SLOPE/W在某露天煤礦采掘場邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

趙星宇，王 衛(wèi)，戴雄輝，畢芬芬

(成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都610059)

隨著露天煤礦不斷的開采，使開挖邊坡的高度不斷增加，邊坡的穩(wěn)定性成為影響煤礦開采的重要因素。該露天煤礦采掘場非工作幫邊坡為永久性軟巖高邊坡、成巖差、風(fēng)化作用強(qiáng)烈，發(fā)育分布多層軟弱層，影響邊坡穩(wěn)定性。一旦邊坡失穩(wěn)，會(huì)給煤礦的開采、施工安全和經(jīng)濟(jì)效益帶來較大影響，所以預(yù)測分析該邊坡是否具有足夠的安全儲(chǔ)備顯得相當(dāng)重要，同時(shí)也為邊坡治理設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本文采用Geo-studio軟件中的Slope/W模塊對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，能夠快速、準(zhǔn)確的得到邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

1 工程概況及地質(zhì)環(huán)境條件

該煤礦位于印度尼西亞南蘇門答臘巨港市西南的當(dāng)庫區(qū)。煤礦開采沿煤層傾向拉溝建設(shè)，沿走向分為南北兩個(gè)采區(qū)，首采區(qū)邊坡開挖深度20 m～70 m，非工作幫長約1 000 m，設(shè)計(jì)平臺(tái)高差10 m、寬27 m。礦坑邊坡頂部有沿幫排土場，兼有防洪作用，見圖1。

該地區(qū)位于南緯3度，為典型的熱帶海洋性氣候，炎熱、潮濕、多雨，只分為旱季和雨季，年平均降雨量為2 996.0 mm(1985—2001年)。地表水體發(fā)育，在沿幫排土場東側(cè)有一條常年流水的河流，簡稱東河。露天區(qū)內(nèi)地勢總體比較平緩，但稍有起伏，絕對(duì)標(biāo)高在15m～45 m。地貌單元主要為低山丘陵和沖積平原。工程區(qū)分布的地層為上新生界新近系上新統(tǒng)穆拉印組非海相沉積地層，巖性由粘土、泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和煤組成。地質(zhì)構(gòu)造簡單，為單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀為巖層傾向N6°E～N7°E，傾角 6°～7°。地下水有孔隙潛水和孔隙承壓水兩類?？紫稘撍饕植荚陴ね翆?，地下水賦存于由細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖組成的含水巖組中，含水層間泥巖、炭質(zhì)泥巖為隔水層。據(jù)地震安全性評(píng)估報(bào)告，基于中國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]進(jìn)行的地震危險(xiǎn)性分析，得到場地地表峰值加速度為0.18 g，地震烈度為Ⅶ度。

圖1 5-5′工程地質(zhì)剖面圖

2 SLOPE/W程序分析

2.1 分析方法簡介

本次計(jì)算采用Morgenstern-Price法進(jìn)行計(jì)算，并與畢肖普法進(jìn)行對(duì)比。Morgenstern-Price法是剛體極限平衡法中的一種應(yīng)用非常廣泛的方法，同時(shí)滿足力矩平衡和力的平衡，適用于任意形狀的滑裂面，計(jì)算方法和結(jié)果更為合理和準(zhǔn)確[2]。

2.2 SLOPE/W程序簡介

SLOPE/W模塊能夠準(zhǔn)確、快速對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析[3]。模擬煤礦采掘過程，以各級(jí)平臺(tái)為滑面入口位置，其下各級(jí)平臺(tái)斜坡為出口，進(jìn)行由上至下逐級(jí)臺(tái)階的潛在滑面搜索，并對(duì)已搜索滑面再進(jìn)行“優(yōu)化”的方法，對(duì)穩(wěn)定性最小滑面進(jìn)行搜索并得出穩(wěn)定性系數(shù)，這樣得到的結(jié)果更精確合理。

2.3 影響因素在軟件中的設(shè)置

水和地震是影響該邊坡穩(wěn)定性的重要因素，暴雨工況地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響在軟件中通過添加地下水位線來實(shí)現(xiàn)，經(jīng)勘查測得大多數(shù)鉆孔穩(wěn)定水位埋深比初見水位埋深更淺，表明區(qū)內(nèi)的地下水具有微承壓性，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上的揚(yáng)壓力。由于邊坡穩(wěn)定性分析本質(zhì)上是一個(gè)超靜定問題，在大多數(shù)情況下，有兩種假定，關(guān)鍵是計(jì)算的對(duì)象不同，一種假定是將土骨架作為研究對(duì)象，另一種假定是將浸水土體作為研究對(duì)象[4]。Lambe Whitan從不同的出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行討論，但得到的結(jié)果卻是一樣的，他們指出分析作用于單元上的力時(shí)，既可采用飽和容重和邊界水壓力，也可采用滲流力和浮容重相結(jié)合的方法。雖然兩者得出的結(jié)論是一致的，但采用邊界水壓力和天然容重相結(jié)合的方法是簡便易行的，SLOPE/W就是采用此方法，在添加地下水位線的同時(shí)設(shè)置材料重度，就可以自主考慮揚(yáng)壓力。

采用擬靜力分析法來考慮地震因素，通過設(shè)置地震加速度(水平方向)來反映地震荷載對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響[5]。

3 非工作幫邊坡的穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

3.1 模型的建立及計(jì)算工況

模型以現(xiàn)場詳細(xì)勘查得到的地質(zhì)原型為基礎(chǔ)，考慮了軟弱層對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。沿幫排土場直接堆載在非工作幫邊坡頂部，有兩方面影響，一方面是其自身穩(wěn)定性，另一方面是其對(duì)非工作幫邊坡的加載效應(yīng)影響邊坡穩(wěn)定性。

以非工作幫典型剖面5-5′計(jì)算，分以下兩種工況:

工況一:暴雨:該地區(qū)只分旱季和雨季且雨季降雨量約占全年降水量的75%以上，設(shè)暴雨工況為天然狀態(tài)。

工況二:暴雨+地震:在暴雨基礎(chǔ)上疊加地震因素。

3.2 模型材料參數(shù)

根據(jù)對(duì)邊坡巖土體的室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)和現(xiàn)場測試資料的整理分析，結(jié)合參數(shù)反算綜合確定計(jì)算參數(shù)。參數(shù)反算依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的沿幫排土場變形破壞現(xiàn)象，在某剖面附近沿幫排土場外側(cè)(東河側(cè))出現(xiàn)拉裂縫，處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，以此模型進(jìn)行反算，先給定人工填土粘聚力c為10 kPa，反算內(nèi)摩擦角φ，得到內(nèi)摩擦角φ為17.5°，其他巖土體參數(shù)與人工填土參數(shù)比較，再結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，綜合確定計(jì)算參數(shù)取值見表1。

表1 模型材料參數(shù)取值表

3.3 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)

由《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]確定礦坑邊坡、排土場邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn):非工作幫按大于20年，邊坡穩(wěn)定系數(shù)要求大于等于1.3；沿幫排土場按大于20年，邊坡穩(wěn)定系數(shù)要求大于等于1.2。邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的劃分，參照《滑坡防治工程勘查規(guī)范》[7]根據(jù)邊坡穩(wěn)定系數(shù)確定，見表2。

表2 滑坡狀態(tài)劃分

4 采掘場邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 計(jì)算結(jié)果

5-5′剖面共搜索出46條可能的潛在滑面并進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，局部欠穩(wěn)定和局部不穩(wěn)定的滑面共有9條，滑面具體描述和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)見表3及圖2。

表3 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4.2 結(jié)果分析

(1)潛在滑面1、2在兩種工況條件下，穩(wěn)定性系數(shù)均小于1.00左右，為局部不穩(wěn)定。不穩(wěn)定有兩方面因素，一方面是因?yàn)槎烟畈牧系奈锢砹W(xué)指標(biāo)很低；另一方面是地表水滲透，降低巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，使局部穩(wěn)定性降低。

(2)由于非工作幫邊坡存在多層含水層和隔水層，在暴雨情況下，隨水位上升，微承壓水影響增大，產(chǎn)生向上的浮托力，邊坡穩(wěn)定性受到影響[8-9]。潛在滑面 3、4、5、6、7、8、9，均受隔水層頂面軟弱層分布的影響，由于軟弱層遇水易軟化，抗剪能力低，成為非工作幫邊坡穩(wěn)定性的重要影響因素。

(3)印尼是個(gè)地震多發(fā)的國家，地震荷載對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響主要是由于地震慣性力導(dǎo)致邊坡整體下滑力加大，從而降低邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，對(duì)邊坡的影響較大[10]，分析潛在滑面 3、4、5、8、9可知，地震因素對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較明顯，且滑面通常出現(xiàn)在物理力學(xué)參數(shù)較低、抗剪能力較弱的軟弱層部位。

5 結(jié) 論

(1)通過詳細(xì)的現(xiàn)場勘查、調(diào)查建立符合實(shí)際的地質(zhì)原型，主要包括邊坡巖土體的結(jié)構(gòu)特征、水文地質(zhì)條件。水、地震、軟弱層是影響邊坡穩(wěn)定性因素，特別是多層軟弱層的發(fā)育、分布及其物理力學(xué)性質(zhì)，成為影響邊坡穩(wěn)定性的控制性因素。

(2)Geo-studio軟件能夠較好的模擬邊坡施工開挖的過程，快速、準(zhǔn)確的得出邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，能夠較好考慮各種因素，通過設(shè)置水位線和水平地震力來體現(xiàn)水和地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，尤其是計(jì)算中優(yōu)化滑面的功能，因?yàn)閳A弧滑面適合均質(zhì)體，優(yōu)化后得出的折線形滑面適合任何情況[11]，所以計(jì)算結(jié)果比圓弧形滑面更精確，說明此軟件可以對(duì)邊坡進(jìn)行預(yù)測評(píng)價(jià)。

圖2 5-5′剖面計(jì)算結(jié)果圖

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