基于UDEC的礦山開采區(qū)斜坡危險性評價

董建輝,李海軍,趙建軍,朱要強

(1.成都大學 建筑與土木工程學院，四川 成都 610106；2.中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610052；3.成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059；4.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，貴州 貴陽 550000)

0 引 言

我國是世界上地質(zhì)災害最為頻發(fā)的國家之一.20世紀中期以來，隨著人類活動范圍不斷的增大，誘發(fā)的地質(zhì)災害也越來越多.斜坡失穩(wěn)屬于地質(zhì)災害中的一種，斜坡失穩(wěn)往往會給國家和人民帶來巨大的災難和損失.貴州省地質(zhì)環(huán)境獨特，發(fā)育了大量的礦產(chǎn)資源，在開采這些資源的同時誘發(fā)了大量地質(zhì)災害，對當?shù)鼐用竦纳钤斐闪藝乐赜绊?

近年來，相關(guān)學者對滑坡災害風險評價展開了大量研究，例如：Tan等[1]提出了地理空間信息數(shù)量模型來評估滑坡的風險；Antronico等[2]對單體滑坡危險性評估的方法及理論進行了研究；徐繼維等[3]通過對地質(zhì)災害風險評估的現(xiàn)狀歸納總結(jié)，對風險的定義進行了系統(tǒng)描述；Mori等[4]提出了用一個概率框架來評估松散填充邊坡失穩(wěn)引起的滑坡跳動相關(guān)的危害；Jafarian等[5]利用土壤斜坡滑動位移的多元脆弱性分析來對滑坡災害進行評估；Ambrosi等[6]在缺乏詳細滑坡清單地圖的情況下，基于地球觀測數(shù)據(jù)對大區(qū)域進行滑坡危險性評估；Nedumpallile等[7]開發(fā)出極端降雨誘發(fā)滑坡指數(shù)的概率時間模型，進行滑坡危險性時間的評估；Motamedi等[8]提出了一種使用 Copula 建模技術(shù)進行區(qū)域尺度滑坡災害評估的新概率方法；Abdulwahid等[9]利用高分辨率機載激光掃描數(shù)據(jù)對多災害情景進行滑坡危險性評估；在滑坡危險性評估方法中，確定性方法提供了最好的滑坡災害定量信息，其中最重要的輸入?yún)?shù)之一是土壤深度，Jia等[10]使用基于統(tǒng)計的回歸分析來評估土壤深度，解決了大面積區(qū)域不能通過實地測量獲得土壤深度的問題；劉光旭等[11]以縣城為單元體，對全國滑坡災害風險進行了量化評價并研究了空間分布格局；Jia等[10]概述了在滑坡 災害繪圖中使用線條的方法，希望線路測繪能夠越來越多地納入滑坡災害評估；姜云等[12]應(yīng)用 GIS 技術(shù)對巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進行了研究；殷坤龍等[13]利用GIS技術(shù)，對滑坡災害空間劃分、風險評估的專業(yè)術(shù)語進行了深入探討，對滑坡災害信息分析系統(tǒng)做了二次開發(fā)；朱良峰等[14]把GIS技術(shù)應(yīng)用到全國滑坡災害的風險評估研究中；韓瑩瑩[15]、姜建偉[16]通過詳細的野外調(diào)查，采用室內(nèi)實驗與數(shù)值模擬分析相結(jié)合對邊坡的穩(wěn)定性和危險性進行了分析.

1 斜坡危險性評價理論

斜坡危險性分析，主要利用UDEC(universal distinct element code)對斜坡失穩(wěn)影響范圍及失穩(wěn)概率進行預算.

1.1 斜坡失穩(wěn)影響范圍

UDEC是基于離散單元法理論的二維模擬軟件，廣泛應(yīng)用于邊坡、巷道與采場、地下開采、地震以及爆破等領(lǐng)域.離散元法是一種專門用于解決不連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方法，該方法把節(jié)理巖體視為由離散的巖塊和巖塊間的節(jié)理面所組成，允許巖塊移動、旋轉(zhuǎn)以及變形，節(jié)理面可被擠壓、分離或錯動.由此可見，在離散單元法理論中巖體被看成一種不連續(xù)的離散介質(zhì)，其內(nèi)部可存在較大位移、旋轉(zhuǎn)乃至整個塊體的分離，從而可以較真實地模擬節(jié)理巖體中的非線性大變形特征.

礦山開采區(qū)斜坡變形破壞過程屬于非連續(xù)固體介質(zhì)受力破壞過程，而UDEC在處理非連續(xù)介質(zhì)環(huán)節(jié)上具有明顯的優(yōu)勢，更加適合于固體介質(zhì)在荷載作用下變形破壞過程的研究.因此，選擇UDEC對不穩(wěn)定斜坡在自然狀態(tài)、暴雨、暴雨+地震狀態(tài)下斜坡位移變化情況和規(guī)律進行模擬分析.

因此，本研究運用 UDEC離散元軟件對尖山營不穩(wěn)定斜坡失穩(wěn)過程進行數(shù)值模擬分析，能夠得到準確和直觀的預測范圍.對主滑方向滑坡的最大距離進行分析，結(jié)合尖山營的地形地貌，得到其在失穩(wěn)后的水平影響距離.根據(jù)斜坡的邊界特征及主滑方向的最遠滑移距離，確定斜坡邊界的影響范圍.將斜坡主滑方向的水平影響距離與邊界影響范圍相結(jié)合，最終得出尖山營不穩(wěn)地斜坡失穩(wěn)的影響范圍.

1.2 斜坡失穩(wěn)概率

目前，對于斜坡失穩(wěn)概率的分析方法有經(jīng)驗法、動力分析與條件分析法等[17].針對不同地區(qū)以及不同條件，具體根據(jù)風險評估特點和評估地區(qū)穩(wěn)定性影響因素，選擇適合的方法來確定.

1)經(jīng)驗法：主要用于發(fā)生滑坡災害較為頻繁的地區(qū)，對該地區(qū)滑坡有著較為長時間的監(jiān)測資料，利用其監(jiān)測數(shù)據(jù)建立滑坡災害時間序列，找出滑坡災害與時間的周期變化規(guī)律，最終來確定該地區(qū)滑坡發(fā)生的概率[18].

2)動力分析與條件分析法：主要用于還未發(fā)生滑坡，但存在潛在滑坡隱患的研究對象.通過對這些潛在災害體的形成條件與穩(wěn)定性狀態(tài)分析，可以判斷其活躍程度，間接地確定其發(fā)生滑坡的概率.

對比上述兩種方法，經(jīng)驗法比較粗糙簡單，只適用于那些反復、多次發(fā)生的滑坡災害體，并且要有長期監(jiān)測數(shù)據(jù).因此，本研究選擇了動力分析與條件分析法對尖山營不穩(wěn)定斜坡的滑坡概率進行分析.首先，根據(jù)表1來確定尖山營不穩(wěn)定斜坡在不同誘發(fā)因素條件下的致滑概率，再結(jié)合誘發(fā)因素的發(fā)生概率依據(jù)公式(1)來確定滑坡失穩(wěn)概率.

表1 滑坡致災概率確定標準

假設(shè)某誘發(fā)因素為事件 A，尖山營不穩(wěn)定斜坡發(fā)生滑坡為事件B，在誘發(fā)因素條件下，單體滑坡災害的發(fā)生概率來表達為，

PH=P[A]·P[B∣A]

(1)

式中，PH為滑坡發(fā)生概率；P[A]為誘發(fā)因素概率；P[B∣A]為滑坡致滑概率.

2 尖山營不穩(wěn)定斜坡發(fā)育特征

研究區(qū)尖山營主要發(fā)育于陡崖斜坡地帶，屬于構(gòu)造侵蝕而成的低中山至中低山地貌，總體呈傾向北西的“V”字形，陡崖斜坡地帶分布范圍為0.20 km2，陡崖長度為1 300 m，寬為150 m，最高點高程為1 526 m，其地形如圖1所示.

圖1 尖山營全貌圖

坡體結(jié)構(gòu)為緩傾坡內(nèi)層狀斜坡，斜坡上部為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組巖層，下部主要為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，主要出露砂巖，泥質(zhì)粉砂巖、泥巖和煤等，巖層產(chǎn)狀一致，均為 280°∠15°，斜坡上部較陡為60°～80°，下部較緩為15°～20°，斜坡總體具有軟硬互層、上陡下緩的特點.其工程地質(zhì)平面圖如圖2所示，工程地質(zhì)剖面圖如圖3所示.

圖2 尖山營工程地質(zhì)平面圖

圖3 1-1’工程地質(zhì)剖面圖

3 尖山營不穩(wěn)定斜坡危險性評價

根據(jù)野外調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合地質(zhì)勘探結(jié)果，確定上述剖面的最危險滑動面如圖4所示.

圖4 主滑剖面最危險滑裂面示意圖

3.1 尖山營不穩(wěn)定斜坡失穩(wěn)影響范圍分析

3.1.1 模型建立

選取尖山營不穩(wěn)定性斜坡主滑方向一個典型工程地質(zhì)剖面圖(1-1’剖面)來建立數(shù)值計算模型.結(jié)合尖山營不穩(wěn)定斜坡的地形地貌、巖體結(jié)構(gòu)特征、煤層開采歷史及邊界效應(yīng)等問題，采用簡化原型的形式進行模型建立.模型下伏基巖概化泥質(zhì)粉砂巖、煤層及采空區(qū)互層，考慮采空情況，特別是對斜坡穩(wěn)定性有影響的煤層，將其細分為1#、3#、5-2#、5-3#、7#、10# 6層，實際中基巖本身具有各向異性，但在計算中將基巖考慮為各向同性材料進行數(shù)值計算(模型計算中粉砂質(zhì)泥巖代號為rock，煤層代號為mei，滑體代號為slope)，根據(jù)現(xiàn)場情況嚴格劃分采空區(qū).將斜坡左、右、下邊界的X、Y方向的位移進行約束，斜坡的上邊界即坡表作為自由邊界.在不穩(wěn)定斜坡滑體前緣、后緣及中部設(shè)置了5個(編號依次為1、2、3、4、5)監(jiān)測點.建模型如下：模型長1 635m，模型高為404m，將按照地層巖性來進行單元劃分，采用UDEC軟件分析不穩(wěn)定斜坡在自然狀態(tài)、暴雨、暴雨+地震狀態(tài)下斜坡位移變化情況和規(guī)律，以及斜坡穩(wěn)定性系數(shù).

圖5 計算模型示意圖

3.1.2 參數(shù)選取

考慮地質(zhì)模型建立的需求，巖土體相關(guān)計算參數(shù)取值參考室內(nèi)試驗、工程地質(zhì)手冊及其他研究者在此區(qū)域的研究成果，根據(jù)尖山營地質(zhì)特征、地質(zhì)構(gòu)造及地層巖性等特點，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，由于研究區(qū)粉砂質(zhì)泥巖節(jié)理發(fā)育、較破碎、且受多年來地下煤層重復采動影響，故結(jié)構(gòu)面參數(shù)設(shè)置較低.綜合分析得出該模型計算參數(shù)、巖土體物理力學參數(shù)如表2、表3所示.

表2 巖體物理力學計算參數(shù)

表3 巖體結(jié)構(gòu)面計算參數(shù)

3.1.3 計算結(jié)果分析

利用UDEC軟件中的自動跟蹤功能，跟蹤上述5個監(jiān)測點的位移，并記錄運動軌跡.

在天然狀態(tài)下，得到斜坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.31，斜坡的位移變化主要集中在采空區(qū)頂部及滑體坡腳，位移變化主要為豎向位移.豎向位移由采空區(qū)頂部至坡頂逐漸減小，主要由于煤層重復采動的原因，煤層頂板破壞引起上部巖體出現(xiàn)裂隙，且向上擴展，最后導致采空區(qū)出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象，具體如圖6所示，由各個監(jiān)測點得合位移數(shù)據(jù)如圖7所示.天然狀態(tài)下位移變化主要由煤層采空引起，以沉降為主，變化較為明顯的是2#和5#測點，測點2#位于滑坡體的后緣，測點5#位于滑坡體前緣，由采空區(qū)塌陷誘發(fā)坡體發(fā)生位移變化.

圖6 天然工況下斜坡位移云圖(單位：m)

圖7 各監(jiān)測點合位移曲線圖

在暴雨工況下，得到斜坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.039，坡體位移較天然工況下有所增加，降雨通過地表裂縫進入坡體，增加了坡體的自重，使得采空區(qū)塌陷區(qū)進一步增大，且坡體前緣已經(jīng)開始了局部滑動，如圖8所示.由各個監(jiān)測點得合位移數(shù)據(jù)，如圖9所示.暴雨工況下位移變化主要發(fā)生在坡體的前緣，最大位移達到6.36 cm，主要由于降雨降低了滑體及滑帶的物理力學參數(shù)，增加了滑體自身重力及動水壓力，使得坡體向臨空面滑移.

圖8 暴雨工況下斜坡位移云圖(單位：m)

圖9 各監(jiān)測點合位移曲線圖

在發(fā)生暴雨+地震工況下，該斜坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.9，采空區(qū)完全塌陷，斜坡后部出現(xiàn)明顯裂縫，且向坡體內(nèi)延伸形成貫通裂縫如圖10所示.由各個監(jiān)測點得合位移數(shù)據(jù)可知(如圖11所示)，在暴雨+地震工況下，斜坡滑體部分已經(jīng)完全脫離坡體向臨空方向產(chǎn)生滑移，其位移變化主要發(fā)生在坡體的前緣，最大位移達到243.4 m.

圖10 暴雨+地震工況下斜坡位移云圖(單位：m)

圖11 各監(jiān)測點合位移圖

根據(jù)5個監(jiān)測點測得的位移以及數(shù)值模擬塊體最大滑移距離，結(jié)合尖山營不穩(wěn)定斜坡形態(tài)及斜坡邊界，綜合分析得到該斜坡在各個工況下的滑移距離如表4所示，其影響范圍如圖12所示.

圖12 3種工況下斜坡的影響范圍

表4 各工況下斜坡最大滑移距離及影響范圍

3.2 尖山營斜坡失穩(wěn)概率分析

尖山營斜坡的穩(wěn)定性影響因素眾多，因此具有不確定性，其失穩(wěn)的主要因素是煤層開采、暴雨和地震等因素.目前，由于地下煤層已經(jīng)全部停止開采，所以斜坡的穩(wěn)定性影響因素中僅考慮了天然、暴雨和暴雨+地震工況下的穩(wěn)定性系數(shù)，根據(jù)本研究計算得出的穩(wěn)定性系數(shù)，再結(jié)合表1數(shù)據(jù)，通過數(shù)學差分法計算出了尖山營不穩(wěn)定斜坡在不同工況下的致滑概率如表5所示.

表5 尖山營不穩(wěn)定斜坡致滑概率

尖山營所處地區(qū)年降雨主要集中在5～10月，暴雨天氣年出現(xiàn)頻次為7～9次，特大暴雨每年至少有1次，如圖13所示，即在尖山營地區(qū)達到暴雨雨量及以上天氣每年都會出現(xiàn).

圖13 尖山營雨量曲線圖

根據(jù)中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖(GB18306—2015)，尖山營區(qū)內(nèi)地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40s，地震基本烈度為IV度.結(jié)合對該區(qū)域的相關(guān)研究成果，以及地震對滑坡影響的綜合分析，將尖山營不穩(wěn)定斜坡在地震條件下誘發(fā)滑坡的概率定為1.

對上述分析結(jié)果帶入公式(1)，計算得到尖山營不穩(wěn)定斜坡在不同誘發(fā)因素條件下失穩(wěn)滑坡的概率，如表6所示.

表6 不同工況下斜坡發(fā)生滑坡概率統(tǒng)計表

3.3 斜坡失穩(wěn)危害對象分析

尖山營不穩(wěn)定斜坡的危害對象主要是通過模擬出的斜坡失穩(wěn)影響范圍內(nèi)的對象.具體分為人口(斜坡下方居民)和建筑物(居民住房)兩類.經(jīng)過現(xiàn)場詳細調(diào)查，結(jié)合斜坡失穩(wěn)影響范圍分析可知，主要危害對象為居民241人、建筑物131棟、公路、耕地及林地.

4 結(jié) 論

通過尖山營現(xiàn)場的詳細地質(zhì)調(diào)研，對斜坡的危險性進行了分析，得到以下結(jié)論.

1)通過離散元軟件UDEC對斜坡失穩(wěn)過程的模擬，得到斜坡在天然工況下最大滑移距離為3.15 m，影響范圍為4 512.3 m2；在暴雨工況下最大滑移距離為6.36 m，影響范圍為9 345.8 m2；在暴雨+地震工況下最大滑移距離為243.4 m，影響范圍為444 969.2 m2.同時得到斜坡在不同工況下失穩(wěn)的最大影響范圍.

2)得到在暴雨工況下滑坡發(fā)生的概率為0.438，在暴雨+地震工況下滑坡發(fā)生概率為0.662.

3)尖山營不穩(wěn)定斜坡的危害對象分為人口(斜坡下方居民)和建筑物(居民住房)兩類.經(jīng)過現(xiàn)場詳細調(diào)查，結(jié)合斜坡失穩(wěn)影響范圍分析，確定主要危害對象為居民241人、建筑物131棟、公路、耕地及林地等.