高陡巖質(zhì)邊坡“面—點(diǎn)—面”穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)方法
——以安太堡露天礦為例

陶志剛 劉珂源 楊曉杰 李靜濤 張 鵬 李賡照

(1.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;3.中煤平朔集團(tuán)有限公司地質(zhì)測(cè)量中心,山西 朔州 036000;4.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 青島,266033)

露天礦邊坡工程地質(zhì)條件復(fù)雜,采礦規(guī)模大、活動(dòng)頻繁、施工擾動(dòng)因素多,露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響因素包括巖體結(jié)構(gòu)特征[1-2]、黏聚力、內(nèi)摩擦角[3]、地表形態(tài)、邊坡高度、邊坡坡角、年平均降雨量、地下水[4]、井工開(kāi)采情況、邊坡滑體特征、地震烈度等因素。 對(duì)受到多因素影響的采場(chǎng)邊坡進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)和穩(wěn)定性科學(xué)評(píng)價(jià)是確保礦山安全生產(chǎn)的前提條件。不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究,宋晨等[5]通過(guò)分析露天礦邊坡工程地質(zhì)環(huán)境,選取坡度、高程、地層巖性、地下水位、地質(zhì)構(gòu)造為評(píng)價(jià)因子,結(jié)合層次分析法,利用GIS 對(duì)露天礦邊坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了危險(xiǎn)性等級(jí)劃分。 STEAD 等[6]通過(guò)3 個(gè)層次的復(fù)雜性對(duì)巖石邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析,討論了不同數(shù)值方法在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用效果。 潘網(wǎng)生等[7]以貴州省都勻市馬達(dá)嶺滑坡為例,基于拉格朗日算法模擬煤層開(kāi)挖,揭示了邊坡變形過(guò)程及其滑動(dòng)機(jī)理。 左曉峰等[8]以勉縣樓子溝滑坡為例,對(duì)滑坡在天然、暴雨兩種工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。 張立博等[9]針對(duì)三山島露天金礦礦坑高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題,分析了強(qiáng)降雨對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響。 白潤(rùn)才等[10]針對(duì)白音華1 號(hào)露天煤礦采場(chǎng)北幫復(fù)合順傾邊坡,應(yīng)用FLAC3D軟件計(jì)算了邊坡抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù),使得煤礦在安全生產(chǎn)的前提下,盡可能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。 張凱等[11]針對(duì)高海拔地區(qū)金屬礦排土場(chǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題,利用凍融損傷修正后的巖體力學(xué)參數(shù),分析在當(dāng)前排土工藝下邊坡的位移變化規(guī)律。

近年來(lái),邊坡穩(wěn)定性分析得到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。 基于大量工程實(shí)例的應(yīng)用,邊坡穩(wěn)定性方面的理論研究也趨于完善。 1970 年,極限平衡理論和彈塑性力學(xué)理論開(kāi)始在實(shí)踐中得到應(yīng)用,形成了一大批工程地質(zhì)力學(xué)的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)和方法[12]。 自1980 年以來(lái),數(shù)值模擬在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用日益廣泛,使得邊坡變形破壞機(jī)理的研究從定性轉(zhuǎn)向定量。 孫樹(shù)芳等[13]利用ABAQUS 軟件對(duì)土坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。馬萃林等[14]利用有限差分程序軟件FLAC3D對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析。 孟衡[15]結(jié)合工程實(shí)例,分別采用GEO-SLOPE 軟件包中的SLOPE/W 模塊和模糊評(píng)判兩種方法對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究。陳香玉等[16]提出了一種基于能量準(zhǔn)則的耦合歐拉-拉格朗日(CEL)數(shù)值策略的邊坡穩(wěn)定性分析方法。劉世義等[17]提出了一種基于彈性有限元應(yīng)力場(chǎng)的二維和三維邊坡穩(wěn)定分析方法。 雖然邊坡穩(wěn)定性分析理論方法較多,但很多都是基于極限平衡法。 該方法突出的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便易行,但是在簡(jiǎn)便的同時(shí),往往過(guò)于簡(jiǎn)化而忽略了一些對(duì)邊坡穩(wěn)定性有較大影響的因素,使得計(jì)算結(jié)果對(duì)于工程實(shí)踐的指導(dǎo)意義不強(qiáng)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,邊坡穩(wěn)定性分析中的數(shù)值模擬方法也發(fā)展較快,當(dāng)前已經(jīng)能較好地模擬各種邊坡的穩(wěn)定性,并且可視化效果明顯,同時(shí)還可以進(jìn)行多種影響因素的耦合計(jì)算。 但是由于巖土體本身的復(fù)雜性,且還沒(méi)有一種本構(gòu)模型能完全重現(xiàn)巖土體本身的自然特性。 因此,不同的數(shù)值模擬方法往往只適用于一種或幾種巖土體,或者只對(duì)一種或幾種巖土體的模擬效果較好。

基于此,本研究提出一種邊坡綜合評(píng)價(jià)方法,通過(guò)理論與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方式,對(duì)受到多因素影響的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)[18-21]。 由多因素影響區(qū)域劃分不穩(wěn)定區(qū)域到根據(jù)不穩(wěn)定區(qū)域確定出敏感因子[22-25]再到由敏感因子進(jìn)行數(shù)值分析,實(shí)現(xiàn)“面—點(diǎn)—面” 邊坡綜合評(píng)價(jià)。 該方法的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)理論分析,將考慮了多因素影響的邊坡體進(jìn)行了詳細(xì)的穩(wěn)定性等級(jí)劃分,并在分析出不穩(wěn)定區(qū)域的基礎(chǔ)上確定了敏感因子,為使用數(shù)值軟件提供了較為詳細(xì)的理論支撐,再由數(shù)值計(jì)算對(duì)整個(gè)邊坡區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)定性分析,該方法彌補(bǔ)了理論方法計(jì)算繁瑣的不足,同時(shí)通過(guò)確定敏感因子為數(shù)值計(jì)算選擇了較為適宜的本構(gòu)模型。

1 工程概況及邊坡穩(wěn)定性影響因素

1.1 巖性結(jié)構(gòu)場(chǎng)特征

根據(jù)研究區(qū)鉆探成果,結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查,區(qū)內(nèi)巖組主要為砂巖、粉砂巖、黏土巖。 礦區(qū)上部由第四系沉積物和風(fēng)化層組成,下部為地質(zhì)斜坡,由基巖組成復(fù)合結(jié)構(gòu)。 第四紀(jì)沉積物主要為黃土狀粉土、粉質(zhì)黏土、砂巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖、煤巖等。 基巖主要由砂巖和泥巖組成,砂巖節(jié)理裂隙較發(fā)育,局部可見(jiàn)近垂直狀節(jié)理裂隙發(fā)育。 泥巖屬軟巖,手劃有刻痕,吸水反應(yīng)強(qiáng)烈,局部已風(fēng)化成土狀,手可捏碎。 礦區(qū)位于二鋪背斜西北翼,背斜走向N50°E,區(qū)內(nèi)層理以反坡層理為主,有斜交坡節(jié)理,走向N8°W,傾向SW,傾角約15°。 該區(qū)主要受SE—NW 向的壓應(yīng)力場(chǎng)控制,逆斷層傾角一般為15°～30°。

1.2 環(huán)境物理場(chǎng)特征

礦區(qū)位于溫帶半干旱性大陸性氣候區(qū),降雨量少。 年均溫度為5. 5～6. 8 ℃,年溫度變化范圍為-32.4～37.9 ℃,年降雨量為345.3～682.2 mm,年平均為428.2(朔縣站1934 年—2003 年)～449 mm(井坪站1973 年—2005 年),最高為757. 4 mm,最低為195.6 mm。 降雨主要集中在每年7—9 月,最大降雨強(qiáng)度可達(dá)87 mm/d 和478 mm/月。 根據(jù)含水層介質(zhì)和水動(dòng)力特征,地下水主要可分為松散表土孔隙水、巖層間裂隙水、灰?guī)r巖溶裂隙水3 類。

1.3 地震震級(jí)

平朔煤田位于鄂爾多斯板塊東北緣,周邊歷史上為地震多發(fā)帶。 根據(jù)該區(qū)地震分布的統(tǒng)計(jì)資料,將平朔煤田322 km3區(qū)域劃分為4 個(gè)地震帶。 上述4 個(gè)地震帶的MHPA(震級(jí)峰值水平加速度)值見(jiàn)表1。

表1 平朔煤田各震源區(qū)的震級(jí)及其MPHATable 1 Magnitude of source area and its MPHA of Pingshuo Coalfield

1.4 邊坡穩(wěn)定性影響因素

煤礦工業(yè)廣場(chǎng)位于西北幫邊坡底部的礦坑內(nèi),如圖1 所示。 該礦坑底部東西走向500 m,南北走向約1 000 m,其西、北面為露天礦坡,而且高度都在200 m以上。 邊坡長(zhǎng)期受自然環(huán)境影響(暴露、受風(fēng)吹、日曬、雨水沖刷),從而使得坡體的表層巖體結(jié)構(gòu)比較松散、強(qiáng)度有所降低,存在嚴(yán)重的滑坡災(zāi)害隱患。 工業(yè)廣場(chǎng)是礦區(qū)重要的生產(chǎn)區(qū)和服務(wù)區(qū),邊坡的安全性直接與整個(gè)礦區(qū)的生產(chǎn)和生活緊密相關(guān)。

圖1 礦區(qū)全景Fig.1 Mining area panorama

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與理論分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)前邊坡存在的安全隱患主要包括:

(1)辦公區(qū)上方歷史滑坡區(qū)域表層為拉裂變形帶。 該區(qū)域內(nèi)可見(jiàn)大量拉裂縫,地表水通過(guò)裂縫滲入地下。 地表裂縫分布范圍基本與地下采空區(qū)相對(duì)應(yīng),多沿采區(qū)周邊地帶成群分布。 地下采空引起上覆巖體冒落、擠壓、張裂變形,地下水循環(huán)加劇,極易導(dǎo)致巖體發(fā)生滑塌,如圖2 所示。

圖2 西端幫滑坡區(qū)域安全隱患Fig.2 Potential safety hazards in landslide area

(2)露天開(kāi)采后形成的礦坑將周?chē)乃畢R聚于此,地表降雨量大、涌水侵蝕邊坡底部的基巖。 在雨季持續(xù)強(qiáng)降雨條件影響下,工業(yè)廣場(chǎng)西幫邊坡上方出現(xiàn)了大量的裂縫、沖溝及塌陷坑等,部分裂縫已貫通形成楔形滑體,局部出現(xiàn)了滑坡災(zāi)害。 另外,坡面上的黃土松散多孔,當(dāng)滲流通過(guò)黃土孔隙時(shí),水流受到土顆粒的阻力,土顆粒受到水的反作用力,黃土邊坡易發(fā)生滲流時(shí),對(duì)邊坡的穩(wěn)定性尤為不利,如圖3 所示。

圖3 雨季期間現(xiàn)場(chǎng)滑塌情況Fig.3 Site collapse during rainy season

(3)排土場(chǎng)邊坡高度達(dá)80 m,邊坡長(zhǎng)期受自然環(huán)境(暴露,受風(fēng)吹、日曬、雨水沖刷)影響,使得坡體的表層巖體結(jié)構(gòu)比較松散、強(qiáng)度有所降低。 另外,隨著坡高增加,邊坡自重應(yīng)力逐漸增大,邊坡滑動(dòng)產(chǎn)生的剪應(yīng)力也逐漸增大,邊坡穩(wěn)定性隨著坡高增加而降低,存在嚴(yán)重的滑坡災(zāi)害隱患。

(4)露天礦邊坡下開(kāi)采必然導(dǎo)致邊坡巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布,使邊坡巖體發(fā)生移動(dòng),破壞邊坡原有的巖體結(jié)構(gòu),導(dǎo)致整個(gè)坡體具有從高到低滑動(dòng)的趨勢(shì)。 該礦先由露天再轉(zhuǎn)地下開(kāi)采,露井聯(lián)采的邊坡與單一性的露天礦開(kāi)采邊坡相比較,變形機(jī)理有明顯區(qū)別,露井聯(lián)采過(guò)程中相互作用、相互擾動(dòng),從而形成了一個(gè)復(fù)雜的受力系統(tǒng),使得邊坡穩(wěn)定性明顯減弱。

(5)該礦區(qū)存在3 組幾乎互相垂直的節(jié)理,將巖體切割為不均勻的塊體,容易導(dǎo)致邊坡局部發(fā)生崩塌。 另外,巖組以砂巖、粉砂巖為主,巖體易受節(jié)理不連續(xù)面的連續(xù)切割破壞,對(duì)邊坡穩(wěn)定不利。

由以上分析可知,邊坡穩(wěn)定性影響因素眾多且十分復(fù)雜,各因素的影響程度也不盡相同,相互之間又存在著一定的關(guān)聯(lián)性,很難將復(fù)雜的影響因素綜合成一個(gè)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)。 基于此,本研究提出一套高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的綜合評(píng)價(jià)方法,并以安太堡露天煤礦為例進(jìn)行分析(圖4)。

圖4 邊坡穩(wěn)定性的綜合評(píng)價(jià)方法Fig.4 Comprehensive evaluation method of slope stability

2 高陡巖質(zhì)邊坡危險(xiǎn)性分區(qū)

2.1 評(píng)價(jià)因子選取與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

根據(jù)安太堡露天礦的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件,結(jié)合露天開(kāi)采轉(zhuǎn)井工開(kāi)采的實(shí)際工況,選取6 個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子,建立的評(píng)價(jià)因子模糊集合為

式中,u1、u2、u3、u4、u5、u6分別為坡角、坡高、降雨強(qiáng)度(年平均降雨量)、滑體特征綜合影響指數(shù)、地質(zhì)構(gòu)造影響程度、井工開(kāi)采影響指數(shù)。

利用模糊綜合評(píng)判方法對(duì)邊坡?tīng)顟B(tài)進(jìn)行了全面評(píng)價(jià),邊坡穩(wěn)定性程度可分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、基本不穩(wěn)定和不穩(wěn)定4 個(gè)級(jí)別。 本研究構(gòu)建的評(píng)估集為

所取基值及各影響因素的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2,離散型指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。 將6 種評(píng)價(jià)因子根據(jù)表2、表3 劃分為ν1、ν2、ν3、ν44 個(gè)等級(jí),并代入基值可得邊坡穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)集合:

表2 影響因素級(jí)別劃分Table 2 Division levels of influence factors

表3 離散型變量取值標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Standard for discrete variable values

2.2 確定權(quán)重

由于各單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)(或評(píng)價(jià)要素)對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響存在差異,相應(yīng)有不同的側(cè)重。 權(quán)重Wi計(jì)算公式為

式中,i為所評(píng)價(jià)指標(biāo);Ci為各種指標(biāo)實(shí)測(cè)值;Si為各指標(biāo)等級(jí)代表值,公式為

對(duì)各單項(xiàng)權(quán)重值進(jìn)行歸一化處理,公式為

式中,n為指標(biāo)數(shù)量。

權(quán)重計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 權(quán)重計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of weight

2.3 評(píng)價(jià)因子對(duì)于隸屬函數(shù)確定

模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)的邊坡穩(wěn)定性質(zhì)量等級(jí)為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、基本不穩(wěn)定、不穩(wěn)定。 各評(píng)價(jià)因子相對(duì)于這4 個(gè)等級(jí)的隸屬函數(shù)可以按照梯形分布和三角分布計(jì)算,計(jì)算公式分別為

式中,被評(píng)估組的測(cè)量值ai(i= 1,2,3,4) 分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。

2.4 綜合評(píng)價(jià)分區(qū)結(jié)果分析

對(duì)整個(gè)山西安太堡露天礦250 個(gè)待評(píng)價(jià)單元逐一進(jìn)行評(píng)判,實(shí)現(xiàn)對(duì)該礦邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià),結(jié)果如圖5 所示。

圖5 安太堡露天礦邊坡穩(wěn)定性分區(qū)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.5 Fuzzy comprehensive evaluation results of the stability zoning of the slope of Antaibao Open-pit Mine

(1)不穩(wěn)定區(qū)。 主要分布在北幫井工開(kāi)采入口處及采空區(qū),坡角和坡高均較大,且受到井工開(kāi)采和地下采空區(qū)影響,并且邊坡上部存在大量碎石和松散黃土,一旦有集中強(qiáng)降雨,將有發(fā)生滑坡的危險(xiǎn)。 另有一部分不穩(wěn)定區(qū)在工業(yè)廠房上方,此處受雨水沖刷作用影響,地表存在大量裂縫。

(2)較不穩(wěn)定區(qū)。 分布比較廣泛,主要集中在北幫、西幫的二級(jí)、三級(jí)臺(tái)階和排土場(chǎng),北幫、西幫的二級(jí)、三級(jí)臺(tái)階由于不斷地?cái)U(kuò)幫使邊坡角和坡高都有了新的變化,其穩(wěn)定性也漸趨于不穩(wěn)定。 排土場(chǎng)主要為開(kāi)挖的松散黃土,沒(méi)有加固措施,也沒(méi)有植被覆蓋,當(dāng)存在降雨時(shí),在雨水沖刷作用下極易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(3)較穩(wěn)定區(qū)。 分布更加廣泛,這些地區(qū)坡角較緩且坡高一般也較低,并且有一定的植被覆蓋,地形基本完整,巖土體裂紋較少,受施工擾動(dòng)較低。

(4)穩(wěn)定區(qū)。 主要分布在露天礦坑的邊緣外部,占研究區(qū)面積的大部分,區(qū)內(nèi)植被覆蓋率較高,地形基本完整,地表裂縫較少且較平坦,沒(méi)有大的邊坡,受施工開(kāi)采影響也較小。

3 高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 邊坡穩(wěn)態(tài)敏感性因子確定

由于安太堡礦邊坡是由露天礦開(kāi)挖形成的,邊坡巖體在歷史上已經(jīng)完成固結(jié),且邊坡體內(nèi)巖性為較均一的變質(zhì)混合巖,巖土體風(fēng)化帶界限不明顯,因此應(yīng)首先確定邊坡的潛在滑動(dòng)面。 該礦西端幫坡度較緩且二、三級(jí)臺(tái)階為第四紀(jì)堆積黃土、風(fēng)化層,屬于散體結(jié)構(gòu)且?guī)r性比較均一,因此,西端幫的破壞類型屬于圓弧滑動(dòng)模式。 根據(jù)工程地質(zhì)勘察鉆孔資料和坡面錨索鉆孔施工情況可知,與坡面垂直深度50～60 m處存在構(gòu)造破碎帶,巖土體呈破碎土塊狀,據(jù)此本研究采用自動(dòng)搜索技術(shù)(簡(jiǎn)化Bishop 法)確定潛在滑動(dòng)面的位置。 如圖6 所示,沿著斷裂帶的頂部和坡腳形成了潛在的滑動(dòng)弧。

圖6 滑動(dòng)面確定示意Fig.6 Schematic of the determination of sliding surface

根據(jù)確定的邊坡潛在滑動(dòng)面和邊坡坡面形態(tài),選取西端幫有代表性的兩個(gè)剖面建立計(jì)算模型,如圖7所示。 利用MSARMA 對(duì)西端幫進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析,各種條件下的穩(wěn)定系數(shù)取值見(jiàn)表5 和表6。

圖7 剖面1、2 MSARMA 法計(jì)算模型Fig.7 MSARMA method computation model of section 1、2

表5 剖面1 穩(wěn)定性系數(shù)Table 5 Stability coefficients of No.1 profile

表6 剖面2 穩(wěn)定系數(shù)Table 6 Stability coefficients of No.2 profile

針對(duì)邊坡的排水率、邊坡土體容重、底滑面的黏聚力和內(nèi)摩擦角、側(cè)滑面的黏聚力和內(nèi)摩擦角、地震系數(shù)分別進(jìn)行了敏感性分析。 其中,邊坡排水速率和地震是影響邊坡穩(wěn)定的兩種極其活躍的環(huán)境力,是邊坡變形破壞的誘發(fā)因素。 例如,與干坡和飽和坡相比,邊坡的穩(wěn)定系數(shù)顯著提高,如圖8 所示。 邊坡在Ⅶ度地震作用下,穩(wěn)定系數(shù)低于無(wú)地震作用下的穩(wěn)定系數(shù),并隨著地震系數(shù)增大,其相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)迅速減小,如圖9 所示。

圖8 剖面1、2 排水率敏感性分析曲線Fig.8 Sensitivity analysis curves of drainage rate of No.1 and No.2 profile

圖9 剖面1、2 水平地震系數(shù)敏感性分析曲線Fig.9 Sensitivity analysis curves of horizontal seismic coefficient of No.1 and No.2 profile

3.2 西北幫邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

本研究通過(guò)MSARMA 法對(duì)西端幫潛在滑動(dòng)面的影響因子進(jìn)行敏感性分析,得到地震、排水率為敏感性因子。 在此基礎(chǔ)上,利用FLAC3D軟件對(duì)西北幫邊坡進(jìn)行天然工況、滲流工況、地震作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析。

3.2.1 天然工況下邊坡穩(wěn)定性分析3.2.1.1 模型構(gòu)建

由ANSYS 導(dǎo)入FLAC3D得到邊坡網(wǎng)格單元,整個(gè)模型由四面體組成,共121 487個(gè)單元,25 391個(gè)節(jié)點(diǎn)。 模型長(zhǎng)1 064.219 m,寬785 m,地表最高點(diǎn)高程為1 450 m,最低點(diǎn)高程為1 230 m。 各層巖土參數(shù)取值見(jiàn)表7,模型如圖10 所示。

圖10 西北幫邊坡工程地質(zhì)模型Fig.10 Engineering geological model of northwest slope

表7 安太堡露天礦巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 7 Physical mechanical parameters of rock mass of Antaibao Open-pit Mine

3.2.1.2 地下水面生成

由于在FLAC3D中直接生成符合勘察資料所述的復(fù)雜空間幾何形態(tài)的地下水位面比較困難,故而本次模擬充分利用了FLAC3D中的界面單元能自動(dòng)依附于指定范圍內(nèi)模型表面生成的特性,地層流體參數(shù)取值見(jiàn)表8,構(gòu)建的地下水面工程地質(zhì)模型如圖11所示。

圖11 地下水面工程地質(zhì)模型Fig.11 Engineering geological model of groundwater surface

表8 巖土體中流體的物理力學(xué)參數(shù)Table 8 Physical and mechanical parameters of fluid in rock mass

3.2.1.3 約束條件

本研究計(jì)算中本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb 模型。 除了坡面設(shè)自由邊界外,模型底部為固定約束邊界,模型四周為單向邊界。 在初始條件中,僅考慮自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力場(chǎng)和靜水壓力。

3.2.1.4 計(jì)算過(guò)程

計(jì)算時(shí),首先生成靜水壓力,再選擇彈性本構(gòu)模型,按前述約束條件,在只考慮重力作用的情況下進(jìn)行彈性求解,計(jì)算至平衡后對(duì)位移場(chǎng)和速度場(chǎng)清零,生成初始應(yīng)力場(chǎng);最后進(jìn)行本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb 模型的彈塑性求解,直至系統(tǒng)達(dá)到平衡。

天然工況下西北幫邊坡位移分布如圖12 和圖13 所示。 由圖12、圖13 可知:西北幫邊坡在天然工況下均有一定的位移量,其中X方向最大位移發(fā)生在西邊幫,最大位移達(dá)到30 cm;Y方向最大位移發(fā)生在北邊幫,最大位移達(dá)到41 cm。

圖12 天然工況下西北幫邊坡X 方向位移云圖Fig.12 X-displacement nephogram of northwest slope under natural condition

圖13 天然工況下西北幫邊坡Y 方向位移云圖Fig.13 Y-displacement nephogram of northwest slope under natural condition

典型剖面Y=200 m 剖面的位移矢量圖和位移云圖如圖14 和圖15 所示。 分析可知:邊坡上部位移矢量垂直向下,表現(xiàn)為沉降;中部位移矢量近乎與坡面平行,表現(xiàn)為剪切;下部位移矢量在漸近坡趾處表現(xiàn)為剪出。 與之對(duì)應(yīng),位移分布圖在剖面上的表現(xiàn)形態(tài)為:在邊坡中上部呈豎向分布,不與坡面相交,且拐點(diǎn)距坡面較遠(yuǎn);在下部與邊坡底部近乎平行,而后在近坡面處上翹。 這些現(xiàn)象表明,邊坡的潛在破壞以淺表層圓弧剪切破壞為主。

圖14 Y=200 m 剖面位移矢量圖Fig.14 Displacement vector graph of Y=200 m section

圖15 Y=200 m 剖面及其后部邊坡體X 方向位移云圖Fig.15 X-displacement nephogram of Y=200 m profile and its rear slope body

天然工況下邊坡最大主應(yīng)力分布如圖16 所示。由圖16 可知:主應(yīng)力等值線平滑,幾乎相互平行,很少出現(xiàn)突變,僅在巖土體分界面附近區(qū)域和坡腳區(qū)域產(chǎn)生不明顯的應(yīng)力集中效應(yīng),表明凹形的邊坡整體幾何形態(tài)有效降低了邊坡的應(yīng)力集中程度。 從而可以判斷出巖層的分界面以及坡腳容易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象,對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮這些部位的破壞。

圖16 天然工況下邊坡最大主應(yīng)力云圖Fig.16 Maximum principal stress nephogram under natural condition

3.2.2 滲流工況下邊坡穩(wěn)定性分析

安太堡露天礦邊坡的上覆土層為黃土,疏松多孔,當(dāng)滲流經(jīng)其孔隙通過(guò)時(shí),土顆粒與水流圍繞接觸。水流受到土粒的阻力,土粒則受到水的反作用力,因此,當(dāng)黃土邊坡中存在滲流時(shí),對(duì)邊坡的穩(wěn)定性尤其不利。 本節(jié)對(duì)西北幫邊坡在降雨工況下存在滲流時(shí)的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

西北幫邊坡的滲流場(chǎng)如圖17 所示。 由圖17 可知:滲流場(chǎng)方向?yàn)檠刂吰孪蛳?因此,當(dāng)產(chǎn)生滲流時(shí)將對(duì)邊坡土體產(chǎn)生順著邊坡向下的作用力,對(duì)邊坡穩(wěn)定極為不利。

圖17 滲流工況下西北幫邊坡滲流矢量場(chǎng)Fig.17 Flow vectors of northwest slope under seepage condition

滲流工況下,西北幫邊坡位移分布如圖18 和圖19 所示。 分析可知:在滲流工況下西北幫邊坡X、Y方向最大位移分別為45 cm 和70 cm,相比于天然工況下的30 cm 和41 cm,有較大幅度增加,尤其是北幫增量達(dá)到了29 cm。 可見(jiàn),在集中強(qiáng)降雨工況下,邊坡穩(wěn)定性大大降低。

圖18 滲流工況下西北幫邊坡X 方向位移云圖Fig.18 X-displacement nephogram of northwest slope under seepage condition

圖19 滲流工況下西北幫邊坡Y 方向位移云圖Fig.19 Y-displacement nephogram of northwest slope under seepage condition

3.2.3 地震作用下邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡振動(dòng)破壞效應(yīng)是由地震力直接引起的邊坡破壞,一般包括邊坡的水平滑動(dòng)或晃動(dòng),以及共振等,在地震效應(yīng)中是主要的震害。 地震時(shí),由于地震波在地殼表層和地面?zhèn)鞑?使之產(chǎn)生瞬時(shí)振蕩和晃動(dòng),邊坡的各土層也隨之發(fā)生振動(dòng),當(dāng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)超過(guò)他的許可限度時(shí)將造成破壞,即產(chǎn)生慣性力的作用。 為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程,本研究計(jì)算只考慮水平地震力作用,且每次只對(duì)一個(gè)方向施加地震加速度。 地震力是由于地震波在傳播過(guò)程中使地殼巖體中質(zhì)點(diǎn)做加速度簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)引起的。 若質(zhì)點(diǎn)在水平方向做加速度簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),其最大水平加速度可進(jìn)行如下計(jì)算:

式中,amax為最大水平加速度,cm/s2;T為振動(dòng)周期,s;A為振幅,cm。

巖體質(zhì)點(diǎn)在最大水平加速度情況下,其上邊坡所承受的水平慣性力達(dá)到最大值。 據(jù)此,本研究輸入的模型底部的加速度波形如圖20 所示。

圖20 模型底部輸入的水平方向地震加速度時(shí)程曲線Fig.20 Horizontal seismic acceleration time history curve entered at the bottom of model

西邊幫監(jiān)測(cè)點(diǎn)的X方向位移時(shí)程曲線如圖21 所示。 由圖21 可知:無(wú)論是頂部點(diǎn)還是底部點(diǎn)位移都隨著時(shí)間的增加而增大,底部點(diǎn)由于受到周?chē)馏w的約束作用而較小,頂部點(diǎn)由于存在著臨空面,因而其位移較大。

圖21 西邊幫底部點(diǎn)和頂部點(diǎn)X 方向位移時(shí)程曲線Fig.21 X-direction displacement time history curves of bottom and top points of west slope

北邊幫底部點(diǎn)和頂部點(diǎn)Y方向位移時(shí)程曲線如圖22 所示。 由圖22 可知:底部點(diǎn)和頂部點(diǎn)的位移方向均為Y的負(fù)方向,即朝向臨空面。 而位移也是頂部點(diǎn)較大,底部點(diǎn)較小。

圖22 北邊幫底部點(diǎn)和頂部點(diǎn)Y 方向位移時(shí)程曲線Fig.22 Y-direction displacement time history curves bottom point and top point in north slope

3.3 邊坡綜合評(píng)價(jià)方法

邊坡穩(wěn)定性分區(qū)方法多種多樣,有經(jīng)驗(yàn)方法、統(tǒng)計(jì)方法等,但都無(wú)法對(duì)各種影響因素進(jìn)行綜合考慮。本研究采用模糊數(shù)學(xué)方法,在眾多影響因素中選取5個(gè)主要因素對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分區(qū)。 通過(guò)工程地質(zhì)條件研究,確定了山西安太堡露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響因素,運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)該礦邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分區(qū),其中西端幫有一處不穩(wěn)定區(qū)和兩處較不穩(wěn)定區(qū);北端幫有兩處不穩(wěn)定區(qū)和兩處較不穩(wěn)定區(qū)。

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,對(duì)西端幫不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)具有代表性的兩個(gè)剖面建立模型,據(jù)此對(duì)邊坡排水率、土體容重、底滑面黏聚力和內(nèi)摩擦角、側(cè)滑面黏聚力和內(nèi)摩擦角以及地震系數(shù)進(jìn)行了敏感性分析,認(rèn)為滲流和地震是對(duì)該礦邊坡穩(wěn)定性影響較大的因素。

根據(jù)MSARMA 法分析結(jié)論,確定了敏感因子后,利用FLAC3D軟件對(duì)西北幫邊坡進(jìn)行天然工況、滲流工況、地震作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析。 根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果,為了防止滑坡的發(fā)生以及對(duì)安太堡露天礦的安全生產(chǎn)提供保障,對(duì)該礦邊坡進(jìn)行了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明:該礦采用的加固措施和監(jiān)控方法效果較好。

這3 種方法層層遞進(jìn),利用模糊綜合評(píng)價(jià)法首先對(duì)安太堡露天礦工業(yè)廣場(chǎng)周?chē)恼麄€(gè)邊坡區(qū)域進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域劃分,確定出整個(gè)大的范圍內(nèi)邊坡的危險(xiǎn)區(qū)域。 然后針對(duì)不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)具有代表性的邊坡,利用MSARMA 方法得出對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大的幾個(gè)因素。 最后利用FLAC3D有限差分法對(duì)存在危險(xiǎn)區(qū)域邊坡的整個(gè)西北幫邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,得出在敏感因子影響下的西北幫邊坡穩(wěn)定性,從而實(shí)現(xiàn)“面—點(diǎn)—面”的邊坡綜合評(píng)價(jià)。

4 邊坡穩(wěn)定性防治與監(jiān)測(cè)

根據(jù)上述分析計(jì)算可以得出,安太堡露天礦礦聯(lián)井工業(yè)廣場(chǎng)西端幫和北端幫邊坡在集中強(qiáng)降雨形成滲流時(shí)和存在震動(dòng)時(shí)有失穩(wěn)的可能,因此,對(duì)其邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)就顯得極為重要。 依據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果,在該礦危險(xiǎn)區(qū)域構(gòu)建了共 30 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡穩(wěn)態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是何滿潮院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)的基于滑動(dòng)力的變化滑坡遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 該系統(tǒng)主要由兩大部分構(gòu)成:一部分是智能傳感、采集、發(fā)射系統(tǒng),該部分安裝在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng),可將現(xiàn)場(chǎng)錨索等應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集并自動(dòng)發(fā)到接收分析系統(tǒng);另一部分是智能接收分析系統(tǒng),該部分可將現(xiàn)場(chǎng)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)自動(dòng)接收并處理形成動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)曲線和監(jiān)測(cè)預(yù)警曲線,據(jù)此判斷監(jiān)控對(duì)象的穩(wěn)定狀態(tài)[26]。 該系統(tǒng)抓住了邊坡失穩(wěn)的本質(zhì),以宏觀NPR 新型材料為核心,以滑動(dòng)力大于抗剪強(qiáng)度是滑坡產(chǎn)生的充分必要條件為基本研究理念,將邊坡滑坡體、滑床和監(jiān)測(cè)錨索之間的相互力學(xué)關(guān)系作為力學(xué)依據(jù),通過(guò)對(duì)滑動(dòng)力和抗滑力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡災(zāi)變?nèi)^(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和臨滑預(yù)警。 通過(guò)該系統(tǒng)可以很好地對(duì)巖質(zhì)邊坡的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行支護(hù),并可以預(yù)測(cè)邊坡在極端情況下是否會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。 礦井工業(yè)廣場(chǎng)周邊陡幫邊坡穩(wěn)定性遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖23、圖24 所示。

圖23 工業(yè)廣場(chǎng)周邊陡幫邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布Fig.23 Distribution of monitoring stations around industrial square steep slope

圖24 監(jiān)測(cè)點(diǎn)剖面示意Fig.24 Schematic of the profile of monitoring points

各監(jiān)測(cè)剖面、測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況如下:

(1)由于礦聯(lián)井工業(yè)廣場(chǎng)北幫邊坡分布著主斜井、副斜井和回風(fēng)井,邊坡穩(wěn)定性決定著礦山安全可持續(xù)開(kāi)采,故在工業(yè)廣場(chǎng)北幫邊坡布置6 條監(jiān)測(cè)線(監(jiān)測(cè)剖面),由東向西編號(hào)為剖面Ⅰ、剖面Ⅱ、剖面Ⅲ、剖面Ⅳ、剖面Ⅴ和剖面Ⅵ。 其中,根據(jù)邊坡高度、坡度及其工程地質(zhì)特征,在剖面Ⅰ上布置2 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),在剖面Ⅱ上布置2 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),在剖面Ⅲ上布置3 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),在剖面Ⅳ上布置3 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),在剖面Ⅴ上布置3 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),在剖面Ⅵ上布置3 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)按照由坡頂向坡腳順序編號(hào)。

(2)礦聯(lián)井工業(yè)廣場(chǎng)西幫邊坡布置5 條監(jiān)測(cè)線(監(jiān)測(cè)剖面),由北向南編號(hào)為剖面Ⅶ、剖面Ⅷ、剖面Ⅸ、剖面Ⅹ和剖面Ⅺ。 根據(jù)邊坡高度、坡度及其工程地質(zhì)特征,在剖面Ⅶ上布置3 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),在剖面Ⅷ上布置3 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),在剖面Ⅸ上布置3 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),在剖面Ⅹ上布置3 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),在剖面Ⅺ上布置2 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距約20 m,監(jiān)測(cè)點(diǎn)按照由坡頂向坡腳順序編號(hào)。

(3)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)1 個(gè)滑動(dòng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),滑動(dòng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)包括1 根監(jiān)測(cè)錨索和1 臺(tái)應(yīng)力傳感器以及1套智能傳感、采集、發(fā)射系統(tǒng),對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè),共布設(shè)滑動(dòng)力遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)點(diǎn)30 個(gè),本研究任意選擇其中6 個(gè)測(cè)點(diǎn)的曲線進(jìn)行分析,如圖25所示。

圖25 安太堡露天礦滑動(dòng)力遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)曲線Fig.25 Remote intelligent monitoring curves of sliding force of Antaibao Open-pit Mine

由圖25 可知:安太堡露天礦通過(guò)建立和應(yīng)用滑動(dòng)力遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)一體化系統(tǒng),各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的滑動(dòng)力變化趨勢(shì)大致保持穩(wěn)定,監(jiān)測(cè)曲線基本平穩(wěn),表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),充分證實(shí)了滑動(dòng)力遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),科學(xué)有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)該礦邊坡的遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警和邊坡穩(wěn)定性控制。

5 結(jié) 論

(1)本研究提出了一種基于模糊綜合評(píng)價(jià)法、MSARMA 法和FLAC3D的“面—點(diǎn)—面”邊坡綜合評(píng)價(jià)方法,并以安太堡露天煤礦為例進(jìn)行了分析。

(2)針對(duì)該礦邊坡巖體的組成和結(jié)構(gòu)特征,結(jié)合危險(xiǎn)區(qū)巖土的物理力學(xué)特性和實(shí)際工況,利用邊坡綜合評(píng)價(jià)方法劃分了不穩(wěn)定區(qū)域,確定了邊坡穩(wěn)定性的敏感因素,得出了在滲流和震動(dòng)等敏感因子影響下的位移場(chǎng)演變規(guī)律。

(3)根據(jù)安太堡露天礦邊坡危險(xiǎn)性分區(qū)和穩(wěn)定性分析結(jié)果,在其邊坡危險(xiǎn)區(qū)域布設(shè)了30 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了對(duì)邊坡穩(wěn)態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),有效避免了西端幫和北端幫邊坡在集中強(qiáng)降雨形成滲流時(shí)和存在震動(dòng)時(shí)可能造成的安全隱患。