爆破振動載荷對露天邊坡穩(wěn)定性影響數(shù)值模擬研究

王 強(qiáng) 吳 尚

（1.金堆城鉬業(yè)股份有限公司礦山分公司；2.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院）

露天礦山邊坡穩(wěn)定性關(guān)乎礦山安全生產(chǎn)，是影響礦山經(jīng)濟(jì)的重要因素之一。針對露天礦山邊坡的穩(wěn)定性問題，科學(xué)有效地進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析與評估是維護(hù)礦山安全的重要手段。通過對邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水位、坡度、高度、巖體力學(xué)參數(shù)等因素進(jìn)行綜合分析，可以得出邊坡的穩(wěn)定性評估結(jié)果，對于采取相應(yīng)的措施，提高邊坡穩(wěn)定性具有重要的指導(dǎo)意義。近年來，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了Abaqus、Geo-studio、FLAC等大型模擬軟件［1-4］。趙尚毅等［5］指出邊坡破壞時會產(chǎn)生無限發(fā)展的位移，僅僅依靠邊坡從坡腳到坡頂?shù)乃苄詤^(qū)貫通不足以斷定此邊坡已經(jīng)失穩(wěn)，還應(yīng)看是否產(chǎn)生了很大且無限發(fā)展的塑性應(yīng)變和位移，因此提出將計算收斂和塑性區(qū)貫通共同作為邊坡失穩(wěn)的依據(jù)；劉金龍等［6］提出特征部位位移突變性結(jié)合塑性區(qū)的貫通性作為失穩(wěn)判據(jù)；連鎮(zhèn)營等［7］認(rèn)為某一幅值的廣義剪應(yīng)變從坡腳貫通到坡頂，則視為邊坡破壞，但廣義剪應(yīng)變包括彈性部分和塑性部分，以廣義的剪應(yīng)變不能準(zhǔn)確反映土體塑性區(qū)的發(fā)展過程。

本文采用強(qiáng)度折減法，利用FLAC3D軟件，對某礦山礦區(qū)4 個分區(qū)邊坡在爆破振動荷載下的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行了模擬分析。

1 工程概況

某露天礦礦區(qū)內(nèi)分布地層由老至新分別為二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P21）、三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）、第四系（Q）。

對不同地段構(gòu)造節(jié)理裂隙進(jìn)行了專門觀察研究及統(tǒng)計，經(jīng)對礦區(qū)統(tǒng)計的構(gòu)造節(jié)理進(jìn)行分析表明，礦區(qū)發(fā)育節(jié)理主要有3 組：a 組115°∠43°、b 組230°∠60°、c組336°∠72°。

對礦區(qū)巖石進(jìn)行力學(xué)實驗，依據(jù)邊坡巖體質(zhì)量評價成果，綜合考慮RQD 等環(huán)境因素影響的影響，運(yùn)用多種方法從不同角度對此礦山巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行工程折減處理，獲得了巖體力學(xué)參數(shù)。對于抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值取不同方法得出結(jié)果；巖體單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和變形模量采用由Hoek-Brown 法折減得出的參數(shù)。邊坡巖體力學(xué)參數(shù)綜合選取值見表1。

?

2 計算模型構(gòu)建

2.1 計算工況與參數(shù)取值

本文將采用強(qiáng)度折減法模擬爆破振動荷載下邊坡穩(wěn)定性，采用等效靜力法考慮爆破振動力，參考頒發(fā)的《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016—2014），第i條塊的爆破振動力按照下式計算：

式中，F(xiàn)i為第i條塊爆破振動力的水平向等效靜力，kN；Wi為第i條塊的重力；kN；βi為條塊爆破力系數(shù)，取0.1～0.3；a為第i條塊爆破振動質(zhì)點(diǎn)的水平向最大加速度；m/s2；f為振動爆破頻率，Hz；V為邊坡質(zhì)點(diǎn)振動速度，cm/s；Vi為第i條塊重心處質(zhì)點(diǎn)水平向振動速度，m/s；Q為爆破裝藥量，kg；Ri為爆破區(qū)藥量分布的幾何中心至觀測點(diǎn)的距離，m；K，α為與巖體性質(zhì)、爆破條件等有關(guān)的系數(shù)。

礦山采用中深孔微差爆破，單孔裝藥量約為150 kg，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）取頻為20 Hz，爆破場地條件有關(guān)的衰減系數(shù)K取值為150，α取值為1.5，Ri取值為30 m，本文采用強(qiáng)度折減法模擬爆破振動荷載下邊坡穩(wěn)定性，爆破振動采用等效靜力法模擬，得出αi=14.04 m/s2。

2.2 計算剖面

根據(jù)礦區(qū)內(nèi)不同方位邊坡工程地質(zhì)情況及終了邊坡高度等參數(shù)，將該礦山擬設(shè)計的終了邊坡劃分為4 個區(qū)域，即I—I′～Ⅳ—Ⅳ′剖面所在邊坡區(qū)域，由于I—I′剖面邊坡所在區(qū)域為順層邊坡，且邊坡高度較高為173 m，故選擇為代表性剖面，其余剖面分別為切向坡或逆向坡，一般而言，在分析露天邊坡穩(wěn)定性時，順層邊坡的穩(wěn)定性較差，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。各邊坡剖面圖如圖1所示。

3 邊坡穩(wěn)定性判據(jù)

3.1 邊坡工程安全等級確定

此露天礦邊坡終了邊坡高度為173 m，小于200 m，屬于中、低邊坡。當(dāng)邊坡失穩(wěn)有人員受傷時，直接經(jīng)濟(jì)損失50 萬～100 萬，間接經(jīng)濟(jì)損失500～1 000 萬，邊坡失穩(wěn)危害性嚴(yán)重。因此，根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016—2014）中的邊坡危害等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，將該礦山邊坡危害等級定為Ⅱ級?；谠撘?guī)范中的邊坡工程安全等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，邊坡工程安全等級整體取為Ⅱ級。

3.2 許用安全系數(shù)

邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)是評價和衡量邊坡穩(wěn)定性的最終定量指標(biāo)，與邊坡力學(xué)性質(zhì)和工程選用的參數(shù)等因素有關(guān)，最小允許安全系數(shù)的確定是非常復(fù)雜的問題。邊坡的安全系數(shù)Fst是邊坡穩(wěn)定性判據(jù)的重要參數(shù)，是判斷邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的重要閥值。如在采用極限平衡法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析時，首先計算出潛在滑動面上的綜合抗滑力與綜合下滑力的比值穩(wěn)定性系數(shù)Fs，隨后通過比較Fs與Fst的大小關(guān)系來評估邊坡的穩(wěn)定性，當(dāng)Fs大于Fst時為邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)Fst小于Fs時邊坡為不穩(wěn)定狀態(tài)。

《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）中第3，6，9條對邊坡穩(wěn)定性計算方法進(jìn)行了規(guī)定，第3，6，10條對邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)作出了具體規(guī)定，見表2。

根據(jù)《非煤露天礦山邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016—2014）以及邊坡等級分級，設(shè)計爆破震動荷載下總體邊坡安全系數(shù)設(shè)計為1.18。

4 基于強(qiáng)度折減法邊坡穩(wěn)定性分析

強(qiáng)度折減法是一種應(yīng)用廣泛的數(shù)值模擬方法。1975 年Zienkiewiczn 提出了抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)的概念，分析了邊坡應(yīng)力和位移變化使巖土體抗剪強(qiáng)度降低的特性，并將極限狀態(tài)下的折減系數(shù)被認(rèn)為是邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。此后，以強(qiáng)度折減法為基礎(chǔ)的數(shù)值分析方法在邊坡穩(wěn)定性分析中得到普遍應(yīng)用。本文采取使用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值計算，根據(jù)強(qiáng)度折減法對爆炸振動荷載作用下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行模擬分析。

?

4.1 基于FLAC3D的邊坡穩(wěn)定性計算

FLAC3D可以計算出破壞面上產(chǎn)生較大的剪應(yīng)變增量，是一個和巖體某一節(jié)點(diǎn)位移相關(guān)的物理量，是邊坡的穩(wěn)定的一個重要參數(shù)。結(jié)合彈塑性力學(xué)理論和莫爾-庫侖強(qiáng)度理論，巖土體的破壞原因是內(nèi)部的任意一面上的剪應(yīng)力超過其極限剪應(yīng)力而發(fā)生破壞，破壞后產(chǎn)生較大的剪切變形，進(jìn)而巖土體發(fā)生破壞。

根據(jù)剖面圖I—I′、Ⅱ—Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′、Ⅳ-Ⅳ′在AutoCAD 中生成模型，利用Rhino 軟件的Griddle 插件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后轉(zhuǎn)化為FLAC3D軟件的文件格式，最終在FLAC3D中生成I—I′剖面計算模型進(jìn)行計算，x軸正向為指向邊坡內(nèi)，z軸豎直向上，底部采用全約束，垂直于x軸的面采用法向約束，計算結(jié)果如圖2、表3 所示。

?

由圖2、表3 可看出，4 個剖面的安全系數(shù)分別為1.7，1.63，1.68，1.55，各分區(qū)邊坡在爆破震動荷載工況下穩(wěn)定性系數(shù)均大于設(shè)計的許用安全系數(shù)，表明此邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)巖體力學(xué)參數(shù)折減系數(shù)達(dá)到安全系數(shù)時，邊坡處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，并且最大剪切應(yīng)變增量位于設(shè)計爆破區(qū)域，方向指向爆破區(qū)域的法向方向，當(dāng)邊坡處于臨界狀態(tài)時，將首先從最大剪切應(yīng)變增量位置（爆破處）發(fā)生破壞。

5 結(jié) 論

通過對某礦區(qū)現(xiàn)場工程地質(zhì)進(jìn)行調(diào)查，結(jié)合室內(nèi)巖石實驗以及工程地質(zhì)巖體的質(zhì)量評價獲得了邊坡巖體的單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角和黏聚力值等巖體力學(xué)參數(shù)，利用等效靜力法考慮爆破振動力，計算得出爆破振動參數(shù)水平向最大加速度；根據(jù)礦區(qū)內(nèi)不同方位邊坡工程地質(zhì)情況及終了邊坡高度等參數(shù)，并遵循順層邊坡的穩(wěn)定性較差的原則將該礦山擬設(shè)計的終了邊坡劃分為4 個區(qū)域。同時，采用強(qiáng)度折減法，利用FLAC3D軟件，以邊坡許用安全系數(shù)作為邊坡穩(wěn)定性判據(jù)，對礦區(qū)4個分區(qū)邊坡在爆破振動荷載下的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行了分析計算。結(jié)果表明，此礦山在爆破振動荷載工況下各分區(qū)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，整體邊坡穩(wěn)定性較好，都能滿足規(guī)范要求的最小安全系數(shù)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，此結(jié)果對礦山安全有一定指導(dǎo)意義。