軟弱夾層對某礦山邊坡穩(wěn)定性的影響分析

范 昊 肖詩榮 魏瑞琦 張 浪

（三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002）

地質(zhì)災(zāi)害是指在自然或人為因素的作用下形成的,對人類生命財產(chǎn)造成損失,對環(huán)境造成破壞的地質(zhì)作用或地質(zhì)現(xiàn)象.我國地勢西高東低,以階梯狀的形式分布.擁有大量地形不利的山區(qū),加之每年梅雨、強(qiáng)對流等惡劣天氣的影響,使得滑坡成為當(dāng)前地質(zhì)災(zāi)害中發(fā)生頻率最高的一種,因其極高的破壞性、瞬時性、不可預(yù)防性、次生災(zāi)害多發(fā)性等特點(diǎn)[1],對國內(nèi)外露天礦山的開采、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及交通和人民生命財產(chǎn)帶來了嚴(yán)重威脅.

現(xiàn)有成果表明,軟弱夾層對邊坡的穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵性的作用,孫寧新等[2]指出爆炸應(yīng)力波在軟弱夾層界面發(fā)生反射,加劇部分巖體的破壞程度.張社榮等[3]基于Smrma極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法以多層軟弱夾層邊坡為研究對象探討了不同的巖層傾角、邊坡坡腳和結(jié)構(gòu)面間距的巖體破壞機(jī)制的變化規(guī)律.劉漢香等[4]則采用了對比試驗研究有無軟弱夾層對斜坡穩(wěn)定性的影響,結(jié)果表明含軟弱夾層的斜坡變形破壞程度大于不含軟弱夾層的斜坡.有的學(xué)者通過數(shù)值模擬的方法對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,陳觀明[5]基于FLAC3D 對含泥質(zhì)軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了數(shù)值模擬建模、計算與分析,得出順層結(jié)構(gòu)面軟弱夾層滑動帶塑性區(qū)范圍較大,易產(chǎn)生滑移.王永升等[6]通過數(shù)值模擬對撫順西露天北幫邊坡分析得出軟弱夾層、斷層以及礦震的影響會對邊坡表坡局部產(chǎn)生較大的變形.

本文采用矩陣離散元模擬系統(tǒng)Mat DEM[7],軟件結(jié)合矩陣運(yùn)算和高性能GPU 計算,以興山縣塘埡石灰?guī)r礦山邊坡為例,在其它因素條件相同下,分別對含有軟弱夾層和不含軟弱夾層的邊坡模型開挖過程的對比計算研究,分析了軟弱夾層對塘埡礦山邊坡開挖穩(wěn)定性的影響,為采區(qū)邊坡的安全性評估提供了依據(jù).

1 礦山開采過程中邊坡穩(wěn)定性工程地質(zhì)分析

在對塘埡礦山含軟弱夾層邊坡進(jìn)行開挖的過程中,軟弱夾層作為邊坡巖土體中的不連續(xù)軟弱結(jié)構(gòu)面極易造成巖土體的剝落與風(fēng)化,軟弱夾層的蠕動變形會導(dǎo)致邊坡發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象,如崩塌或者滑移.軟弱夾層與周圍相鄰巖層相比,結(jié)構(gòu)面厚度小、不連續(xù)、變形模量和抗壓強(qiáng)度較低是其最大的缺點(diǎn).

1.1 研究區(qū)基本工程地質(zhì)概述

圖1 邊坡出露的軟弱夾層S2

塘埡礦山位于興山縣城西南約28 km 處,礦區(qū)數(shù)十年的露天開采已形成最高達(dá)134 m 的高陡邊坡,坡頂高程最高1 160 m,坡腳平臺為1 026 m 高程.礦山邊坡整體呈東高西低,走向近南北向,傾西,總長約500 m;邊坡巖體為石灰?guī)r,屬順向坡,區(qū)內(nèi)地下水主要由大氣降水沿溶蝕裂隙滲入補(bǔ)給.

該邊坡存在多處軟弱夾層,為層間錯動形成,一般存在溶蝕現(xiàn)象,含黏土、巖屑、碎塊,主要分布于1 026 m 平臺至1 104平臺,坡面可見長度一般40～70 m,較長者約100 m,高程上分布疏密不均,坡面編錄揭露的垂直間距較密者一般3～10 m,主要集中在邊坡中部.經(jīng)測量,1 038～1 076平臺區(qū)域存在一條長約110 m 的典型軟弱夾層S2發(fā)育于中厚層灰?guī)r中,連通率為67%,產(chǎn)狀270°∠34°,面較平,見有走向N20度E 向的擦痕和階步,顯逆沖.夾層包含方解石、黏土夾碎屑、泥灰質(zhì)薄片巖（局部風(fēng)化成碎片）.

圖2 礦山邊坡地質(zhì)剖面圖

1.2 軟弱夾層導(dǎo)致礦山邊坡變形破壞特征

1.2.1 邊坡塊體變形

數(shù)十年的開采礦山已形成100 m 以上的高陡邊坡,由于未進(jìn)行加固支護(hù),導(dǎo)致礦山出現(xiàn)層間軟弱錯動帶為底滑面的較多不穩(wěn)定塊體,同時巖體會朝著軟弱面進(jìn)行屈服,順著劈理、層理的方向在沒有裂紋和裂隙的巖層面產(chǎn)生裂隙,或者使原先的裂隙進(jìn)一步加寬、加大,最終塊體底滑面變形失穩(wěn).以S2軟弱夾層為底滑面的塊體可分為兩種,典型變形塊體可見表1.

表1 典型塊體分布特征表

1.2.2 邊坡失穩(wěn)破壞特征

由于礦山邊坡性質(zhì)的劣化,導(dǎo)致邊坡不利塊體出現(xiàn)失穩(wěn),邊坡出現(xiàn)下滑等破壞現(xiàn)象.

平臺局部下沉與滑移:由于邊坡塊體的滑移或蠕變位移,導(dǎo)致邊坡多處平臺馬道產(chǎn)生局部下沉和滑移缺失;1）①號塊體滑體后緣被反傾裂隙切割,在自重作用下,①號塊體沿著層面產(chǎn)生滑移,破壞模式為平滑型滑動,滑移機(jī)制如圖3（a）所示;2）1 076 m 平臺由于坡體表面風(fēng)化程度高,巖體結(jié)構(gòu)松散,坡體整體沿著坡內(nèi)存在的順層軟弱結(jié)構(gòu)面S2產(chǎn)生整體滑移,破壞模式為平滑型和崩塌型的綜合,已造成長達(dá)40 m的滑塌,如圖3（b）、3（c）所示;3）根據(jù)順層層間錯動帶發(fā)育規(guī)模、連通率等情況,高程1180～1076 m 存在一個深層不利組合塊體,其組成深層塊體底滑面為S2,由于礦山邊坡在分級開挖過程中,臨空面周圍的巖體發(fā)生卸荷回彈,引起應(yīng)力集中等現(xiàn)象.

平臺開采缺失:由于邊坡巖體中存在順坡向?qū)娱g錯動帶及順坡反傾切割結(jié)構(gòu)面,構(gòu)成順坡不利塊體,導(dǎo)致開采開挖過程中,邊坡平臺馬道上出現(xiàn)大量的殘缺現(xiàn)象,造成局部平臺完全缺失,如圖3（d）所示.

圖3 邊坡變形破壞特征示意圖

2 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1 離散元基本原理

離散元基本思想起源于Cundall等[8]在巖體變形破壞工程的研究中,它是解決不連續(xù)介質(zhì)問題的一種主要數(shù)值模擬方法.離散元法可以動態(tài)地模擬巖土體的滑動、變形、斷裂與破壞,所以可以有效處理富含軟弱夾層、節(jié)理、滑移以及大變形的工程問題,廣泛應(yīng)用于開挖、巖土、構(gòu)造等領(lǐng)域[9-11].

在顆粒離散元Mat DEM 中,模型是由一系列遵循牛頓運(yùn)動規(guī)律的彈性顆粒,通過堆積膠結(jié)顆粒來代表各種巖土體材料.本文模擬礦山開挖過程所采用的離散單元間通過彈簧力相互作用的接觸關(guān)系可以表示為[12]:

其中:Kn為正向勁度系數(shù);Xn是法向相對位移;Ks為切向勁度系數(shù);Xs為切向相對位移;Fs0為粒間初始抗剪力;μp為粒間摩擦系數(shù);Fn為正向力;Fs為切向力.

2.2 離散元能量轉(zhuǎn)換過程

在地震傳播衰減,摩擦熱產(chǎn)生以及巖土體的滑移與變形等領(lǐng)域,離散元能量計算為其提供了一個新的手段[13].離散元中的能量主要包括機(jī)械能和熱能,其中機(jī)械能包括動能、彈性勢能和重力勢能,單元顆粒間的法向和切向彈簧應(yīng)變能的總和為彈性勢能.在數(shù)值模擬過程中,機(jī)械能可以通過這3種形式實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換,并可以在斷裂、阻尼和摩擦的作用下,轉(zhuǎn)化為熱能[14].熱能包括阻尼熱、斷裂熱和摩擦熱,總熱量是三者之和.在數(shù)值模擬中,熱量的累積和計算則是在每個時間步中通過時間步迭代計算而來,從而可以實現(xiàn)離散元系統(tǒng)的能量守恒.

2.3 模型參數(shù)

根據(jù)塘埡礦山勘察資料,利用矩陣離散元建立該邊坡的計算模型,為了討論軟弱夾層對邊坡開挖的影響,同時也建立了一個不含軟弱夾層的計算模型進(jìn)行對比.計算所采用的參數(shù)見表2.

表2 模擬中采用的兩種材料力學(xué)參數(shù)

2.4 分步開挖下的邊坡計算結(jié)果分析

塘埡水泥灰?guī)r礦山采用邊開挖邊擴(kuò)幫的方法,為了便于分析,分3步分別對block1、block2、block3邊坡進(jìn)行開挖計算（如圖4所示）.下面就這3步開挖過程,分別使用含軟弱結(jié)構(gòu)面和不含軟弱結(jié)構(gòu)面這兩種模型進(jìn)行計算分析,比較不同模型下的x方向位移、位移矢量和熱量的變化,分析在有無軟弱夾層的情況下分步開挖對邊坡的影響狀況.

圖4 分步開挖示意圖

1）x方向水平位移分析

對不含軟弱面的邊坡依次按照block1、block2、block3三步開挖,開挖后根據(jù)x方向水平位移圖（圖5（a））分析發(fā)現(xiàn),每一次開挖后,水平方向水平位移都會向邊坡臨空面數(shù)值發(fā)生變化,變化區(qū)域主要發(fā)生在1080～1 160 m 高程處.block1開挖完成后,x方向最大位移為0.003 m;block2開挖完成后,x方向最大位移為0.005 m;block3開挖完成后,x方向最大位移為0.011 m.隨著邊坡的開挖,x方向水平位移會稍有變化,但變化幅度較小.

對含有軟弱面的邊坡按照block1、block2、block3三步開挖,觀察x方向水平位移圖（圖5（b））分析發(fā)現(xiàn),每一步開挖后,所產(chǎn)生的水平方向位移都會比不含軟弱面邊坡開挖的水平位移大,x方向水平位移主要集中在軟弱面的上部區(qū)域.block1開挖完成后,x方向最大位移為0.006 m;block2開挖完成后,x方向最大位移為0.012 m;block3開挖完成后,x方向最大位移為0.025 m.對此可以看出,開挖會引起水平方向位移產(chǎn)生較大的變化.

圖5 邊坡x 方向水平位移圖

研究分析表明:在分步開挖的位置、步驟都相同的情況下,有無軟弱夾層,對邊坡水平方向位移影響較大,因為軟弱夾層的存在,含有軟弱面的邊坡所產(chǎn)生的水平方向位移變化量明顯高于不含軟弱面邊坡的位移,位移最大增幅達(dá)到了140%,詳見表3.

表3 邊坡位移量對比表

2）位移矢量分析

隨著分步開挖的進(jìn)行,當(dāng)邊坡中沒有軟弱面時,觀察位移矢量圖（圖6（a））可以發(fā)現(xiàn),邊坡位移方向指向開挖處以及邊坡外側(cè),block1開挖完成后邊坡最大位移為0.007 m;block2開挖完成后邊坡最大位移為0.014 m;block3 開挖完成后邊坡最大位移為0.018 m.分步開挖對邊坡整體位移的影響較小,且位移相對集中于開挖區(qū)域.

當(dāng)邊坡中含有軟弱面時,從整體位移矢量圖（圖6（b））可以看出,邊坡位移的方向指向坡面外側(cè),位移最大值出現(xiàn)下部軟弱夾層與開挖坡面之間形成的滑體部分,主要集中在1 080～1 160 m 的區(qū)域,隨著邊坡高程從高到低,整體位移和分步開挖的位移變化量也出現(xiàn)變大的趨勢,在下部軟弱面的上方出現(xiàn)了大量的位移集中現(xiàn)象.block1 開挖后邊坡最大位移為0.013 m;block2 開挖后邊坡最大位移為0.028 m;block3開挖后邊坡最大位移為0.045 m.

圖6 坡位移矢量圖

對比分析表明:分步開挖對含有軟弱面的邊坡整體最大位移值和變化量均有較大的變化,不含軟弱層邊坡總位移量最大有0.018 m,含軟弱層邊坡的總位移量可達(dá)到0.045 m,且會造成大量位移集中在軟弱面的現(xiàn)象.軟弱夾層的存在對邊坡穩(wěn)定性造成一定的影響,使邊坡產(chǎn)生滑移、滑落的可能.

3 邊坡開挖熱量分析

由于摩擦、散射等因素的作用,彈性波在顆粒間傳播時,部分機(jī)械能會逐漸轉(zhuǎn)化為熱能[13].在離散元計算當(dāng)中,模型會通過阻尼來減輕計算過程中所產(chǎn)生的彈性波,并消耗離散元系統(tǒng)中的動能[15].在斷裂連接狀態(tài)下,當(dāng)外力超過顆粒間最大剪切力時,兩個顆粒開始滑動,阻尼熱即為顆粒所受阻尼力與顆粒位移的乘積[7].通過離散元數(shù)值模擬,精確地觀察礦山在分步開挖過程中熱量的產(chǎn)生,可根據(jù)礦山內(nèi)部熱量場的分布特征直觀地反映各位置的情況.

為了便于觀察,將熱量分布區(qū)間改為0～300,不同的顏色代表表熱量值的大小,紅色區(qū)域熱量值最高.通過對比兩種模型的熱量特征分布圖（如圖7所示）,可以發(fā)現(xiàn),在不含軟弱夾層邊坡中分步開挖所產(chǎn)生的熱量區(qū)域較小,一般僅在開挖面處能看見紅色高亮區(qū)域.在含軟弱夾層邊坡中,從開挖初期可以看見,軟弱層附近形成熱量值較高的區(qū)域,這一部分的單元顆粒承受了較大的壓力,因此產(chǎn)生的熱量也較多.在開挖的中期,紅色帶狀高熱量區(qū)域逐漸充斥于軟弱層和開挖面之間.在開挖的后期,高熱量區(qū)域變多且熱量帶無明顯位移,但熱量帶兩端延伸至開挖的坡腳和坡頂處.

圖7 邊坡熱量分布圖

不難發(fā)現(xiàn),軟弱夾層的存在會使坡體開挖過程中產(chǎn)生較大的熱量,巖土體溫度也隨之升高.產(chǎn)生的高溫會迅速氣化巖土體中的水分,使得孔隙壓力增大而有效應(yīng)力減小,同時熱壓力也隨之產(chǎn)生.若溫度過高,可能會改變巖土體的力學(xué)性質(zhì),如降低滑帶抗剪強(qiáng)度,甚至是巖土體的礦物成分,黏土礦物、伊利石、蒙脫石石化,對工程開挖產(chǎn)生會較大的影響,塊體失穩(wěn)危險性也隨之提高.

4 結(jié)論

日常實踐中普遍存在含軟弱夾層的礦山邊坡,其力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性均比不含軟弱夾層邊坡差,本文分別從工程地質(zhì)角度和離散元數(shù)值模擬兩個方面進(jìn)行了分析.

工程地質(zhì)分析表明軟弱夾層會對礦山邊坡產(chǎn)生變形破壞,并以軟弱夾層為底滑面生成淺層塊體和深層塊體,塊體的失穩(wěn)造成邊坡產(chǎn)生下沉、滑移等,局部塊體在開采過程中會出現(xiàn)平臺缺失等現(xiàn)象.

基于顆粒離散元MatDEM 軟件數(shù)值模擬分析表明:

1）位移方面:在分步開挖條件下,不含軟弱夾層邊坡x方向水平位移和位移矢量變化較小,含有軟弱夾層邊坡x方向水平位移和位移矢量變化量較大,增幅達(dá)到了一倍以上.且在軟弱夾層和開挖坡面間出現(xiàn)大量位移集中的現(xiàn)象,說明位移變化區(qū)域受軟弱夾層影響顯著.

2）熱量方面:通過熱量分布圖可以很好地反映在開挖下礦山內(nèi)部熱量的分布情況,含有軟弱夾層的邊坡中,在軟弱面附近會形成帶狀的高熱量區(qū),并隨著開挖向前擴(kuò)展.隨著軟弱面處熱量的變大,其溫度也隨之升高,一方面,巖土體的力學(xué)性質(zhì)和礦物成分可能會發(fā)生改變,另一方面黏聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)性質(zhì)隨著溫度的變化也會發(fā)生變化,降低軟弱夾層抗剪強(qiáng)度.以上分析表明軟弱夾層是邊坡在開挖工程中一個十分敏感的影響因素,造成諸多不利的失穩(wěn)現(xiàn)象,危害工程安全.