邊坡隔水層形成后的水壓分布及穩(wěn)定性

張平寬

(京能電力后勤服務(wù)有限公司)

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邊坡隔水層形成后的水壓分布及穩(wěn)定性

張平寬

(京能電力后勤服務(wù)有限公司)

摘要為研究邊坡中形成隔水層之后的水壓力分布規(guī)律及穩(wěn)定性變化情況，揭示軟巖邊坡穩(wěn)定性的變化特點(diǎn)，采用力學(xué)分析方法建立了隔水層形成后的水壓分布模型，結(jié)合數(shù)值模擬方法揭示了隔水層形成后的邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律。以我國(guó)北方某軟巖露天礦為例進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：當(dāng)隔水層較薄時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)呈下降趨勢(shì)；當(dāng)隔水層較厚時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)呈現(xiàn)小幅增長(zhǎng)的趨勢(shì)。上述研究結(jié)果對(duì)于礦區(qū)邊坡穩(wěn)定分析有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞軟巖邊坡隔水層穩(wěn)定性力學(xué)分析數(shù)值模擬

1露天煤礦邊坡特點(diǎn)

露天煤礦邊坡是由采礦活動(dòng)逐步開挖地表巖土體形成的，受到風(fēng)化、地下水、地應(yīng)力、采礦活動(dòng)、地震等因素的影響[1-2]。主要特點(diǎn)為：①邊坡規(guī)模較大，高度可高達(dá)數(shù)百米，走向上可長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米；②邊坡破壞形式以滑坡為主，邊坡巖體的形成經(jīng)歷復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或沉積、變質(zhì)過(guò)程，該類作用形成了具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)面的巖體，由該類巖體構(gòu)成的邊坡，分層極其明顯，多數(shù)層間包含軟弱夾層，強(qiáng)度指標(biāo)接近第四系土；③邊坡是由人工開挖形成的高大邊坡，受到爆破設(shè)備振動(dòng)[3]、自然風(fēng)化等因素的影響，邊坡巖體較破碎；④煤礦邊坡頻繁經(jīng)受爆破作業(yè)的影響，且大噸位的運(yùn)輸設(shè)備對(duì)邊坡臺(tái)階的影響較大[4]；⑤邊坡是由采礦工程活動(dòng)逐步開挖形成的，時(shí)效性較明顯，不同部位的邊坡服務(wù)年限也各不相同，對(duì)穩(wěn)定性的要求也不一致；⑥邊坡對(duì)地質(zhì)條件無(wú)選擇余地，僅能在特定的工程地質(zhì)條件下進(jìn)行開挖，無(wú)法因地質(zhì)條件不良而改址。

2水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響機(jī)理

90%以上的露天礦邊坡滑坡事故發(fā)生在雨季、雨后和解凍期，水對(duì)邊坡穩(wěn)定具有至關(guān)重要的作用。地下水主要在3個(gè)方面對(duì)邊坡巖體穩(wěn)定性施加影響：①靜水壓力對(duì)不透水的邊坡坡面施加不利影響；②由于地下水的滲透流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)水壓力，將對(duì)巖體中的細(xì)小顆粒產(chǎn)生拖拽作用；③邊坡巖體中親水性物質(zhì)遇水膨脹，呈現(xiàn)出軟化特性，大大降低了邊坡巖體的抗剪強(qiáng)度[5-6]。

2.1靜水壓力作用

存在于邊坡裂隙中的水，將對(duì)裂隙兩壁產(chǎn)生靜水壓力，同時(shí)也對(duì)滑體施加托浮力，舒繼森[7]對(duì)Hoek E等[8]有關(guān)不透水巖石邊坡結(jié)構(gòu)面中的水壓研究成果進(jìn)行了修正，修正后的水壓如圖1所示。

圖1　張裂縫充水產(chǎn)生的靜水壓力和托浮力

沿張裂縫充水產(chǎn)生的水平靜水壓力為γwh，則總靜水壓力V為

(1)

式中，γw為水的容重，kN/m3；h為裂隙充水長(zhǎng)度，m。

假設(shè)A點(diǎn)的水可自由流出，則該處的靜水壓力為0，整個(gè)結(jié)構(gòu)面上的最大水壓力出現(xiàn)在1/2水頭高度處，即Hw/2時(shí)，水壓力達(dá)到最大值γwHw/2。結(jié)構(gòu)面上沿單位走向長(zhǎng)度分布的總靜水壓力為

(2)

式中，Hw為地下水位標(biāo)高，m。

由圖1可知：

(3)

將式(3)代入式(2)并整理得：

(4)

地下水產(chǎn)生的托浮力方向沿著AB面斜向上，從而抵消了一部分作用于AB面上的正應(yīng)力影響，因此，AB面上的摩擦力(即滑體的抗滑力)減小，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)相應(yīng)減小，邊坡滑坡的概率大大增加。

2.2動(dòng)水壓力作用及軟化作用

動(dòng)水壓力是水在巖體孔隙或結(jié)構(gòu)面、散體物料接縫內(nèi)流動(dòng)時(shí)，對(duì)巖體產(chǎn)生的拖拽力，一般也稱為滲透力。滲透力的方向沿著水流向的切線方向?qū)吰聨r體施加推動(dòng)下滑的作用，其大小可表示為

(5)

式中，D為作用于巖體單位體積上的滲透力，kN；i為水力坡度，%。

當(dāng)滲透力較大時(shí)，會(huì)帶走巖體破碎帶及空隙中的可溶解成分，同時(shí)對(duì)裂隙中的較小巖體顆粒造成沖刷流失，使巖體中的黏聚力和內(nèi)摩擦角顯著減小，產(chǎn)生潛蝕作用，危害邊坡工程的穩(wěn)定性。當(dāng)邊坡主要由黏土質(zhì)巖體組成時(shí)，水侵入巖體會(huì)造成巖體軟化，強(qiáng)度降低，黏聚力和內(nèi)摩擦角均會(huì)出現(xiàn)不同程度的下降，抗剪強(qiáng)度會(huì)下降至干燥狀態(tài)下的1/4～1/20，對(duì)于堅(jiān)硬的變質(zhì)巖或巖漿巖構(gòu)成的邊坡，應(yīng)特別注意地下水對(duì)邊坡裂隙中大量黏土物質(zhì)的軟化作用。

3隔水層形成后的水壓分布

邊坡內(nèi)部存在隔水層之后，內(nèi)部自由水的滲流路徑被切斷，內(nèi)部的水壓分布也隨之改變，具體體現(xiàn)在：①隔水層形成之后，堵塞了初始結(jié)構(gòu)面水流的自由流動(dòng)端，水難以順利流出，結(jié)構(gòu)面上的水壓分布隨之改變，下部堵塞端是靜水壓力最大的位置，隨著高度(水頭差的減小)的增大，邊坡靜水壓力逐步減??；②動(dòng)水壓力增大，隔水層形成過(guò)程中，邊坡體內(nèi)的滲透系數(shù)逐步減小，水在流動(dòng)過(guò)程中的阻力越來(lái)越大，水滲流產(chǎn)生的拖拽力對(duì)于邊坡變形造成的影響正逐步顯現(xiàn)。

3.1靜水壓力

當(dāng)巖體不透水且結(jié)構(gòu)面充水時(shí)，結(jié)構(gòu)面上任意一點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)為該點(diǎn)的水頭高度與水容重的乘積，方向垂直于作用面。當(dāng)坡腳處水可自由流出時(shí)，其水壓分布如圖2(a)所示；當(dāng)坡腳受到表層隔水層作用而堵塞，水無(wú)法自由流出時(shí)，此時(shí)的靜水壓力在坡腳處達(dá)到最大，如圖2(b)所示；對(duì)于不存在張裂縫的邊坡，也可分為2種情況(圖2(c)、圖2(d))，靜水壓力分別在1/2水頭高度和坡腳處達(dá)到最大。

邊坡中不存在張裂縫，且地下水可自由排出，靜水壓力在1/2水頭高度達(dá)到最大，此時(shí)，作用于單位走向長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)面上的靜水壓力為

(6)

當(dāng)?shù)叵滤虺雎抖烁羲茏钑r(shí)，靜水壓力在坡腳處達(dá)到最大，此時(shí)，作用于單位走向長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)面上的靜水壓力為

圖2　平直結(jié)構(gòu)面控制的邊坡內(nèi)部水壓分布

(7)

在平面滑坡中，假定邊坡巖石不透水，水僅可在結(jié)構(gòu)面中流動(dòng)，在坡腳出水處速度達(dá)到最大。在流動(dòng)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)面裂隙對(duì)水流產(chǎn)生阻礙流動(dòng)的摩擦力，水在流動(dòng)過(guò)程中為克服阻力而引起的能量損失，稱為水頭損失。將不同地下水分布情況下邊坡的滲流體積、靜水壓力值分別代入穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算公式，可得出相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)。在凍結(jié)滯水情況下，滑體受到的最大靜水壓力增大1倍，可見(jiàn)水壓改變對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性影響較大。

3.2動(dòng)水壓力

動(dòng)水壓力是指滲流水在流動(dòng)過(guò)程中作用于巖石顆粒上的滲流力，屬于體積力，滲流體積V的動(dòng)水壓力為

(8)

式中，J為水力梯度。

動(dòng)水壓力ΔF的方向平行于流線方向。邊坡巖體中的滲流壓強(qiáng)分布，需經(jīng)水文測(cè)試、繪制流網(wǎng)分析得出?，F(xiàn)給定邊坡中地下水位及流網(wǎng)，假定邊坡為圓弧滑動(dòng)且給出潛在最危險(xiǎn)滑面，水位線以下條帶體積為V，靜水壓力ΔP作用于條塊底面，方向垂直于底面，動(dòng)水壓力ΔF作用于V體形心上，其方向?yàn)橥ㄟ^(guò)V體形心的流線方向(圖3)。

圖3中動(dòng)水壓力ΔF的計(jì)算公式為

(9)

圖3　滲流邊坡流網(wǎng)分布

或

(10)

式中，h1，h2為條塊兩壁水頭，m；l為條塊寬度，m；l0為條塊底面斜長(zhǎng)，m；α為條塊底面角度，(°)。

通過(guò)對(duì)凍結(jié)過(guò)程中靜水壓力和動(dòng)水壓力的分析可知，當(dāng)軟巖從表層因凍結(jié)或重塑膠結(jié)形成隔水層之后，邊坡內(nèi)部水源的自由流動(dòng)端被堵塞，形成了滯水層，如此，邊坡坡腳位置承受的水壓非常大，無(wú)論是靜水壓力還是動(dòng)水壓力，均在坡腳位置達(dá)到最大，因此，易在坡腳位置形成起鼓變形，邊坡穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅。

4采場(chǎng)軟巖邊坡穩(wěn)定性性分析

由圖4可知：邊坡表面形成隔水層時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)為1.159，大于無(wú)隔水層時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)(1.194)，可見(jiàn)由于隔水層的形成，使得邊坡內(nèi)部的水無(wú)法自由流出，邊坡內(nèi)部的應(yīng)力結(jié)構(gòu)也隨之改變，邊坡整體的穩(wěn)定系數(shù)隨之降低。

圖的穩(wěn)定性分析結(jié)果

由于隔水層的厚度隨時(shí)間不斷發(fā)展，隨著隔水層厚度的增加，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)仍會(huì)發(fā)生改變，對(duì)此，本研究對(duì)不同厚度隔水層的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5　隔水層厚度與邊坡穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系

由圖5可知：①隨著隔水層厚度的增大，邊坡穩(wěn)定系數(shù)先減小后增大，開始減小主要是由于隔水層形成之后，水的滲透性降低，水壓開始增加；②隨著隔水層厚度的逐漸增加，滲透系數(shù)進(jìn)一步降低，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)也不斷下降；③當(dāng)隔水層厚度達(dá)到一定程度，其物理力學(xué)強(qiáng)度大于一般巖層，隔水層的強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性起到了較好的提升作用，因此，后半段的邊坡穩(wěn)定系數(shù)又表現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)。

5結(jié)語(yǔ)

以我國(guó)北方某露天煤礦為例，對(duì)露天煤礦邊坡特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，明確了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和影響因素，并分析了水對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響機(jī)理，基于常規(guī)邊坡靜水壓力和動(dòng)水壓力的計(jì)算模型，分析了邊坡表面形成隔水層之后的水壓分布規(guī)律，并進(jìn)行了模型對(duì)比分析和力學(xué)表達(dá)式的修正。在此基礎(chǔ)上，對(duì)軟巖邊坡表面隔水層形成過(guò)程中的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，揭示了隔水層對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，對(duì)于礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性研究有一定的借鑒價(jià)值。

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(收稿日期2016-05-03)

Analysis of the Water Pressure Distribution and Slope Stability after the Formation of Water-resisting Layer

Zhang Pingkuan

(Beijing Energy Power Logistics Co., Ltd.)

AbstractIn order to study the the water pressure distribution and the stability change rule of the slope after the formation of water-resisting layer, and reveal the variation characteristics of the soft rock slope stability. The water pressure distribution model after the water-resisting layer formed is established based on the mechanics analysis results, and the slope stability change law of the slope is revealed by the numerical simulation method.Taking a soft rock open-pit mine that is located in north of China as research example,the research results show that when water-resisting layer is thin, the slope stability coefficient show out a downward trend;when water-resisting layer is thick, slope stability coefficient show out a trend of small growth.The above research results can provide the reference for the slope stability analysis in mining area.

KeywordsSoft rock slope, Water-resisting layer, Stability, Mechanical analysis, Numerical simulation

張平寬(1973—)，男，高級(jí)工程師，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，010020 內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市。