研山鐵礦西幫反傾巖質(zhì)邊坡變形監(jiān)測及數(shù)值模擬分析

劉 洋 楊天鴻 李 華,3 楊意德 趙 永 李金多 鄧文學(xué)

(1.東北大學(xué)資源土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819;2.東北大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究所,遼寧 沈陽 110819;3.河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司,河北 唐山 063701)

隨著國家資源的開發(fā)以及工程建設(shè)的迅速發(fā)展,大量反傾巖質(zhì)邊坡的變形穩(wěn)定性問題被發(fā)現(xiàn)和提出,在一些重大工程中,反傾巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性成為無法回避的關(guān)鍵性工程地質(zhì)問題。 一般認為反傾邊坡較其他結(jié)構(gòu)類型邊坡穩(wěn)定,不易發(fā)生失穩(wěn),不易形成貫通滑動面,因此對此類型邊坡穩(wěn)定性的研究成果相對薄弱[1-3]。 大量工程實例表明,反傾邊坡變形破壞形成彎曲拉裂面一般需經(jīng)歷較長的孕育過程,一旦失穩(wěn),其破壞程度通常是劇烈的,且造成的危害也相當嚴重[4-7]。

國內(nèi)外學(xué)者從試驗和數(shù)值模擬角度針對反傾邊坡變形破壞問題進行了廣泛的研究。 陶志剛等[8]研究結(jié)果表明:層狀反傾邊坡變形過程具有明顯的“疊合懸臂梁”變形特征,其傾倒機制主要表現(xiàn)為巖層初始裂紋產(chǎn)生、巖層裂紋發(fā)育以及滑動面貫通邊坡失穩(wěn)3 個階段。 李彥奇等[9]進行了相似材料模型試驗,通過監(jiān)測點位移及法向應(yīng)力監(jiān)測驗證數(shù)值模型,模擬了反傾巖質(zhì)邊坡坡體傾倒變形破壞全過程。 李明霞等[10]利用離散元軟件UDEC 對層狀反傾巖質(zhì)邊坡進行模擬分析得出邊坡坡高、坡角、層面結(jié)構(gòu)、力學(xué)參數(shù)(層面傾角、層面產(chǎn)狀、巖層強度)及坡面與層面夾角等因素均對邊坡傾倒變形有顯著影響。 黃潤秋等[11]以皖南某高速公路反傾層狀邊坡為例,使用離散元法分析了其傾倒破壞機理并揭示了邊坡變形分區(qū)現(xiàn)象。

目前,數(shù)值模擬普遍作為特定條件下的機理分析手段,但無法實現(xiàn)動態(tài)改變條件時的實時模擬分析?，F(xiàn)場監(jiān)測手段可有效獲取巖體位移以及微破裂信息,通過進行反演分析來實時獲取巖體力學(xué)參數(shù)與邊界位移條件[12]。 不少學(xué)者已將監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)值模擬作為研究邊坡穩(wěn)定性的有效手段[13-15]。 白潔等[16]以苗尾水電站為例,結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)和反傾層狀巖質(zhì)邊坡有限元模型,研究了反傾邊坡變形特點及穩(wěn)定性影響因素;楊建華等[17]采用現(xiàn)場巖體位移監(jiān)測、錨索軸力監(jiān)測及數(shù)值模擬手段研究了爆破開挖擾動下錨固節(jié)理巖質(zhì)邊坡的位移突變特征及其能量機理。 XU等[18]將微震數(shù)據(jù)與RFPA 數(shù)值模擬相結(jié)合,提出考慮微震損傷效應(yīng)的巖體劣化準則,對錦屏一級水電站邊坡穩(wěn)定性進行了分析。

本研究以研山西幫反傾巖質(zhì)邊坡為例,在西幫重點區(qū)域應(yīng)用鉆孔測斜儀、錨桿應(yīng)力計、微震監(jiān)測、高清攝像頭進行坡內(nèi)及坡表協(xié)同監(jiān)測,通過對坡體內(nèi)部位移、應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果進行分析,判斷邊坡潛在風(fēng)險,基于微震監(jiān)測的潛在破壞模式及微震事件的時空演化趨勢分析,輔以Phase2 有限元數(shù)值模擬軟件采用監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段,對研山西幫反傾巖質(zhì)邊坡變形機制進行探討。

1 工程地質(zhì)概況及三維地質(zhì)模型

1.1 工程地質(zhì)特征

研山鐵礦是國內(nèi)特大型露天沉積變質(zhì)型鐵礦,研山西幫邊坡位于礦體上盤,屬于反傾巖質(zhì)邊坡,且層理角度較緩約為12°。 由于西幫為工作幫,除了局部的第四系邊坡靠幫到界以外,大部分的臺階尚未到界,西幫邊坡境界外仍具有大量已探明的礦體資源,西幫邊坡境界外賦存的礦體厚大,礦石儲量高達1.6億t。 隨著礦山生產(chǎn)能力不斷提升,采場降深速度較快,礦場封閉圈標高+30 m,現(xiàn)已開采至-217 m 境界。 礦區(qū)內(nèi)第四系表土層厚大,覆蓋在最上部,第四系表土層以下,臺階大多數(shù)采用65°左右的臺階坡面角,就目前來看能保持穩(wěn)定性,并無滑坡跡象。 研山西幫主要巖性有含燧石條帶白云巖和石英砂巖,目前揭露的巖體中并未發(fā)現(xiàn)有不良地質(zhì)體(斷層、局部破碎帶)出露。

1.2 三維地質(zhì)模型

在對采場地質(zhì)勘探及測繪獲取的地質(zhì)資料進行解譯推斷的基礎(chǔ)上,對研山鐵礦進行了三維地質(zhì)建模。 如圖1 所示,三維模型中包含了巖性分界面以及地層分布情況,隨著西幫第四系厚覆土層邊坡的有效治理以及開采深度不斷下降,西幫邊坡巖體由含燧石白云巖逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閹r體質(zhì)量更佳的石英砂巖,坑底為混合巖化黑云變粒巖和分枝復(fù)合的BIF 型礦體,西幫邊坡巖性由上部到坑底強度依次提高。

圖1 研山鐵礦三維地質(zhì)模型Fig.1 Three-dimensional geological model of Yanshan Iron Mine

2 邊坡原位監(jiān)測

2.1 監(jiān)測布置方案

考慮到采場邊坡潛在風(fēng)險區(qū)域,并根據(jù)研山西幫采場工程地質(zhì)及運輸路線的布設(shè)情況,選擇研山鐵礦西幫西北部-21～-52 m 已靠幫邊坡為變形監(jiān)測的重點研究區(qū)域。 協(xié)同監(jiān)測布置方案如圖2 所示,監(jiān)測區(qū)域為含燧石白云巖和白云巖與石英砂巖互層巖性界面,鉆孔測斜儀孔深30 m,3 個傳感器編號依次為1#、2#、3#,分別位于孔內(nèi)3、14、25 m 處。 錨桿應(yīng)力計孔深均為20,-42 m 和-30 m 平臺各布置4 個傳感器,傳感器間距為4 m,編號依次為 1#、2#、3#、4#(-42 m)和5#、6#、7#、8#(-30 m)。 微震傳感器分別布設(shè)在坡腳處約30°的6 m 傾斜孔底部。 高清攝像頭布置在-42 m 平臺北側(cè)。

圖2 監(jiān)測區(qū)域示意Fig.2 Schematic of the monitoring area

2.2 錨桿應(yīng)力計監(jiān)測結(jié)果

當邊坡內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力變化時,錨桿應(yīng)力計將感受到的拉伸或壓縮變形,傳遞給振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化,從而改變振弦的振動頻率。 2021 年8 月—2021 年9 月-42 m 及-30 m 平臺錨桿應(yīng)力計振動頻率變化量曲線及采場雨量統(tǒng)計結(jié)果如圖3 所示。 由圖3 可知,-42 m 平臺應(yīng)力計數(shù)據(jù)波動特征為:受8月中旬、9 月中旬降雨影響;1#傳感器位于鉆孔4 m處,有明顯應(yīng)力波動;2#傳感器位于鉆孔8 m 處,應(yīng)力波動小于1#傳感器;3#傳感器位于鉆孔12 m 處;在8月中旬降雨時出現(xiàn)明顯的應(yīng)力波動;4#傳感器位于鉆孔16 m 處,僅有微弱的應(yīng)力波動。

圖3 應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果及降雨統(tǒng)計(2021 年)Fig.3 Statistics of stress monitoring results and rainfall (2021)

5#傳感器前期進行了檢查調(diào)試過程,8#傳感器經(jīng)檢查為設(shè)備損壞,故不考慮其監(jiān)測數(shù)據(jù)。 -25 m 平臺應(yīng)力計數(shù)據(jù)波動特征為:受9 月中旬降雨影響,5#傳感器位于鉆孔4 m 處,應(yīng)力波動最大;6#、7#傳感器分別位于鉆孔8 m、12 m 處,應(yīng)力波動依次減小。

2.3 鉆孔測斜儀監(jiān)測結(jié)果

測斜儀是一種量測儀器軸線與鉛垂線之間夾角的變化量,進而計算出巖土層各點的水平位移的儀器。 邊坡深部位移監(jiān)測是研究邊坡深部位移變化特征行之有效的手段[19]。 2021 年8 月—2021 年9 月3個鉆孔測斜儀角度變化量曲線如圖4 所示。 分析可知:邊坡未受降雨影響產(chǎn)生位移變化,鉆孔測斜儀1#、2#、3#初始值分別為-0. 67°、-2. 493°、-1. 411°,2021 年9 月末數(shù)值變?yōu)?0.697°、-2.504°、-1.411°,差值分別為-0. 027°、-0. 011°、0°。 由此可知,位于鉆孔3 m 處的1#測斜儀夾角變化最大,其次是位于鉆孔14 m 處的2#測斜儀,位于鉆孔25 m 處的3#測斜儀位移沒有變化。

圖4 位移監(jiān)測曲線Fig.4 Displacement monitoring curves

2.4 微震監(jiān)測結(jié)果解譯

2.4.1 微震事件的時空演化趨勢

微震系統(tǒng)于2021 年8 月底正式運行,對微震事件進行了實時處理,包括了波形識別、到時拾取、定位等工作。 8 月30 日—10 月19 日共處理得到108 個有效微震事件,日平均2.8 個微震事件。 統(tǒng)計了微震事件空間分布狀態(tài),并計算得出監(jiān)測區(qū)域的能量密度云圖,結(jié)果如圖5 所示。 由圖5 可知:微震事件主要在-30～-52 m 平臺邊坡淺層集中程度較高,深部分布少且較離散。 此外,高能量微震事件主要集中于-75 m 平臺以下,更接近于現(xiàn)場爆破區(qū)域,-88 m 平臺附近的高能量微震事件主要由爆破開挖引起。

圖5 微震能量密度云圖Fig.5 Microseismic energy density cloud map

通過對微震數(shù)據(jù)進一步分析,計算得出監(jiān)測區(qū)域的應(yīng)力降(巖石破壞時應(yīng)力由峰值強度降為殘余強度的現(xiàn)象)云圖如圖6 所示。 由圖6 可知:微震事件高能量集中區(qū)在-52～-75 m 平臺淺層分布明顯,應(yīng)力釋放也表現(xiàn)出了相同的特性,由此可見,高坡段為潛在失穩(wěn)破壞區(qū)域。

圖6 應(yīng)力降現(xiàn)象Fig.6 Stress drop phenomenon

2.4.2 基于微震監(jiān)測的潛在破壞模式分析

為進一步分析監(jiān)測區(qū)域的潛在破壞模式,對微震事件的波形進行了深入討論,計算了各個微震事件的P 波能量與S 波能量,獲取了ES∶EP參數(shù)。 當ES∶EP<3 時,表示巖體破裂類型為張拉破裂;ES∶EP>10 時,表示巖體破裂類型為剪切破裂;310 的微震事件占比為6. 5%。由此可見,上述分析的潛在失穩(wěn)破壞區(qū)域的破裂模式主要為張拉破裂。

圖7 微震事件ES ∶EP 值分布Fig.7 Distribution of the ES ∶EP values of microseismic events

2.5 監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)目前獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知,通過高清攝像頭觀察邊坡并無大變形等滑坡前兆,鉆孔測斜儀及錨桿應(yīng)力計監(jiān)測結(jié)果顯示,僅坡內(nèi)14 m 深度及以上有較小的位移變化,深部無位移變化,受降雨影響坡內(nèi)發(fā)生較明顯的應(yīng)力波動。 坡內(nèi)位移及應(yīng)力變化量均隨著深度增加呈減小趨勢,從邊坡水平位移變化量趨于平穩(wěn)來看,目前邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。 微震監(jiān)測發(fā)現(xiàn)-30～-75 m 平臺邊坡微震事件呈現(xiàn)出了密集—貫通性分布狀態(tài),但是根據(jù)位移及應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果來看,邊坡沿坡腳發(fā)生切層滑移的可能性不大。 從微震事件分布情況及反演分析得出邊坡存在高坡段失穩(wěn)破壞的潛在風(fēng)險,且淺層有形成拉裂松動破壞趨勢。

3 邊坡破壞過程數(shù)值模擬

3.1 計算模型構(gòu)建及參數(shù)選取

本研究采用Phase2 軟件進行數(shù)值模擬分析,該款軟件的強度折減模塊是對巖土體材料本身以及結(jié)構(gòu)面同時自動折減,本研究通過結(jié)構(gòu)面折減有限元法分析反傾巖質(zhì)邊坡變形機制[20]。 數(shù)值模擬以三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ),針對西幫局部-30～-52 m 臺階監(jiān)測設(shè)備布設(shè)區(qū)域進行二維剖面建模,構(gòu)建的有限元網(wǎng)格模型如圖8 所示。 模型位移邊界條件為:模型上部為自由邊界,左右兩側(cè)邊界結(jié)點建立法向位移約束,底部結(jié)點建立水平和法向剛性約束,設(shè)置層理角為12°。 模型上部為含燧石條帶白云巖,下部為白云巖與石英砂巖互層,兩種巖性的巖體抗剪強度、彈性模量等參數(shù)根據(jù)巖石試驗成果進行了經(jīng)驗折減,結(jié)果見表1。 結(jié)合現(xiàn)場邊坡節(jié)理實測結(jié)果,添加了隨機豎向節(jié)理進行數(shù)值模擬,節(jié)理幾何參數(shù)取值見表2。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock mass

表2 節(jié)理力學(xué)參數(shù)Table 2 Joint mechanical parameters

圖8 有限元網(wǎng)格模型Fig.8 Finite element mesh model

3.2 計算結(jié)果分析

通過Phase2 模擬位移場的變化規(guī)律,可以直觀地反映實際的變形破壞特征[21]。 數(shù)值模擬結(jié)果不僅能得到巖質(zhì)邊坡安全系數(shù),也能再現(xiàn)邊坡失穩(wěn)過程中巖石微破裂萌生、發(fā)育、擴展、相互作用直至貫通形成潛在滑裂面全過程[22]。 數(shù)值計算結(jié)果如圖9 和圖10所示,邊坡發(fā)生屈服破壞時所受剪切與張拉應(yīng)力分布情況可以通過Ⅰ、Ⅰ′和Ⅱ、Ⅱ′兩個破裂區(qū)對比看出,邊坡為拉應(yīng)力主導(dǎo)的變形破壞。 從邊坡變形破壞位移云圖(圖9)來看,邊坡在豎向節(jié)理與反傾層理的切割作用下逐漸形成貫通滑動面,下部臺階先發(fā)生拉裂破壞,下部臺階拉裂滑移對上部臺階的牽引作用,使得上部臺階出現(xiàn)了明顯的拉張裂縫并伴隨有傾倒破壞趨勢,邊坡沿著下部臺階向外滑移,滑出位置為距坡腳一定位置的臺階面上,整體邊坡為傾倒滑移變形。

圖9 邊坡變形破壞位移云圖Fig.9 Displacement nephogram of slope deformation and failure

圖10 邊坡破壞分析結(jié)果Fig.10 Slope failure analysis results

從現(xiàn)場實踐角度分析,邊坡受爆破開挖影響易發(fā)生裂隙擴展,從而導(dǎo)致坡體淺層局部松動卸荷,有發(fā)生拉裂破壞的潛在風(fēng)險,故需密切關(guān)注監(jiān)測數(shù)據(jù)變化,及時對滑坡風(fēng)險進行預(yù)測預(yù)警。

4 結(jié) 論

對研山西幫研究區(qū)域反傾巖質(zhì)邊坡的變形機制進行分析,得出如下結(jié)論:

(1)原位監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法更貼合邊坡工程實際情況,通過微震監(jiān)測反演得到的潛在滑動面及破壞模式與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致,較好地揭示了反傾巖質(zhì)邊坡變形機制。

(2)監(jiān)測結(jié)果顯示,受降雨影響坡內(nèi)發(fā)生了明顯的應(yīng)力波動,但邊坡水平位移變化量趨于平穩(wěn),邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。 綜合分析邊坡潛在變形破壞機制為下部臺階先發(fā)生拉裂破壞,由于下部臺階拉裂滑移對上部臺階的牽引作用,上部臺階受拉傾倒,整體邊坡為傾倒滑移變形。

(3)本研究尚存不足之處,前期監(jiān)測數(shù)據(jù)較少,長期穩(wěn)定的監(jiān)測數(shù)據(jù)對于研究反傾巖質(zhì)邊坡變形機制更具有指導(dǎo)意義。