阜新市海州礦南幫邊坡極限平衡分析

喬云航

（1.遼寧有色勘察研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110013；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室東北中心，遼寧 沈陽(yáng) 110013）

邊坡穩(wěn)定性的矛盾問(wèn)題，涉及影響范圍比較廣，主要包含：前進(jìn)道路橋梁里的路塹、路堤或者基坑項(xiàng)目開(kāi)挖等。自然土體在本身重力作用下或者其他作用力影響下，就會(huì)朝著某一滑動(dòng)截面朝下滑動(dòng)，因?yàn)樽匀煌馏w自身具有抗剪強(qiáng)度與粘聚作用力，有很強(qiáng)的抗滑作用力，當(dāng)抗滑作用力低于自然土體下滑作用力的時(shí)候，就會(huì)形成滑坡等問(wèn)題現(xiàn)象，滑坡現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重危害著人民群眾的安全[1]。自然土坡滑動(dòng)失穩(wěn)主要有如下兩大類原因[2]：①外界作用力的影響，損害了自然土體原始的作用力平衡分布狀態(tài)。②土體的抗剪強(qiáng)度因?yàn)槭艿酵饨缍喾N影響因素的作用而減少，促進(jìn)自然土坡失穩(wěn)損害。

海州露天礦南幫的邊坡比較大、分布形狀不均衡，地層構(gòu)成龐雜。即使能夠使用分區(qū)建立模型的模式，展開(kāi)有限元三維模擬仿真，但是很難精準(zhǔn)地搭建1個(gè)非?？拷鼘?shí)際邊坡的三維地質(zhì)作用力學(xué)有效數(shù)值的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。所以，在?yīng)用三維有限元研究分析作用力與變形特點(diǎn)的基礎(chǔ)之上，結(jié)合二維極限平衡的原理模式展開(kāi)南幫邊坡穩(wěn)定性運(yùn)算，解析經(jīng)典剖面的安全系數(shù)。運(yùn)算應(yīng)用軟件應(yīng)用Geostudio操作應(yīng)用軟件。直接按照現(xiàn)行海州礦南幫各剖截面的狀況建立模型，不選用局部弱層的地區(qū)展開(kāi)研究分析，全局搜查出最不利滑面的具體位置，充分表現(xiàn)出邊坡的總體與局部穩(wěn)定特點(diǎn)。

1 安全系數(shù)的確定

安全系數(shù)是邊坡穩(wěn)定性的考核參考，其受到多個(gè)層面影響因素的作用。安全系數(shù)參考《煤炭第二產(chǎn)業(yè)露天礦國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)綜合設(shè)計(jì)要求》來(lái)明確。下表1是《煤炭第二產(chǎn)業(yè)露天礦國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)綜合設(shè)計(jì)要求》[3]供應(yīng)的邊坡安全參數(shù)報(bào)表。在本次設(shè)計(jì)中，將穩(wěn)定參數(shù)確定為是FOS=1.300。

表1 露天礦邊坡的安全儲(chǔ)備參數(shù)報(bào)表

采掘礦場(chǎng)邊坡 ＞ 20 1．3～1．5非工作邊坡1．1～1．2 1．2～1．3 1．3～1．5工作幫邊坡 臨時(shí) 1．0～1．2外排土場(chǎng)邊坡 ＞ 20 1．2～1．5內(nèi)排土場(chǎng)邊坡 ＜10≥10＜10 10～20＞20 1．2 1．3

2 計(jì)算剖面的確定

邊坡穩(wěn)定性評(píng)定與運(yùn)算剖面的選用并非隨意的，一般邊坡穩(wěn)定性運(yùn)算剖面的選用應(yīng)該是這類邊坡變形體或者滑體的重要滑移方向。應(yīng)用二維極限分布平衡模式，每一次只可以運(yùn)算1個(gè)剖面。不可以1次運(yùn)算就全面表現(xiàn)出不同邊坡的穩(wěn)定性矛盾問(wèn)題。在模擬研究分析的南幫全長(zhǎng)影響范圍里，全方位思考邊坡三維自動(dòng)掃描成圖、邊坡角度與邊坡高度等影響因素，明確十個(gè)運(yùn)算剖面。解析各剖截面的巖層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：W3～E4剖截面700.0m長(zhǎng)邊坡位于北翼，煤層順逆層的特點(diǎn)交換顯著；E2與E4剖截面被切割，是逆向邊坡斷層；E8與E10剖面被3號(hào)邊坡斷層切割，是逆向邊坡斷層；E16、E18剖面被1號(hào)邊坡斷層切割，是逆向邊坡斷層；E20剖面被高德1號(hào)與2號(hào)邊坡斷層切割，是順向邊坡斷層。

3 巖土參數(shù)

按照勘察數(shù)據(jù)報(bào)告，同時(shí)根據(jù)已有的勘察與測(cè)試實(shí)驗(yàn)系數(shù)，明確南幫穩(wěn)定運(yùn)算的巖土自動(dòng)輸入系數(shù)，具體見(jiàn)下表2所示。

表2 海州露天礦南幫巖土物理力學(xué)的系數(shù)報(bào)表

4 剖面計(jì)算

模型的建立：應(yīng)用Geostudio操作應(yīng)用軟件，選取為全坡高展開(kāi)研究分析，成立運(yùn)算實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。明確模擬仿真區(qū)的有效總高度大概是400.0m～450.0m；水平范圍里按照各剖截面形狀展開(kāi)選?。耗隙朔植甲鴺?biāo)確定為-600.0m，總有效長(zhǎng)度確定為是700.0m～1100.0m。剖面里的第4紀(jì)土層、煤礦層、邊坡斷層等，都是按照真實(shí)剖面的材料系數(shù)進(jìn)行模擬仿真。全局搜查出最不利點(diǎn)，運(yùn)算最終結(jié)果可以比較真實(shí)地表現(xiàn)出南幫各剖截面的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。為了真實(shí)表現(xiàn)邊坡的總體穩(wěn)定特點(diǎn)，按照三維自動(dòng)掃描測(cè)繪地形圖，并且針對(duì)照海州露天礦與南幫五個(gè)井工礦供應(yīng)的采空區(qū)參考資料圖，展開(kāi)核對(duì)研究分析，明確出各運(yùn)算剖面的邊坡斷層、巷道與采空分布區(qū)。依次成立十二個(gè)剖面的運(yùn)算實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，運(yùn)算邊坡的安全系數(shù)，最終結(jié)果匯總具體見(jiàn)下表3。

表3 W7～E25剖截面的目前情況和邊坡安全系數(shù)

5 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)運(yùn)算最終結(jié)果可知，W3～E17安全系數(shù)位于1.00～1.150之內(nèi)，和安全系數(shù)限值的差距還是比較大。W3～E1地區(qū)，是最為危險(xiǎn)的邊坡地帶，根據(jù)運(yùn)算最終結(jié)果可知，這一剖截面的下半部邊坡弱面具備顯著的順層特點(diǎn)，容易形成局部滑坡；上半部邊坡是測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)火點(diǎn)密集分散區(qū)。在這其中，E1剖截面的實(shí)際安全系數(shù)只有FOS=1.0020，遠(yuǎn)低于1.300，在各類影響因素干擾下非常容易引發(fā)滑坡。

6 總結(jié)

在本文中，筆者在模擬研究分析的南幫全長(zhǎng)影響范圍里，全方位思考邊坡三維自動(dòng)掃描成圖、邊坡角度與邊坡高度等影響因素，明確了十二個(gè)剖面，應(yīng)用Geostudio操作應(yīng)用軟件，選取全坡高展開(kāi)研究分析，成立運(yùn)算實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?yīng)用自動(dòng)搜查的模式，全局搜查出最不利滑面點(diǎn)，W3～E17安全系數(shù)位于1.00～1.150之內(nèi)，和安全系數(shù)限值差距比較大。W3～E1地區(qū)，是滑坡最容易發(fā)生的位置，E1剖截面的實(shí)際安全系數(shù)只有FOS=1.0002，非常容易產(chǎn)生滑坡，所以，南幫危險(xiǎn)地區(qū)是南幫中部W3-E19。