基于FLAC3D采用削坡壓腳方式后的邊坡穩(wěn)定性分析

郝光 羅益輝 許萬(wàn)忠

摘 要：云南富寧縣某煤礦過(guò)度不合理地開(kāi)采與開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致界外的北東側(cè)山坡發(fā)生大規(guī)模的開(kāi)裂變形，并有小塊出現(xiàn)了滑移，可能對(duì)煤礦的正常生產(chǎn)及東側(cè)磚場(chǎng)的安全生產(chǎn)造成較大威脅，并危及到北東側(cè)的富廣高速公路。礦區(qū)工作人員隨后對(duì)該邊坡進(jìn)行了削坡壓腳為驗(yàn)證該煤礦邊坡在削坡壓腳后是否穩(wěn)定以及對(duì)周圍環(huán)境的安全性，本文采用FLAC3D對(duì)該場(chǎng)區(qū)的邊坡開(kāi)挖的情況進(jìn)行模擬研究，最終驗(yàn)證該煤礦是安全的，這對(duì)同類型的邊坡提高穩(wěn)定性具有重大的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：邊坡;煤礦;穩(wěn)定性;削坡壓腳;滑動(dòng)面

一、煤礦信息概述

富寧煤礦位于富寧縣城以南東的城邊，富寧至白色公路（323國(guó)道）從礦區(qū)南側(cè)通過(guò)，交通較為方便。煤礦資源于1956年修建開(kāi)（遠(yuǎn)）～南（寧）公路時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨后對(duì)該礦區(qū)進(jìn)行有計(jì)劃的開(kāi)采了60來(lái)年。但中途由于過(guò)度與不合理的開(kāi)采，從而使邊坡出現(xiàn)了變形。

二、工程地質(zhì)條件概述

（一）地形地貌

富寧煤礦位于富寧縣城的北東側(cè)，地貌為河流二級(jí)階地中、后緣斜坡上，原站地形坡度約5～15°，后經(jīng)過(guò)人類工程活動(dòng)改造后，在斜坡上修筑了節(jié)次鱗比居民建筑及階梯狀的水田、旱地，緩坡上發(fā)育近南北向的溝谷，呈V字型，在山麓地帶溝谷切割深度約30～50m，山前緩坡地帶切割深度約1～3m，均為季節(jié)性沖溝，雨季流量較大。煤礦開(kāi)采區(qū)位于一條溝谷出口地帶，由于地形相對(duì)低凹，雨水季節(jié)大量雨水沖入開(kāi)采的礦坑內(nèi)對(duì)礦區(qū)的正常開(kāi)采及礦坑邊坡的穩(wěn)定有很大影響。

（二）氣象與水文

煤礦位于北回歸線附近，地處低緯高原季風(fēng)氣候區(qū)，屬亞熱帶氣候類型。年最高氣溫38℃，最低-5.5℃。北東側(cè)有一條季節(jié)性溝谷，旱季對(duì)礦區(qū)影響不大，雨季水流量較大，對(duì)礦坑及邊坡影響較大。

（三）礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)地處富寧新生代盆地北部，富寧斷裂是盆地和煤礦形成地控制性斷裂。主要由兩條斷裂帶，具體介紹如下。

（1）富寧斷裂：位于礦區(qū)北側(cè)與高速公路之間，呈北西～南東向延伸，在研究區(qū)斷層面向南西傾斜，傾角約60度，斷裂帶內(nèi)巖層陡立、擠壓破碎，沿?cái)嗔褞в卸嗥诨郧秩霂r體，并控制了富寧盆地地層沉積，屬延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，右行扭動(dòng)，壓性兼扭性的活動(dòng)大斷裂。

（2）礦區(qū)斷裂：在礦區(qū)內(nèi)發(fā)育兩條次級(jí)斷裂，傾角較陡，對(duì)巖層、煤層破壞較大，節(jié)理裂隙發(fā)育。

（四）地層巖性

工作區(qū)分布地層有第四系人工堆積耕植土（Q4ml）、第四系沖洪積卵礫石層（Q4al+pl）、及上第三系（N）泥巖、泥質(zhì)砂巖褐煤層及燕山期基性侵入巖體，現(xiàn)自上而下分述如下：

（1）第四系人工堆積層（Q4ml）

①耕植土：褐灰、褐色，可塑狀，主要由粉質(zhì)粘土組成，厚0.40～0.60m，局部地段為人工早期開(kāi)采煤礦的就地填土，含少量碎石或礫石。分布于礦區(qū)的未開(kāi)采的自然斜坡耕作區(qū)表層。

（2）第四系沖洪積層（Q4al+pl）

②1卵石：黃、灰黃、灰色，含5%漂石，卵石成份以輝綠巖、石英砂巖為主，松散，一般直徑8～20cm，最大0.5～1.0m，顆粒形狀以次圓狀為主，有淺灰色膨脹土充填，厚度一般1.5～2cm，局部缺失或較薄。分布于礦區(qū)周圍及緩坡地帶。

②2粘土：淺灰、黃灰、灰色，可一硬塑，切面光滑，韌性好，干后硬度高，網(wǎng)狀裂隙發(fā)育。為膨脹土，自由膨脹率40～54%，厚l～2m，礦坑周圍及緩坡地帶均有分布，南西側(cè)厚度較大。

（3）第四系殘坡積層（Q4el+dl）

③含碎石粉質(zhì)粘土：褐紅、褐色，硬塑狀，碎石含量約10%，成份為輝綠巖、砂巖、灰?guī)r等，粒徑l～3cm，淺表層土質(zhì)疏松，厚1～2m，分布于二級(jí)階地后緣的坡麓地帶。

（4）第三系組上段（N）

④1泥質(zhì)砂巖：灰綠色，半成巖，顯層狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)風(fēng)化作用呈砂狀，手捏易碎，成份為長(zhǎng)石、石英及少量泥質(zhì)，受構(gòu)造作用，巖層分布無(wú)規(guī)律性，局部呈透鏡狀分布，厚5～10m，區(qū)內(nèi)均有分布，北、北東側(cè)開(kāi)挖的邊坡有露頭。

④2泥巖：褐、棕褐色，中厚層狀，半成巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，被風(fēng)化后呈粒狀脫落，質(zhì)軟，局部泥化程度較高，偶夾紫色砂巖和煤層，有的煤層呈透鏡狀。泥巖及煤層受地下水浸潤(rùn)易軟化，泥巖厚3～10m，煤層厚0.5～2m，往南西側(cè)泥巖逐漸變厚。礦區(qū)內(nèi)均有分布。

④3炭質(zhì)泥巖：褐、褐黑色，中厚層狀，半成巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，被風(fēng)化后呈粒狀脫落，質(zhì)軟，局部泥化程度較高，夾褐煤層，礦區(qū)內(nèi)均有分布。

④4褐煤層夾炭質(zhì)泥巖：黑、褐灰色，中厚層狀，以煤層為主，夾薄層泥巖，節(jié)理裂隙發(fā)育煤塊表面光滑透亮，局部較疏松，礦坑內(nèi)有多條早期開(kāi)采的巷道或坍陷、回填礦坑，據(jù)煤礦勘察資料，煤層最大厚度26m，大部地段呈1～5m的層狀或透鏡狀。

（5）燕山期基性侵入巖

⑤輝綠巖：灰綠色，成份為輝石、綠泥石等，強(qiáng)風(fēng)化，均呈土狀或碎石土狀，高速公路樁孔中揭露到弱風(fēng)化巖層，分布于高速公路兩側(cè)及北東的坡麓地帶。

（五） 地震

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011一2001）第3.2.4條及附錄A規(guī)定，富寧縣抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g。

（六）不良地質(zhì)作用

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，共有4處滑坡。部分邊坡如圖1所示：

三、FLAC3D軟件的基本原理與介紹

（一）FLAC3D有限單元法的基本原理[1，2]

Flac3D計(jì)算法又稱三維快速拉格朗日法，它采用了混合離散方法，計(jì)算如圖2所示一四面體，節(jié)點(diǎn)編號(hào)為1到4，第n面表示與節(jié)點(diǎn)n相對(duì)的面，則可由高斯公式得：

由式（3-1）可得：

最終，由三維快速拉格朗日法的計(jì)算循環(huán)確定，如圖3所示

（二） FLAC有限單元法的計(jì)算方法

計(jì)算模型采用巖土工程中應(yīng)用[3]最為廣泛的Mohr-Coulomb模型，該模型包含剪切和拉伸兩個(gè)準(zhǔn)則[4]。主應(yīng)力空間中（拉為正，壓為負(fù)），由Hooke定律可得應(yīng)力增量的表達(dá)式為：

拉伸破壞（BC段）修正后的應(yīng)力增量關(guān)系可表示為：

四、 邊坡穩(wěn)定性分析

（一）邊坡剖面的選擇

由于該礦區(qū)的邊坡剖面較多，所以本文選擇最危險(xiǎn)的剖面2進(jìn)行計(jì)算分析，基本可以代表了相應(yīng)滑坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。本文計(jì)算了天然工況得到相應(yīng)剖面下的安全系數(shù)及潛在滑移面的區(qū)域位置。

（二） 計(jì)算模型

根據(jù)地質(zhì)剖面圖2-2利用自編[5]的ANSYS-FLAC3D接口程序，如下圖所示：

（三）計(jì)算參數(shù)

根據(jù)有關(guān)工程地質(zhì)勘察報(bào)告和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值[6]及規(guī)范值得到計(jì)算參數(shù)表1。

（四）? FLAC有限單元法的計(jì)算結(jié)果分析

1、邊坡位移及潛在滑移面分布

以下各計(jì)算剖面中，位移由上到下逐漸減小，褐色為穩(wěn)定部分，緊鄰穩(wěn)定部分的黃色和黃褐色部分為潛在滑動(dòng)面，藍(lán)色部分為位移或變形較大部分。

2、邊坡安全系數(shù)及結(jié)果分析

通過(guò)FLAC3D數(shù)值分析計(jì)算，得到各個(gè)剖面的安全系數(shù)如表2所示，從表中可以看出，在天然下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)均大于規(guī)范中1.25，處于穩(wěn)定狀態(tài)。整體邊坡在外界因素作用下，會(huì)出現(xiàn)局部穩(wěn)定系數(shù)小于1.25的情況。另外，剖面2-2的潛在滑動(dòng)面位于整體邊坡臺(tái)階坡角最陡處，需重點(diǎn)控制邊坡這些部位的變形和穩(wěn)定，采取相應(yīng)的加固措施，如繼續(xù)削坡，壓坡角、采用抗滑樁、設(shè)置截排水設(shè)施等。因此，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性維護(hù)和治理也必須采用綜合的措施。

五、邊坡穩(wěn)定性對(duì)高速公路的影響

從2-2 剖面數(shù)值分析的結(jié)果可以看出，該邊坡整體是穩(wěn)定的，不會(huì)構(gòu)成對(duì)高架橋基礎(chǔ)的直接威脅，在局部較陡的臺(tái)階處有局部潛在滑動(dòng)破壞的可能，潛在滑移面的安全系數(shù)小于規(guī)范的要求，對(duì)這種潛在的滑動(dòng)要做局部的維護(hù)處理。

由上述邊坡的靜態(tài)力學(xué)分析來(lái)看，目前礦區(qū)所采取的加固措施提高了邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)于消除滑坡對(duì)高速公路的影響起到了明顯的作用;另一方面，滑坡前緣的穩(wěn)定對(duì)于整體邊坡的穩(wěn)定至關(guān)重要，滑坡前端的局部破壞，會(huì)牽引滑坡的中后部發(fā)生連鎖式的反應(yīng)，因此，對(duì)于邊坡回填壓腳的部位要重點(diǎn)處理，有必要采取分層強(qiáng)夯的方式來(lái)提高回填土的密實(shí)度，從而提高前緣巖體的物理力學(xué)參數(shù)，以提高邊坡前部的穩(wěn)定性。

六、 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)用有限單元法對(duì)富寧煤礦礦坑邊坡采用削坡壓腳的剖面模型進(jìn)行計(jì)算與分析，對(duì)富寧煤礦邊坡的穩(wěn)定性以及周邊環(huán)境的影響，得到如下結(jié)論：

（1）滑坡地質(zhì)災(zāi)害主要是由煤礦露天開(kāi)采境界的開(kāi)挖引起。如果造成周邊滑坡的采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性能夠得到改善，則進(jìn)一步發(fā)生滑坡災(zāi)害的前提條件將得到控制，從而能夠大大降低地質(zhì)災(zāi)害對(duì)礦山生產(chǎn)的影響。

（2）邊坡在天然公開(kāi)下，穩(wěn)定系數(shù)大于要求的穩(wěn)定系數(shù)值1.25，處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)在外界水侵?jǐn)_情況下，邊坡的安全系數(shù)迅速下降?？梢?jiàn)，整個(gè)邊坡在雨水作用下，將出現(xiàn)局部穩(wěn)定系數(shù)小于1.25的情況。因此，在邊坡治理中需控制地下水和雨水對(duì)整個(gè)采場(chǎng)邊坡的浸蝕。

（3）潛在的危險(xiǎn)滑動(dòng)面在2-2剖面并未影響到高速公路橋的基礎(chǔ)，說(shuō)明煤礦所采取的削坡壓腳維護(hù)邊坡穩(wěn)定的措施發(fā)揮了作用。但同時(shí)一旦邊坡潛在的滑動(dòng)部分垮掉，橋梁樁地基的左側(cè)部分將失去約束，由于橋梁樁地基巖體較破碎，加之巖體局部風(fēng)化，橋梁樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性受到影響，即使該剖面邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)較高，也要采取杜絕各種影響邊坡穩(wěn)定的不利因素。

（4）邊坡的垮塌是內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果，因此，對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的維護(hù)也必須采取綜合治理措施，防患于未然。

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