地質(zhì)條件和2016年滑坡相關(guān)信息，選取位于滑坡區(qū)域中間位置具有代表性的北幫東區(qū)E1000剖面進(jìn)行數(shù)值建模分析，撫順西露天礦北幫“7·25”滑坡剖面如圖1。

圖1 撫順西露天礦北幫“7·25”滑坡剖面圖Fig.1 Section of the“7·25”landslide in the north side of Fushun West Open-pit Mine

計(jì)算模型邊坡高225m，高程為-150m至+75 m，水平距離655m，范圍為N745到N1400。模型的選取長(zhǎng)度包含了滑坡的發(fā)生區(qū)域及破壞后的堆積區(qū)域，考慮到巖石風(fēng)化破碎對(duì)巖石的強(qiáng)度以及滲透性有著顯著影響，所以劃定50m的巖石風(fēng)化破碎層[22]。

根據(jù)計(jì)算區(qū)域的地質(zhì)情況，其中綠色泥巖和褐色頁巖部分裸露在地表，巖石完整性較差且破壞較為嚴(yán)重。F1及F1a斷層之間部分砂巖裸露在地表，風(fēng)化破碎也較為嚴(yán)重，巖石完整性較差，透水性較好。巖土材料計(jì)算參數(shù)見表1[23-26]。

表1 巖土材料計(jì)算參數(shù)表Table1 Calculation parameters table of geomaterials

在滲流場(chǎng)的計(jì)算模擬中，為與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)水位相符，將邊坡的表面設(shè)定為入滲流量邊界，右側(cè)為流量補(bǔ)給邊界，底面為不透水邊界。E1000剖面在標(biāo)高-40m附近設(shè)置有排水管，用于控制地下水位，將排水設(shè)置為零壓力排水邊界。撫順西露天礦北幫滑坡剖面模型如圖2。

圖2 撫順西露天礦北幫滑坡剖面模型Fig.2 Section model of the landslide on the north side of Fushun West Open-pit Mine

3 計(jì)算結(jié)果分析

在已有資料中并未給出右側(cè)邊界的流量，但給出了地下初始水位[27]，應(yīng)用軟件Geo-Studio中Seep模塊通過反演計(jì)算得到與實(shí)際初始水位線相符的流量作為邊界，所得到的初始邊坡滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖3。

圖3 初始邊坡滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果Fig.3 Numerical result of initial slope seepage field

由圖3可以看出，計(jì)算的水位線與實(shí)際的水位線僅在排水管端存在一定的差異，這與排水管的工作狀態(tài)及計(jì)算的簡(jiǎn)化有一定關(guān)系，但整體上水位線的模擬吻合情況良好，可以認(rèn)為初始滲流場(chǎng)的計(jì)算是正確和有效的。

在初始滲流場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用Seep模塊模擬在降雨條件下的邊坡滲流場(chǎng)，降雨強(qiáng)度設(shè)置為與實(shí)際相符的25mm/h，并用Slope模塊計(jì)算在不同降雨歷時(shí)條件下的安全系數(shù)。不同極限平衡方法計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同極限平衡方法計(jì)算結(jié)果表Table2 Calculation results obtained by different limit equilibrium methods

由表2可見，各方法的計(jì)算結(jié)果存在一定的差異，其中Bishop法計(jì)算的安全系數(shù)偏高，Ordinary和Janbu法計(jì)算得到的安全系數(shù)則偏低，而M-P計(jì)算的結(jié)果則與實(shí)際的失穩(wěn)時(shí)間（8h）相吻合。相比其他幾種計(jì)算方法，M-P法考慮了力與力矩的平衡，適用于任意滑動(dòng)面安全系數(shù)的計(jì)算，是一種在理論上更加嚴(yán)格的極限平衡計(jì)算方法。對(duì)于本項(xiàng)工程而言具有更強(qiáng)的適用性，基于M-P方法的計(jì)算結(jié)果不僅在邊坡失穩(wěn)時(shí)間上與實(shí)際情況相符，其得到的計(jì)算滑動(dòng)面也與實(shí)際的滑動(dòng)面吻合良好，邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)面計(jì)算結(jié)果如圖4。

圖4 邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)面計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation result of the sliding surface

從反演結(jié)果來看，雖然由于模型簡(jiǎn)化和理論假定所限，計(jì)算條件不能完全與現(xiàn)實(shí)一致。但在計(jì)算中所得到的初始浸潤(rùn)面、邊坡失穩(wěn)時(shí)間和滑動(dòng)面等重要信息均與實(shí)際吻合良好，從而說明了計(jì)算是正確而有效的。

雖然在大暴雨條件下?lián)犴樜髀短斓V北幫發(fā)生了“7·25”滑坡，但前期的一些工程措施在一定程度上也對(duì)邊坡穩(wěn)定性起到了積極作用，例如邊坡排水管的設(shè)置便有效的降低了地下水的水位線，若排水失效顯然會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利的影響。為探討排水的作用，通過計(jì)算得到排水失效條件下的邊坡滲流場(chǎng)，排水失效條件下的邊坡滲流場(chǎng)如圖5。

圖5 排水失效條件下的邊坡滲流場(chǎng)Fig.5 Slope seepage field under drainage failure condition

由圖5可以看到，在排水失效的條件下，水位線有了顯著的上升，從-42m附近上升到-25m附近，這對(duì)邊坡的穩(wěn)定性是極為不利的，在降雨的條件下水位線上升將會(huì)導(dǎo)致邊坡快速失穩(wěn)。基于M-P方法排水失效條件下邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)面計(jì)算結(jié)果如圖6，邊坡安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)變化曲線分別如圖7。

圖6 排水失效條件下邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)面計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation results of the sliding surface under drainage failure condition

圖7 邊坡安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)變化曲線Fig.7 Curves of slope safety factor changing with rainfall duration

從計(jì)算結(jié)果可見，盡管與排水有效時(shí)的滑動(dòng)面相比排水失效時(shí)的變化不大，但若排水失效，則邊坡的初始安全系數(shù)便已經(jīng)有所降低，隨著降雨的發(fā)展，邊坡將在降雨5h左右的時(shí)間失穩(wěn)，相比排水有效的條件，失穩(wěn)時(shí)間將提前3h。

由于滑坡區(qū)后緣沿F1斷層破碎帶出現(xiàn)數(shù)條東西走向拉裂縫[22]，控制邊坡失穩(wěn)的后緣位置基本確定，由風(fēng)化和卸荷等作用產(chǎn)生的綠色泥巖和褐色頁巖互層破碎帶便成為控制邊坡穩(wěn)定性的另一重要因素。為分析風(fēng)化破碎帶深度對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，在相同的初始滲流場(chǎng)條件下，利用M-P方法計(jì)算不同風(fēng)化破碎深度條件下的邊坡穩(wěn)定性，風(fēng)化破碎深度對(duì)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響曲線如圖8。

圖8 風(fēng)化破碎深度對(duì)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響曲線Fig.8 Influence curves of the depth of weathering fracture zone on the safety factor of slope stability

由圖8可以看到，隨著風(fēng)化破碎深度的增加，邊坡的安全系數(shù)迅速下降，當(dāng)風(fēng)化破碎深度達(dá)到50m及以上時(shí)，風(fēng)化破碎帶深度對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)影響的敏感性降低。計(jì)算結(jié)果表明，受到多種因素影響與制約的風(fēng)化破碎深度是決定邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，絕不能忽視其動(dòng)態(tài)變化的特征，需要采用現(xiàn)代測(cè)量手段加強(qiáng)對(duì)其的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

4 結(jié) 語

撫順西露天礦北幫“7·25”滑坡滲流及失穩(wěn)的反演結(jié)果與實(shí)際相符，驗(yàn)證了計(jì)算的正確和有效；排水是降低水位的有效措施，一旦失效將降低邊坡穩(wěn)定性并加速邊坡失穩(wěn)，應(yīng)重視對(duì)排水的定期檢修；在露天開采過程中風(fēng)化破碎帶可能是動(dòng)態(tài)變化的，應(yīng)通過加強(qiáng)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡的動(dòng)態(tài)安全評(píng)價(jià)。