楊宮印，崔鵬艷，陳玉明

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；2.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源與工程學(xué)院，，云南 昆明 650000)

0 引言

邊坡內(nèi)部軟弱夾層往往會(huì)成為導(dǎo)致其失穩(wěn)的重要因素[1]。軟弱夾層的存在破壞了巖體的整體性，其結(jié)構(gòu)組成具有成分不統(tǒng)一、顆粒不穩(wěn)定、充填物物理性質(zhì)差異大等特點(diǎn)，它的存在對(duì)邊坡變形及強(qiáng)度指標(biāo)有很大影響，是邊坡工程重點(diǎn)監(jiān)測(cè)與控制對(duì)象[2-3]，新時(shí)代對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提出了新要求，礦業(yè)產(chǎn)生安全備受各界關(guān)注，露天礦邊坡穩(wěn)定性也成為企業(yè)、科研院所重點(diǎn)研究的范疇。國(guó)內(nèi)外最具代表的研究有Grgiggs[4]的流變理論、費(fèi)先科[5]靜力學(xué)作用論、許保田[6]等人則是通過塑性實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，唐春安[7]、肖正學(xué)[8]、張際春[9]等先后利用RFPA、ANSYS、Nastran等數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析，也取得了許多可喜成果，為確保邊坡穩(wěn)、提高安全系數(shù)作出了巨大貢獻(xiàn)。本文采用FLAC3D數(shù)值分析軟件，通過“混合離散法”對(duì)邊坡的塑性破壞和塑性流動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬研究，結(jié)合實(shí)際邊坡工程，針對(duì)影響含軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性的4個(gè)重要因素，建立4組16個(gè)數(shù)值分析模型，系統(tǒng)研究了軟弱夾層各影響因素對(duì)露天礦邊坡物理特性及塑性流動(dòng)特征的變化規(guī)律，為該礦進(jìn)行邊坡綜合治理提供可靠的理論依據(jù)。

1 工程概況

某石英石露天礦位于甘肅省金昌市境內(nèi)。目前，礦山已進(jìn)入露天深部開采階段，主要?jiǎng)儾勺鳂I(yè)位于1768 m水平，作業(yè)水平以上已形成了5個(gè)平臺(tái)，分別為1826 m、1816 m、1792 m、1780 m、1768 m平臺(tái)。礦床內(nèi)含有砂質(zhì)泥巖軟弱夾層，走向?yàn)镹W，傾向SW，傾角15°～20°，平均厚0.8～2.2 m，其天然單軸抗壓強(qiáng)度為27.6 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.89 MPa；礦區(qū)圍巖黏聚力C=21.3 kPa，內(nèi)摩擦角φ=24.8°。露天境界內(nèi)廢石剝離總量約1024.7萬噸。露天邊坡最終邊坡為45°，坡面角65°，清掃平臺(tái)寬度為8～12 m，安全平臺(tái)寬度為5 m，本次剝離長(zhǎng)度約350 m，從1826 m水平開始，平均剝離寬度為35 m，總剝離量約為500 000 m3。隨著開采深度及剝采規(guī)模的持續(xù)增大，局部區(qū)段邊坡產(chǎn)生了變形破壞，出現(xiàn)了裂縫及坍塌現(xiàn)象。軟弱夾層的存在是影響該巖體穩(wěn)定性的主要因素之一，研究含軟弱夾層邊坡的變形規(guī)律和失穩(wěn)破壞機(jī)理，是礦山的當(dāng)務(wù)之急，也是保障礦山持續(xù)高效的開采的前提條件，研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[10]。

2 數(shù)據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)研究

利用有限元強(qiáng)度折減法判定邊坡穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)有三種：① 根據(jù)邊坡內(nèi)部某一部分的安全系數(shù)與位移之間的變化特征確定失穩(wěn)狀態(tài)；② 根據(jù)計(jì)算結(jié)果中的物理量變化和分布為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷；③ 利用有限元數(shù)值模擬軟件中的收斂性確定失穩(wěn)狀態(tài)[11]。本次研究基于前兩種判定標(biāo)準(zhǔn)，利用FLAC3D軟件中的SRM法進(jìn)行研究分析，建立了RFPA-SRM數(shù)值計(jì)算模式。本次研究在保證模擬實(shí)驗(yàn)物理相似、幾何相似的基礎(chǔ)上，建了相對(duì)簡(jiǎn)化的邊坡模型(表1)。

模擬實(shí)驗(yàn)過程分別選取了軟弱夾層厚度D、傾角θ、黏聚力C、摩擦角φ為控制變量，探求了不同物理參數(shù)條件下軟弱夾層對(duì)露天礦邊穩(wěn)定性的破壞規(guī)律。表2為軟弱夾層各影響因素取值[12]。

表1 邊坡模型幾何參數(shù)

表2 軟弱夾層各影響因素取值

2.1 軟弱夾層厚度對(duì)邊坡變形及安全系數(shù)的影響

夾層厚度是影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一。本組實(shí)驗(yàn)按表2參數(shù)進(jìn)行，其他變量與實(shí)際工程保持一致，即θ=15°、C=5.0 kPa、φ=24.8°。數(shù)值模型及邊坡變形總位移見圖1。圖1中紅色為位移較大的區(qū)域，藍(lán)色為位移較小的區(qū)域。圖2為變形總位移隨夾層厚度的變化規(guī)律。

利用軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，得出不同夾層厚度條件下邊坡安全系數(shù)(圖3)，其中D=1 m時(shí)，安全系數(shù)略小于1.3，說明礦區(qū)初始狀態(tài)下，邊坡已存在不安全隱患，礦山應(yīng)高度重視[13]。

2.2 軟弱夾層傾角對(duì)邊坡變形及安全系數(shù)的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，發(fā)現(xiàn)軟弱夾層傾角的大小及位置對(duì)巖體發(fā)生裂縫、滑動(dòng)、崩塌現(xiàn)象有著密切聯(lián)系，為研究軟弱夾層傾角與巖體強(qiáng)度及邊坡的安全系數(shù)，進(jìn)行本組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)按表2參數(shù)進(jìn)行，其他變量與實(shí)際工程保持一致，即D=1.0 m、C=5.0 kPa、φ=24.8°。數(shù)值模型及邊坡變形總位移見圖4。在不同夾層傾角條件下，圖4中紅色為位移較大的區(qū)域，藍(lán)色為位移較小的區(qū)域。圖5為變形總位移隨夾層傾角的變化規(guī)律。

利用軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，得出不同夾層傾角條件下邊坡安全系數(shù)(圖6)，當(dāng)θ=15°時(shí)，安全系數(shù)同樣略小于1.3，說明礦區(qū)初始狀態(tài)下，邊坡穩(wěn)定性已破壞，礦山應(yīng)高度重視；當(dāng)θ≥19°時(shí)，安全系數(shù)降幅較大，說明在該山地質(zhì)條件下，邊坡已完全失穩(wěn)。

2.3 軟弱夾層黏聚力對(duì)邊坡變形及安全系數(shù)的影響

軟弱夾層的黏聚力是反映夾層受力及抗破壞能力，是巖體力學(xué)性能力高低的重要指標(biāo)。本組實(shí)驗(yàn)按表2參數(shù)進(jìn)行，其他變量與實(shí)際工程保持一致，即D=1.0m、θ=15°、φ=24.8°。數(shù)值模型見圖1，邊坡變形總位移見圖7。在不同夾層黏聚力條件下，圖7中紅色為位移較大的區(qū)域，藍(lán)色為位移較小的區(qū)域。根據(jù)變化情況來看，位移變化受黏聚力影響較大，兩者成反比線性變化，變形總位移隨夾層黏聚力的變化規(guī)律見圖8。

利用軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，得出不同夾層黏聚力條件下邊坡安全系數(shù)(圖9)，其中C=5.0 kPa時(shí)，計(jì)算其安全系數(shù)為1.31，略大于1.3，說明礦區(qū)初始狀態(tài)下，邊坡穩(wěn)定性一般，礦山應(yīng)加強(qiáng)日常管理維護(hù)。由于其變化對(duì)邊坡安全系數(shù)影響較大，因此，在礦山地質(zhì)勘測(cè)、實(shí)驗(yàn)中應(yīng)高度重視，應(yīng)保證數(shù)據(jù)的可靠性。

2.4 軟弱夾層內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡變形及安全系數(shù)的影響

內(nèi)摩擦角是巖體的抗剪強(qiáng)度重要指標(biāo)，軟弱夾層內(nèi)摩擦角大小也是影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的重要因素。本組實(shí)驗(yàn)按表2參數(shù)進(jìn)行，其他變量與實(shí)際工程保持一致，即D=1.0 m、θ=15°、C=5.0 kPa。數(shù)值模型見圖1，邊坡變形總位移見圖10。在不同夾層內(nèi)摩擦角條件下，圖10中紅色為位移較大的區(qū)域，藍(lán)色為位移較小的區(qū)域。

變形總位移隨夾層黏聚力的變化規(guī)律見圖11。當(dāng)φ>25°時(shí)(大于圍巖內(nèi)摩擦角φ=24.8)，邊坡變形總位移與內(nèi)摩擦角成反比關(guān)系；當(dāng)15°<φ<25°時(shí)，邊坡變形總位移與內(nèi)摩擦角成正比關(guān)系。由此推斷，當(dāng)夾層與圍巖內(nèi)摩擦角相近時(shí)，其位移變形最??；其次，從位移變幅來看，當(dāng)夾層內(nèi)摩擦角小于圍巖內(nèi)摩擦角時(shí)，其變化對(duì)位移變形影響較大；當(dāng)夾層內(nèi)摩擦角大于圍巖內(nèi)摩擦角時(shí)，其變化對(duì)位移變形影響較小。

圖1 不同軟弱夾層厚度數(shù)值模型與變形總位移圖

Fig.1 Numerical model of different thicknesses of weak interlayer and total deformation displacement

(a)夾層厚度D=1.0 m (b)夾層厚度D=1.5 m (c)夾層厚度D=2.0 m (d)夾層厚度D=2.5 m

圖2 變形總位移隨夾層厚度的變化規(guī)律

圖3 夾層厚度對(duì)邊坡安全系統(tǒng)的影響規(guī)律

圖4 不同軟弱夾層傾角數(shù)值模型與變形總位移圖

Fig.4 Numerical model of different dip angles of weak intercalation and total deformation displacement

(a)夾層傾角θ=15° (b)夾層傾角θ=17° (c)夾層傾角θ=19° (d)夾層傾角θ=21°

圖5 變形總位移隨夾層傾角的變化規(guī)律

圖6 夾層傾角對(duì)邊坡安全系統(tǒng)的影響規(guī)律

圖7 不同黏聚力軟弱夾層變形總位移圖

Fig.7 Total deformation displacement diagram of weak interlayer with different cohesive forces

(a)黏聚力C=10 kPa (b)黏聚力C=15 kPa (c)黏聚力C=20 kPa (d)黏聚力C=25 kPa

圖8 變形總位移隨夾層黏聚力的變化規(guī)律 圖9 夾層黏聚力對(duì)邊坡安全系統(tǒng)的影響規(guī)律

Fig.8 Variation regularity of total deformation displacement with interlayer cohesion forces Fig.9 Influence regularity of interlayer cohesion force on slope safety system

利用軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，得出不同夾層內(nèi)摩擦角條件下邊坡安全系數(shù)(圖12)。當(dāng)夾層內(nèi)摩擦角小于圍巖內(nèi)摩擦角φ圍=24.8°時(shí)，安全系數(shù)變幅較大，之后變幅較小，說明當(dāng)夾層內(nèi)摩擦角大于圍巖內(nèi)摩擦角時(shí)，其對(duì)邊坡整體位移變形及穩(wěn)定性影響微弱。當(dāng)φ=24.8°時(shí)，計(jì)算其安全系數(shù)為1.33，大于1.3，說明礦區(qū)初始狀態(tài)下，邊坡穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1)軟弱夾層厚度D、傾角θ與露天邊坡的變形位移量成正比關(guān)系，與邊坡安全系數(shù)成反比，且而隨著兩者的變化其位移量和安全系數(shù)變幅較大，說明這兩個(gè)因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大，應(yīng)該是礦山工程重點(diǎn)關(guān)注因素。特別是當(dāng)θ>19°時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，作重點(diǎn)防護(hù)。

2)軟弱夾層黏聚力C與露天邊坡的變形位移量成反比關(guān)系，與邊坡安全系數(shù)成正比。當(dāng)軟弱夾層黏聚力接近圍巖黏聚力C=21.3 kPa時(shí)，其安全系數(shù)顯著提高。根據(jù)其變化規(guī)律來看，該因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響也較大，是礦山勘測(cè)、實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)。

圖10 不同內(nèi)摩擦角軟弱夾層變形總位移圖

Fig.10 Total deformation displacement diagram of weak interlayer with different internal friction angles

(a)內(nèi)摩擦角φ=15° (b)內(nèi)摩擦角φ=20° (b)內(nèi)摩擦角φ=25° (d)內(nèi)摩擦角φ=30°

圖11變形總位移隨夾層內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律 圖12夾層內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡安全系統(tǒng)的影響規(guī)律

Fig.11 Variation of total deformation displacement with interlayer friction angle Fig.12 Influence of interlayer friction angle on slope safety system

3)軟弱夾層內(nèi)摩擦角φ與露天邊坡的變形位移量、安全系數(shù)不成線性變化。當(dāng)夾層內(nèi)摩擦角小于圍巖內(nèi)摩擦角φ圍=24.8°時(shí)，夾層內(nèi)摩擦角變化對(duì)露天邊坡的變形位移量及安全系數(shù)影響較大；反之影響較小。因此，當(dāng)夾層內(nèi)摩擦角小于圍巖內(nèi)摩擦角時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)研究其變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。

4)根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，該露天礦邊坡在各類軟弱夾層重要指標(biāo)的影響下，安全系數(shù)均約為1.3，處于礦山工程安全系數(shù)的臨界值，為保證礦山安全可持續(xù)發(fā)展，在今后的生產(chǎn)過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該邊坡的監(jiān)測(cè)與防治工作。