彭巖巖，宋 南，劉宇航，張海江

（1.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興 312000；2.紹興文理學院 浙江省巖石力學與地質災害重點實驗室，浙江 紹興 312000；3.衢州市柯城區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設局，浙江 衢州 324000）

露天開采是鐵礦資源的基本開采方式之一，隨著開采量增加，形成了大量高陡邊坡，邊坡受降雨、開挖擾動、結構面等因素影響，易發(fā)生滑坡、崩塌等地質災害，對礦區(qū)工作人員和設備安全產(chǎn)生較大影響。近些年來，許多學者對邊坡穩(wěn)定性問題進行了研究，旨在通過監(jiān)測開采過程中的邊坡變形情況，提前發(fā)出預警［1-10］。

本文以南芬露天鐵礦為研究背景，開展大型地質力學模型實驗和FLAC3D數(shù)值模擬實驗，研究滑體在不同開挖階段的變化特征以及錨索的變形情況，對比分析不同開挖方式對邊坡穩(wěn)定性的影響，以期對類似露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性分析提供借鑒和參考。

1 工程背景

南芬露天鐵礦位于遼寧省本溪市南芬區(qū)，是全國大型黑色冶金礦山，也是本鋼鐵礦石主要生產(chǎn)基地，礦區(qū)內廣泛分布著4種地層且斷裂構造發(fā)育較復雜，在開采中形成大量高陡邊坡，易發(fā)生滑坡破壞。2011年10月5日，南芬露天鐵礦298～370 m監(jiān)測平臺發(fā)生大規(guī)模滑坡，滑坡現(xiàn)場破壞特征見圖1。該區(qū)域巖體主要由云母石英片巖和綠簾角閃片巖組成，其工程巖體力學參數(shù)見表1。

圖1 滑坡現(xiàn)場破壞特征圖

表1 工程巖體力學參數(shù)

2 地質力學模型實驗

2.1 模型方案

地質力學模型實驗利用深部地下工程破壞結構效應物理模型實驗系統(tǒng)進行實驗，真實還原從開挖到滑坡全過程。模型材料選取水灰比1∶1的石膏單元板作為模擬材料，石膏力學參數(shù)見表2。

表2 石膏力學參數(shù)

根據(jù)表1～2參數(shù)，計算容重相似比Cγ和應力相似比常數(shù)Cσ，其中Cγ計算式如式（1）所示：

式中γp為巖石容重平均值；γm為石膏容重。根據(jù)邊坡實際高度72 m和實驗模型搭建高度1.6 m，計算得出幾何相似比Cl＝45；根據(jù)實驗機能施加的最大載荷和巖體力學參數(shù)，計算得出應力相似比Cσ＝7.8。

地質力學模型以“298～370邊坡”為原型，用石膏單元板按幾何相似比搭建模型尺寸長×高×寬＝1 750mm×1 600 mm×400 mm。

在地質力學模型中設置錨索，用淺色線描出，地質力學模型如圖2所示。

圖2 地質力學模型

2.2 實驗過程

為了使地質力學模型達到真實的受力狀態(tài)，實驗前須對模型進行預加載，坡頂豎向荷載加載過程見表3。

表3 坡頂豎向荷載變化

坡頂預加載完成后，對邊坡中區(qū)域①進行開挖。開挖共分3次完成，每次開挖36 cm，每次開挖后，需等待5 min，待模型穩(wěn)定后進行下一次開挖，觀察開挖過程中滑體變化情況，圖3為地質力學模型開挖全過程。

圖3 地質力學模型開挖全過程

模型預加載后，模型處于開挖初始階段，單元板之間的縫隙都壓密閉合，模型整體性較好，與真實邊坡受力狀態(tài)一致。待穩(wěn)定5 min后，對開挖區(qū)進行第1次開挖，此階段滑體部分出現(xiàn)縱向裂縫，錨索無明顯彎曲變形。第2次開挖后，裂縫從坡頂向水平巖體擴展，錨索處滑體鼓起，有滑出趨勢，錨索出現(xiàn)彎曲變形，且錨索上部巖體變形明顯。第3次開挖后，裂縫從滑體坡頂貫通至水平巖體，錨索、局部坡頂巖體和錨索周圍巖體破壞，邊坡失穩(wěn)破壞。

2.3 實驗結果分析

實驗過程中，水平巖層發(fā)生少量豎向位移，無橫向位移；水平巖體與滑體之間位移差明顯；滑體區(qū)域橫向位移和豎向位移均發(fā)生突變；錨索約束周圍巖體位移發(fā)展，影響滑體滑出位置，滑體未沿著坡腳滑出破壞而沿軟弱面從錨索下部滑出。實際工程中可監(jiān)測邊坡坡頂位移變化。實驗在無模擬降雨的情況下開挖，邊坡失穩(wěn)破壞，說明降雨是誘發(fā)本次滑坡的間接原因，不合理開挖是本次滑坡的主要原因。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

建立長×高×寬＝1 750 mm×1 600 mm×400 mm的邊坡模型，模擬參數(shù)與石膏力學參數(shù)一致。為真實模擬錨索在開挖中變形情況，在FLAC3D中設置參數(shù)定義錨索的大變形性質，使其符合恒阻大變形錨索的拉伸性質，滿足模擬需求。

3.2 數(shù)值模擬結果分析

數(shù)值模型圖及露天礦邊坡初始階段開挖變化情況如圖4所示。開挖前，最大主應力分層分布，坡腳部分區(qū)域出現(xiàn)壓應力，應力最大值為1.86 MPa；隨著深度增加，X方向位移增加，坡腳區(qū)域出現(xiàn)位移集中現(xiàn)象，水平位移為1.11 cm；Y方向在坡頂產(chǎn)生最大位移7.09 cm且沉降量隨著深度增加逐漸減少。

圖4 開挖初始階段最大主應力和位移

露天礦邊坡第1階段、第2階段、第3階段開挖變化情況分別如圖5、圖6、圖7所示。

由圖5可知，第1階段最大主應力值1.87 MPa，X方向位移4.04 cm，Y方向沉降7.24 cm。此階段與初始階段相比，位移和最大主應力值均呈現(xiàn)增加趨勢，其中X方向位移增加明顯，邊坡錨索附近位移梯度變化大，位移集中現(xiàn)象較為明顯，Y方向沉降多集中在坡頂。由圖6可知，開挖至第2階段時，最大應力值降至1.85 MPa，但X方向位移增加了128%，Y方向位移增加了11.88%，且坡腳有向上運動的趨勢?？赡茉陂_挖過程中，滑體產(chǎn)生破壞，造成應力重分布，最大應力值降低，但位移增加明顯。從圖7看出，隨著開挖深度增加，最大應力值持續(xù)下降，位移不斷增加，X方向發(fā)生17.06 cm水平位移，Y方向發(fā)生10.31 cm沉降。錨索彎曲變形發(fā)生破壞，X和Y方向分別產(chǎn)生22.34 cm和44.60 cm位移，錨索處Y方向向上位移趨勢大于上一階段，此階段錨索發(fā)生嚴重變形和位移突變，邊坡產(chǎn)生破壞。

圖5 第1階段開挖變形情況

圖6 第2階段開挖變形情況

圖7 第3階段開挖變形情況

邊坡模型模擬結果表明，最大主應力分層分布，在錨索處應力梯度變化較大，隨著深度增加其應力也增加，且在開挖過程中應力呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，可能是開挖時邊坡逐漸破壞、應力重分布引起。隨著邊坡開挖深度增加，X方向位移增大，且錨索附近位移變化集中；Y方向位移以沉降為主，大多發(fā)生在坡頂，隨著開挖深度增加，沉降量明顯增加，且錨索處有向上運動趨勢，并隨著開挖深度增加而增加。本次模擬未增加降雨條件，邊坡發(fā)生破壞，故不合理開挖是本次滑坡主要原因，降雨為次要因素，與室內實驗結果一致。

4 不同開挖方案數(shù)值模擬分析

4.1 強度折減與邊坡安全系數(shù)

強度折減法的基本原理是將材料的黏結力C和內摩擦角φ同時除以折減系數(shù)F，得到新的C′和φ′值，通過不斷增大折減系數(shù)F，計算至邊坡達到臨界破壞狀態(tài)［11］，相對應的折減系數(shù)即為邊坡安全系數(shù)Fcr。在FLAC3D中選取Mohr-Coulomb準則，基于強度折減法計算邊坡安全系數(shù)，系統(tǒng)自行計算主應力，若主應力達到破壞準則，邊破發(fā)生破壞［12］，計算所得邊坡安全系數(shù)如圖8所示。邊坡為二級邊坡，安全系數(shù)為1.25。由圖8可知，分臺階開挖安全系數(shù)整體高于無臺階開挖，前10 m開挖，兩種開挖方案安全系數(shù)無明顯差別，開挖至15 m時，無臺階開挖安全系數(shù)低于1.25，開挖至35 m時，安全系數(shù)低于1.0，邊坡已經(jīng)發(fā)生破壞。分臺階開挖，安全系數(shù)始終大于1.25，邊坡穩(wěn)定安全，說明分臺階開挖是合理有效的。

圖8 安全系數(shù)隨開挖深度變化情況

4.2 初始應力場

因礦區(qū)水平構造應力資料缺失，計算初始應力時只考慮重力，采用分階段彈塑性方法計算初始應力值，結果如圖9所示?？芍跏紤鶠樨撝?，且應力絕對值自坡頂向坡底呈水平梯度增加。這說明開挖前模型受到的豎向應力均為巖土體在自重作用下產(chǎn)生的壓應力，符合變化規(guī)律。

圖9 初始應力場

4.3 無臺階開挖

無臺階開挖分8次開挖，每次開挖5 m，共開挖40 m。開挖過程典型主應力和位移圖如圖10所示。最大主應力整體分布較均勻，應力分布具有層次性，隨開挖深度增加，應力逐漸增加，水平方向變化不大，邊坡最大應力值為8.61 MPa，應力值增加4.7%，坡腳處水平應力集中且應力梯度變化大，且位移明顯集中在坡腳附近。從位移云圖中看出，位移最大值為3.55 m，位移值增加明顯，在開挖30 m前位移變化不大，位移變化集中在30～40 m開挖階段，無臺階開挖位移變化具有突變性，位移突變，邊坡失穩(wěn)破壞。位移與應力均在坡腳附近有明顯的集中變化現(xiàn)象，且位移集中范圍隨著開挖深度增加逐漸增大，說明在開挖過程中，應力重新分布，引起應力集中范圍增大，位移變化范圍增大，露天礦開采時應重點加固處理這些范圍。

圖10 無臺階開挖最大主應力和位移

4.4 分臺階開挖

分臺階開挖時每開挖10 m，設置一個開挖平臺，開挖次數(shù)與深度和無臺階開挖相同，分臺階開挖主應力和位移圖如圖11所示。分臺階開挖應力整體分布均勻、具有層次性，隨著開挖深度增加，應力值逐漸減小，最大應力值為8.22 MPa，開挖結束后應力降低了0.36%。位移值隨著開挖深度增加逐漸增加，開挖至40 m時，邊坡出現(xiàn)最大位移值0.236 m，增加了0.04%，且邊坡無應力和位移集中變化現(xiàn)象，邊坡整體較穩(wěn)定。

圖11 分臺階開挖最大應力和位移

4.5 兩種開挖方案對比分析

分臺階開挖位移值遠小于無臺階開挖，最大位移值降低了93.35%，分臺階開挖位移變化更為均勻，沒有明顯的位移突變；兩種開挖方案的最大應力值相差不大，但分臺階開挖最大應力呈下降趨勢，降低了4.7%；在應力相同的情況下，分臺階開挖比無臺階開挖更穩(wěn)定，位移變化量更小。分臺階開挖可以減輕開挖擾動對邊坡的影響，更適合露天邊坡開采，對于高陡邊坡坡腳區(qū)域，在條件允許時，合理設置平臺進行過渡，減少坡腳處應力集中現(xiàn)象，提高開挖過程中邊坡的穩(wěn)定性。

5 結 論

以南芬露天鐵礦“298～370滑坡”為例，開展地質力學模型和FLAC3D數(shù)值模型，分析不同開挖階段及不同開挖方式對邊坡的應力狀態(tài)和變形特性變化規(guī)律，得到以下結論：

1）基于地質力學實驗和數(shù)值模擬實驗，發(fā)現(xiàn)開挖階段坡頂處拉應力集中，容易發(fā)生破壞，實際工程中可對邊坡坡頂進行位移監(jiān)測。地質力學模型實驗及數(shù)值模擬實驗結果與現(xiàn)場滑坡現(xiàn)象一致，驗證了本次實驗研究的可靠性。

2）在邊坡關鍵位置施加預應力錨索能夠很好地約束滑體位移，滑體位移的不連續(xù)性及滑坡發(fā)生時滑體沿著軟弱夾層自錨索下部滑出，說明錨索能在一定程度防止滑坡發(fā)生。

3）基于數(shù)值模擬有臺階和無臺階兩種開挖方案，發(fā)現(xiàn)合理設置開挖平臺能有效減緩安全系數(shù)下降速率，并且減少坡底壓力和應力集中現(xiàn)象，保證安全開挖，為邊坡開挖方案提供實驗依據(jù)。