李曉楊

（1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510060；2.廣東省大壩安全技術管理中心，廣東 廣州 510635）

0 引言

對于含蝕變帶的巖質(zhì)邊坡，隨著原有的錨桿或錨網(wǎng)噴支護逐漸喪失錨固能力，蝕變帶周圍巖體出現(xiàn)局部的滑移垮塌，導致邊坡安全系數(shù)下降[1]。對于含軟弱夾層或結(jié)構面的邊坡穩(wěn)定性，許多學者對此開展研究：李龍起等[2]對巖質(zhì)邊坡進行地質(zhì)力學模擬試驗，對巖土體內(nèi)部的軟弱夾層的貫通方式進行研究；范剛等[3]基于希爾伯特—黃變換和邊際譜理論，根據(jù)建立的邊坡振動臺模擬試驗裝置，構建含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡破壞方式的能量判據(jù)；張社榮等[4]采用極限平衡法及強度折減法，對含多層軟弱結(jié)構面的巖質(zhì)邊坡的變形特征及失穩(wěn)機理開展研究；丁立明等[5]采用ANSYS有限元軟件對含軟弱夾層的露天礦坑邊坡進行穩(wěn)定性分析；秦鴻等[6]對于軟弱夾層不同力學條件的多種工況進行有限差分分析，得到各影響因素的不同影響程度；郝亞飛等[7]針對爆破作用下，含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性及巖層爆裂特征進行分析；范剛、張建經(jīng)等[8]為研究軟弱夾層對動力頻譜的傳遞特征，基于傳遞函數(shù)相關理論并結(jié)合振動臺模擬試驗，建立含軟弱夾層傳遞函數(shù)；芮勇勤等[9]針對露天礦坑邊坡的長期穩(wěn)定性進行研究，基于軟弱夾層的非線性蠕變特性，建立修正軟弱夾層流變方程，研究含軟弱夾層邊坡的長期變形特征；年廷凱等[10]以含軟弱夾層邊坡為研究對象，基于有限元強度折減法，建立含軟弱夾層的邊坡三維分析模型；田小甫、孫進忠等[11]采用離散元分析方法，針對不同的軟弱結(jié)構面產(chǎn)狀，分析地震作用下巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。上述學者針對含軟弱夾層或結(jié)構面的巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性及地震響應特性開展分析，采用數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗及振動臺模擬試驗等多種方式，但對于含蝕變帶作用下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性缺乏必要的分析，以及對蝕變帶的不同位置、分布特征等具體工況文獻涉及較少。本文針對不同蝕變帶賦存狀態(tài)，采用有限元極限平衡法對邊坡的穩(wěn)定性開展分析，研究不同位置及多種分布特征的蝕變帶對邊坡的穩(wěn)定性的影響特征。

1 蝕變帶邊坡模型

金屬礦山地質(zhì)成礦時期，地球內(nèi)部熱液與圍巖發(fā)生一系列的化學反應，導致巖土體的內(nèi)部結(jié)構、礦物組分等性質(zhì)產(chǎn)生根本改變，并形成帶狀分布的蝕變帶。由于蝕變帶的力學強度較低，受外力極易破碎，甚至呈粉末狀。因此在分析過程中蝕變帶看作為軟弱結(jié)構面，但同時蝕變帶具有一定的厚度，一般不與地表貫通，且在金礦開采過程中往往不對蝕變帶進行揭露。

為研究蝕變帶位置、分布及形態(tài)對邊坡穩(wěn)定性的影響，建立150×120邊坡數(shù)值計算模型，邊坡角為48°。邊坡模型計算邊界條件為邊坡兩側(cè)對x方向固定，邊坡底部約束所有方向自由度均被約束。邊坡巖土體本構模型為Mohr-coulomb模型，材料強度參數(shù)如表1所示。

對蝕變帶不同工況進行分析，主要考慮以下蝕變帶特征：

工況一：考慮不同蝕變帶位置，分別考慮蝕變帶完全位于滑坡帶內(nèi)部及完全處于外部，以及蝕變帶形心位于80 m、30 m不同高程位置進行分析，蝕變帶形狀為長10 m、寬30 m的矩形；

工況二：對蝕變帶的傾斜角度，分別考慮蝕變帶傾角為0°、30°、45°、60°、90°、120°條件，分析邊坡穩(wěn)定性。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 不同蝕變帶位置

分析方法采用Morgenstern-Price法[12]，根據(jù)力的平衡原理可得，與滑動面垂直方向的靜力平衡方程為：

式中：傾角為βi，條塊自重為Gi，外荷載為Qi，條間法向力為Ei，力平衡系數(shù)為μ，條間法向力與切向力關系函數(shù)為g（x），法向力與切向力之間關系為Y=μg（x），水壓力為 Ui。

對無蝕變帶及5種不同蝕變帶位置的邊坡模型進行分析，結(jié)果如表2所示。

圖1 不同蝕變帶位置邊坡安全系數(shù)

表1 材料強度參數(shù)

根據(jù)表2及圖1可以得到：當蝕變帶位于滑坡體內(nèi)，邊坡的安全系數(shù)高于無蝕變帶條件，原因在于蝕變帶的存在使得滑坡體的總體重量減小，因此滑坡體的下滑力減小，在一定范圍內(nèi)，蝕變帶體量越大對邊坡的穩(wěn)定性越好。

表2 不同蝕變帶位置計算結(jié)果

對于蝕變帶形心位置，當位于邊坡體中部時，邊坡安全系數(shù)分別為2.54、2.55，可以認為無變化，但當蝕變帶與滑坡帶存在一定重合時，蝕變帶的存在導致邊坡的安全系數(shù)小于無蝕變帶情況；當蝕變帶位于坡體下部且與滑坡體存在重合時，會導致邊坡的穩(wěn)定性降低，發(fā)生滑坡的概率高于無蝕變帶及蝕變帶位于中部的情況，但當蝕變帶與滑坡體存在一定距離時，邊坡安全系數(shù)為2.64，可以認為與無蝕變帶情況邊坡安全系數(shù)2.63無變化。

2.2 蝕變帶分布特征

根據(jù)對工況一的分析結(jié)果，蝕變帶與滑面帶相交時，對邊坡的穩(wěn)定性影響較大。因此，對于工況二分析蝕變帶的傾斜角度，僅考慮蝕變帶與滑坡帶相交的情況，分別考慮蝕變帶傾角為0°、30°、45°、70°、90°、120°條件。

表3為不同蝕變帶角度計算結(jié)果。

由表3及圖2所示，蝕變帶傾角對邊坡的安全系數(shù)產(chǎn)生不利影響，當蝕變帶傾角為45°時，降低幅度最大可達25.48%；當傾角小于45°時，邊坡安全系數(shù)隨著蝕變帶傾角的增大而逐漸減小，滑坡發(fā)生概率增大；當傾角大于45°時，邊坡安全系數(shù)隨著傾角的增大而增大，邊坡穩(wěn)定性較好。

圖2 不同蝕變帶傾角邊坡安全系數(shù)

蝕變帶的存在極易導致巖質(zhì)邊坡的局部失穩(wěn)滑移，嚴重威脅邊坡的安全。通過對蝕變帶位置及傾角對邊坡安全系數(shù)的影響分析，當蝕變帶與滑坡帶相交時，且蝕變帶傾角處于40°～50°范圍內(nèi)時，邊坡處于最不安全狀態(tài)。因此，對于邊坡的穩(wěn)定性分析應充分勘探坡體內(nèi)部的地質(zhì)構造。

3 結(jié)論

對不同蝕變帶工況影響下的邊坡穩(wěn)定性開展分析，分別考慮不同蝕變帶位置、蝕變帶的傾斜角度對邊坡穩(wěn)定性的影響，采用半正弦函數(shù)的Morgenstern-Price法得到不同工況的安全系數(shù)，可以得到如下結(jié)論：

（1）蝕變帶存在于滑坡體內(nèi)，有利于邊坡的穩(wěn)定性；蝕變帶與滑坡體存在一定的重合，對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響；當蝕變帶與滑坡體存在一定的距離，對邊坡的穩(wěn)定性幾乎不產(chǎn)生影響。

（2）蝕變帶傾角對邊坡安全系數(shù)產(chǎn)生明顯的影響，當傾角為45°時，邊坡安全系數(shù)最低，考慮巖質(zhì)邊坡的實際情況，在工程實踐中可以認為，當40°＜傾角α＜50°時，安全系數(shù)急劇下降，邊坡處于最不安全狀態(tài)。

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