基于Geo-Studio的某邊坡穩(wěn)定性分析

周忠志　陳換換

摘 要：本文以準東露天煤礦首采區(qū)非工作幫軟弱煤層底板邊坡作為研究對象，通過分析該礦區(qū)工程地質(zhì)條件和邊坡特征，得出堆土高度為0 m、20 m、40 m、60 m、80 m、100 m和120 m七種工況的等效附加荷載值。采用二維有限元數(shù)值模擬軟件Geo-Studio對不同工況進行模擬分析，結(jié)果表明，在坡頂排土場堆積土體高度不斷增加的情況下，在非工作幫470 m平臺以上的坡體剪應(yīng)力集中嚴重，邊坡失穩(wěn)的可能性增大，得出坡頂堆載對影響軟弱煤層底板邊坡失穩(wěn)的規(guī)律，對準東煤礦非工作幫邊坡做出科學(xué)評價。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力應(yīng)變分析;邊坡穩(wěn)定性;穩(wěn)定系數(shù);Geo-Studio

中圖分類號：TU457 ? ? 文獻標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）3-0063-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.015

Analysison Stability of Slope Based on Geo-Studio Software

ZHOU Zhongzhi? ? CHEN Huanhuan

（1.Qingdao Housing Security Center，Qingdao 266000，China;2.Qingdao Real Estate Registry，Qingdao 266000，China）

Abstract：In this paper， the floor slope of non working side weak coal seam in the first mining area of Zhundong open pit coal mine is taken as the research object. By analyzing the engineering geological conditions and slope characteristics of the mining area， the equivalent additional load values of seven working conditions with soil stacking heights of 0 m， 20 m， 40 m， 60 m， 80 m， 100 m and 120 m are obtained. The two-dimensional finite element numerical simulation software Geo-Studio is used to simulate and analyze different working conditions. The results show that with the increasing height of the accumulated soil in the slope top dump， the shear stress concentration of the slope above the 470 m platform of the non working slope is serious， and the possibility of slope instability is increased. The law of slope top surcharge affecting the slope instability of the floor of weak coal seam is obtained， The non working slope of Zhundong coal mine is scientifically evaluated.

Keywords：stressstrainanalysis;slopestability;safetyfactor;Geo-Studio

0 引言

20世紀，許多露天礦煤礦主急于取得經(jīng)濟效益，并且相關(guān)規(guī)劃設(shè)計人員不顧及煤礦長遠發(fā)展，因此，部分露天礦存在設(shè)計上的不合理。其中，以排土場緊鄰露天礦邊坡問題最為突出。隨著露天礦開采量的日益增長，排土場上堆積的排棄物逐漸增多，緊鄰排土場的坡體下滑力增大，邊坡失穩(wěn)的可能性上升，從而增大滑坡災(zāi)害的可能性。因此，研究坡頂堆載對邊坡穩(wěn)定性的影響具有重大意義[1-4]。

本文以準東露天煤礦首采區(qū)非工作幫邊坡為例，在分析邊坡巖土體力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，采用Geo-Studio軟件中的模擬分析，得到坡體在不同高度的坡頂堆載作用下剪應(yīng)力云圖，從而得出了邊坡失穩(wěn)的內(nèi)因[5-7]。再通過Geo-Studio軟件對非工作幫邊坡進行穩(wěn)定性分析，計算得到坡體在不同高度的坡頂堆載作用下的穩(wěn)定系數(shù)，得出引起邊坡失穩(wěn)時的極限堆積土體高度[8-10]。為準東露天煤礦的邊坡治理提供理論依據(jù)，并提出具體的預(yù)防和治理措施。

1 工程地質(zhì)條件

準東露天煤礦位于新疆維吾爾自治區(qū)吉木薩爾縣，距吉木薩爾縣的距離為130 km，距離烏魯木齊市的距離為220 km[11]。礦區(qū)處于準噶爾盆地腹地內(nèi)，地貌類型主要以沖積湖平原、剝蝕殘余丘陵、風(fēng)積沙漠和剝蝕波狀平原為主。礦區(qū)年平均降水量為106 mm，年蒸發(fā)量為1 202～2 382 mm，5—8月偶有雷陣雨，冬季積雪稀少。區(qū)內(nèi)常年多風(fēng)，風(fēng)力一般為4～5級，經(jīng)常有7～8級大風(fēng)，最大可達10級，多以西北風(fēng)為主。降雨量稀少，屬于大陸性沙漠氣候[12-13]。

首采區(qū)現(xiàn)狀：露天坑南北向長約為2.2 km，東西向?qū)捈s為1.4 km。準東露天煤礦首采區(qū)的西側(cè)為工作幫，在工作幫上設(shè)計臺階。其中，542 m水平以上，臺階高度為10 m;542 m水平以下，臺階高度為16 m。非工作幫不設(shè)計臺階，邊坡角為8～13°，首采區(qū)最大采深320 m。本文的研究對象為準東露天煤礦非工作幫邊坡，經(jīng)過不斷露天開采之后，首采區(qū)的Bm煤層已經(jīng)得到充足開采，非工作幫邊坡即經(jīng)已開挖完煤層之后得到的Bm煤底板，主要是以泥巖為主，厚度僅為0.5～5 m。

2 應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值模擬分析

為了更好展現(xiàn)坡體在不同高度的堆積土體作用下應(yīng)力應(yīng)變變化，采用二維有限元模擬軟件Geo-Studio中的SIGMA/W模塊進行模擬，得到坡體剪應(yīng)力場的變化特征。

2.1 計算參數(shù)的選取

計算參數(shù)主要來源于神華新疆公司提供的《新疆準東煤田-吉木薩爾縣五彩灣礦的勘探報告》，見表1。

2.2 計算工況的確定

通過實地踏勘，排土場堆積物以碎石、開采的煤層塊和煤砂泥巖為主，計算得出土體容重為25 kN/m，在進行模擬分析時，視為堆積物近似均勻地分布于排土場上。依據(jù)準東煤田五彩灣礦區(qū)三號露天煤礦一期工程設(shè)計，排土場設(shè)計最大堆土高度為120 m，分析時取堆土高度為0 m、20 m、40 m、60 m、80 m、100 m和120 m，得到了不同高度下坡頂堆載的等效附加荷載值，見表2。

2.3 建立模型

因為研究對象為非工作幫邊坡即，經(jīng)已開挖完煤層之后得到的Bm煤底板，主要以泥巖為主，在建模型時僅考慮了泥巖層。依據(jù)研究對象底部X、Y方向無位移，左側(cè)和右側(cè)X方向無位移，Y方向可自由移動，定義研究對象邊界條件，建立模型。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

為了研究坡體在不同高度的堆積土體作用下的變化特征和穩(wěn)定性發(fā)展趨勢，同時考慮滑坡發(fā)生的潛在模式，模擬堆土高度為0 m、60 m、120 m時三種工況下的剪應(yīng)力云圖，如圖1至圖3所示。

在坡頂排土場堆積土體高度不斷增加的過程中，坡頂、便道493 m臺階和首采區(qū)坑底位置出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著每增加20 m高堆積土體，坡頂處的剪應(yīng)力值由50 kPa增加到400 kPa;便道493 m臺階位置剪應(yīng)力值由100 kPa增加到150 kPa;首采區(qū)坑底位置處的剪應(yīng)力值由200 kPa增加到250 kPa。應(yīng)力集中現(xiàn)象在坡頂位置處最為明顯。因此，隨著排土場堆積土體高度的增加，在470 m平臺以上的邊坡極易發(fā)生失穩(wěn)。

通過以上SIGMA/W模塊對坡體進行應(yīng)力應(yīng)變的模擬分析得到：坡頂排土場堆積土體荷載主要引起470 m臺階以上坡體應(yīng)力集中嚴重和應(yīng)變明顯增大，造成上部土體的滑動變形，從而擠壓下部坡體產(chǎn)生變形而失穩(wěn)，從滑坡受力類型分析，屬于后推式滑坡。

3 穩(wěn)定性計算及結(jié)果分析

按照《巖土工程勘察規(guī)范》取Fs=1.20作為邊坡安全系數(shù)的參考值。為了更加明確邊坡在不同高度堆積土體下穩(wěn)定狀況，再采用SLOPE/W模塊進行穩(wěn)定性計算，分別得到7種不同堆積高度下的安全系數(shù)，為1.339、1.314、1.275、1.238、1.110、1.014、0.971，整理得到穩(wěn)定系數(shù)曲線圖，如圖4所示。

從圖4可以得出，坡體在堆積土體為0 m時的穩(wěn)定系數(shù)時1.339，與選定的邊坡安全系數(shù)的參考值Fs=1.20比較，坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著坡頂堆積土體高度由20 m增加到120 m后，坡體的穩(wěn)定系數(shù)由1.314下降到0.971。通過分析可以得到，隨著坡頂排土場堆積土體高度的不斷增加，坡體的穩(wěn)定性系數(shù)與土體堆積高度呈負相關(guān)，即堆積土體高度增加時坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)隨之減小。

在坡頂排土場堆積土體的高度低于60 m時，坡頂排土場堆積土體對邊坡穩(wěn)定性影響較小。如在堆積土體高度為20 m時，經(jīng)與0 m時的邊坡進行分析對比研究，發(fā)現(xiàn)此種工況下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)與0 m下基本相同。在堆積土體高度由20 m到60 m逐漸增大的過程中，邊坡穩(wěn)定系數(shù)雖然在逐漸降低，但都是高于選定的邊坡安全系數(shù)的參考值Fs=1.20，表明坡體在穩(wěn)定狀態(tài)。分析得出原因，在堆積土體未達到一定高度時，邊坡的失穩(wěn)與坡頂排土場堆積土體相關(guān)性較小，其他影響因素在對邊坡的穩(wěn)定性起主要作用，如開采爆破震動和軟弱夾層。在坡頂排土場堆積土體高度由60 m增大80 m時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)由1.238快速下降到1.110，低于選定的邊坡安全系數(shù)參考值Fs=1.20，坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)土體堆積高度增大到80 m時，整個邊坡的滑面上移，造成滑體由坡體的中部滑出。分析得出原因，滑面的上移造成了抗滑力降低，滑體由坡體中部剪出，此時坡頂排土場堆積土體對邊坡失穩(wěn)起到主要作用。

隨著坡頂排土場土體堆積高度的增大，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)不斷降低，兩者是負相關(guān)。并且可以看出，在堆積土體的高度為0～60 m時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)下降幅度較小;當(dāng)堆積土體高度由60 m增加到80 m時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)下降幅度較大，并且已經(jīng)低于選定的邊坡安全系數(shù)參考值Fs=1.20。分析其原因，隨著坡頂排土場堆積高度的增加，滑面明顯上移，坡頂荷載直接將滑體由邊坡中部壓出，此時，滑體上下滑力增大，抗滑力減小。

4 結(jié)語

采用SIGMA/W和SLOPE/W模塊相結(jié)合的數(shù)值模擬手段，從剪應(yīng)力場和穩(wěn)定系數(shù)對坡體穩(wěn)定性進行研究，結(jié)果表明。

①坡頂排土場堆積土體荷載主要引起470 m臺階以上坡體應(yīng)力集中嚴重和應(yīng)變明顯增大，造成上部土體的滑動變形擠壓下部坡體產(chǎn)生變形而失穩(wěn)，屬于后推式滑坡。

②隨著坡頂排土場堆積土體高度的增加，造成邊坡穩(wěn)定系數(shù)從1.339減小到0.971，穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，邊坡失穩(wěn)的趨勢可能性增大。

③當(dāng)坡頂排土場堆積土體高度達到60 m時，穩(wěn)定系數(shù)已接近極限平衡值，當(dāng)達到80 m以上時，穩(wěn)定系數(shù)已經(jīng)低于選定的安全系數(shù)參考值Fs=1.20，因此，當(dāng)堆積高度達到60 m時，要預(yù)防邊坡失穩(wěn)的發(fā)生。

④因堆土荷載的存在，需要對準東露天煤礦非工作幫邊坡不穩(wěn)定的區(qū)域進行加固治理，通過布置抗滑樁進行加固處理，并引入監(jiān)測預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，對邊坡實時監(jiān)控。

參考文獻：

[1]丁參軍，張林洪，于國榮，等.邊坡穩(wěn)定性分析方法研究現(xiàn)狀與趨勢[J].水電能源科學(xué)，2011（8）：112-114.

[2]黃昌乾，丁恩保.邊坡工程常用穩(wěn)定性分析方法[J].水電站設(shè)計，1999（1）：53-58.

[3]李銀海.邊坡工程常用穩(wěn)定性分析方法[J].中國水運，2005（5）：94-95.

[4]李曉敏，宋靜.邊坡工程常用穩(wěn)定性分析方法綜述[J].巖土工程與地下工程，2011（3）：88-92.

[5]姜清輝，王笑海.三維邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析系統(tǒng)軟件SLOPE3D的設(shè)計及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003（7）：1121-1125.

[6]韋樓，蔣廷球.高邊坡穩(wěn)定性分析對比研究：簡化BISHOP法和簡化JANBU法[J].中國西部科技，2011（12）：8-10.

[7]曾繁文.基于GEO-SLOPE軟件對排土場邊坡穩(wěn)定性的分析[J].2013（2）：182-183.

[8] BREBBIA C A ，TELLES J C F ，WROBEL L C，Boundaryelementtechnique[J].BerlinHeidelbergNewYorkTokyo，1984.

[9]涂杰楠，李劍.Geo-Studio在黃土邊坡中的應(yīng)用[J].山西建筑，2007（35）：359-360.

[10]田洪寧，牛彥博，羅剛.滑坡穩(wěn)定性分析中Geo-studio軟件的應(yīng)用[J].2012（16）：32-33.

[11]陸衛(wèi)國.準東露天礦采場軟巖邊坡穩(wěn)定性研究[J].露天采礦技術(shù)，2010（5）：53-54.

[12]韓勇.準東露天礦排土場邊坡穩(wěn)定性分析研究[J].露天采礦技術(shù)，2010（5）：63-64.