基于極限平衡法和有限元法的邊坡穩(wěn)定性綜合分析

郭子鈺，王 勇，李曉俊，王 輝

（1.中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.國家能源集團國神公司 大南湖二礦，新疆 哈密 839000）

滑坡作為一種地質(zhì)災(zāi)害，它的影響因素繁多。針對軟巖露天礦而言，弱層是影響露天煤礦順傾軟巖邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一[1]。王振偉等[2]通過改變?nèi)鯇游恢?、厚度、傾角等參數(shù)，應(yīng)用FLAC3D程序探究其變形破壞模式及穩(wěn)定性變化規(guī)律，闡明邊坡破壞機理，并提出相應(yīng)的災(zāi)害防控技術(shù)措施；張謙等[3]應(yīng)用CDEM 方法對不同工況下的含弱層邊坡進行數(shù)值分析，結(jié)果表明當(dāng)弱層位置固定時，隨著弱層傾角的增大，對邊坡的影響程度降低，邊坡穩(wěn)定性提高，當(dāng)弱層傾角一定時，弱層的位置離坡肩越近，對邊坡的影響程度越大，邊坡穩(wěn)定性下降，在含弱層的順傾邊坡中，在巖層分界面處最容易受到破壞；李偉[4]、侯成恒[5]、曹蘭柱等[6]通過FLAC3D、ANSYS 等數(shù)值分析方法，分析了含弱層邊坡破壞變形特征，總結(jié)得出受弱層控制的邊坡破壞模式及最危險滑動面；KARIMOV[7]采用理論分析與數(shù)值模擬方法綜合分析了復(fù)合順傾弱層的滑坡形式及破壞機理；李芳瑋等[8]、王東等[9]、曹蘭柱等[10]通過數(shù)值模擬方法，研究復(fù)合煤層邊坡、順傾弱層群邊坡形態(tài)分段優(yōu)化，確定受弱層影響下最優(yōu)邊坡形態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化；侯志鷹等[11]應(yīng)用有限元方法，模擬開采過程中受相鄰順傾弱層影響下的邊坡穩(wěn)定，分析邊坡巖體應(yīng)力狀態(tài)及邊坡變形運動趨勢。

上述學(xué)者主要通過理論分析、數(shù)值模擬等方法，對含有弱層邊坡穩(wěn)定性及變形破壞機理開展研究。為此，在前人的研究基礎(chǔ)上，采用極限平衡法和有限元法2 種不同方法，綜合描述邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，分析邊坡位移變化趨勢、剪切應(yīng)變、安全系數(shù)等指標(biāo)。

1 工程背景和數(shù)值模擬模型

軟巖露天礦中在開發(fā)建設(shè)過程中，幾乎都發(fā)生過一定規(guī)模和數(shù)量的滑坡，嚴(yán)重制約我國軟巖露天煤礦的安全、經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。以撫順露天礦為例，進行含弱層邊坡穩(wěn)定性分析。撫順東露天礦南幫為順層邊坡，凝灰?guī)r層在煤層下部，在開采過程中，由于凝灰?guī)r巖土力學(xué)參數(shù)較弱，可能對邊坡安全有一定影響。因此，建立含有弱層的邊坡模型，驗證軟巖邊坡中弱層對邊坡穩(wěn)定的影響，采用極限平衡和有限元法綜合描述邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，為撫順東露天礦邊坡防治提供參考。

模型巖層分布圖如圖1。結(jié)合工程實際經(jīng)驗選取計算參數(shù)指標(biāo)，得出巖土體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

圖1 邊坡模型

建立含有弱層的有限元及極限平衡邊坡計算模型，模擬分析邊坡位移變化趨勢、剪切應(yīng)變變化特征及安全系數(shù)等，互相驗證模型準(zhǔn)確性及綜合評判邊坡狀態(tài)。采用2 種模擬方案：①方案A：保留弱層；②方案B：清除部分弱層。

計算流程為：①根據(jù)地質(zhì)資料建立有限元計算模型進行邊坡穩(wěn)定分析；②在通過強度折減法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；③在通過極限平衡法驗證滑弧及穩(wěn)定性系數(shù)。

在有限元分析中，模型網(wǎng)格劃分采用四邊形網(wǎng)格，坡面區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格，遠(yuǎn)離坡面網(wǎng)格較大，坡體底邊界為固定約束，左、右邊界為水平約束，上邊界為自由段。本構(gòu)模型采用Mohr－Coulomb 模型，采用位移收斂準(zhǔn)則，加載方式為自重加載。計算中通過強度折減法，計算至邊坡破壞標(biāo)準(zhǔn)，此時折減系數(shù)為邊坡穩(wěn)定系數(shù)。為此，利用強度折減法逐級對黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ 值進行折減，直到數(shù)值解出現(xiàn)不收斂或者形成塑性貫通區(qū)域為止。

針對典型剖面建立的數(shù)值模型，采用2 種不同方案進行對比分析：方案A 最終開采至－230 m 標(biāo)高，沿著煤層底板向上，邊坡角度為30°，完全保留弱層；方案B 最終開采至－230 m 標(biāo)高，其中沿著煤層底板向上采至－116 m 標(biāo)高，邊坡角度23°，－116 m 以上標(biāo)高邊坡角度為30°，清除部分弱層。

2 數(shù)值計算結(jié)果

對剖面進行有限元分析，采用施工階段方式進行，先進行邊坡變形模擬，通過強度折減法進行計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，得到邊坡剪切應(yīng)變、邊坡位移趨勢、安全穩(wěn)定性系數(shù)等結(jié)果。位移變化趨勢矢量云圖如圖2，剪切應(yīng)變云圖如圖3。

圖2 位移變化趨勢矢量云圖

圖3 剪切應(yīng)變云圖

由圖2（a）可知方案A 的邊坡滑移趨勢主要在坡面中部的凝灰?guī)r（弱層）處，在重力的作用下擠壓巖層，邊坡頂部發(fā)生沉降變形趨勢，使得邊坡模型在凝灰?guī)r（弱層）處剪切而出；由圖2（b）可知方案B 的邊坡滑移趨勢，將凝灰?guī)r（弱層）沿著底板清除部分，在重力作用下，邊坡頂部仍是發(fā)生沉降變形，邊坡底部有微小水平趨勢，但是在邊坡坡面處基本沒有水平方向的滑移趨勢。因此，方案B 清除部分弱層，可以有效地減弱含弱層邊坡坡面的水平變形，減小滑坡事故。

再結(jié)合圖3（a）方案A 的剪切應(yīng)變帶云圖，剪切應(yīng)變區(qū)域已經(jīng)基本貫穿弱層中部，并有向上擴展趨勢，再結(jié)合位移變化趨勢云圖，邊坡模型基本被破壞，破壞模式為滑移剪切式；對比圖3（b）方案B 剪切應(yīng)變云圖，邊坡模型的剪切應(yīng)變帶沒有貫穿邊坡模型，在煤層中緩慢擴展，可以清晰地發(fā)現(xiàn)，清除部分弱層，有利于邊坡穩(wěn)定。

通過有限元分析，了解了邊坡的變形趨勢及剪切應(yīng)變帶擴展，為了更進一步驗證邊坡的滑面范圍，采用極限平衡方法進行驗證，極限平衡滑面范圍圖如圖4。

圖4 極限平衡滑面范圍圖

由圖4 可知，邊坡的滑面基本與有限元的剪切應(yīng)變帶、位移變化趨勢一致，方案A 中滑面在凝灰?guī)r（弱層）處產(chǎn)生圓弧折線滑面，方案B 中沿著邊坡內(nèi)部的夾煤層產(chǎn)生圓弧折線滑面，也驗證了清除部分弱層后，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)有所增加，邊坡更加穩(wěn)定。

為了更明確邊坡狀態(tài)，采用有限元中的強度折減法和極限平衡法2 種方法，對邊坡穩(wěn)定性進行評判，安全系數(shù)對比圖如圖5。

圖5 安全系數(shù)對比圖

由圖5 可知：方案A 中2 種方法安全系數(shù)有所不同，但是對比邊坡位移趨勢和剪切應(yīng)變，可以綜合判斷邊坡失穩(wěn)；將邊坡弱層清除部分后，邊坡穩(wěn)定性有所提升，都可以達到1.3 以上。

3 結(jié)語

1）含有弱層的軟巖邊坡方案A，穩(wěn)定性較差，滑面在弱層范圍內(nèi)；清除部分弱層方案B 可增加邊坡穩(wěn)定。

2）含有弱層的軟巖邊坡方案A，邊坡模型被剪切應(yīng)變帶貫通，在弱層中底部剪出，上部呈現(xiàn)滑移趨勢，邊坡破壞模式為滑移剪切式。方案B 邊坡模型剪切應(yīng)變帶未擴展貫通整個邊坡。

3）有限元法與極限平衡法的滑面預(yù)測基本一致。