露天礦邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)確定及穩(wěn)定性分析

李學(xué)鋒, 宋勇軍, 李和群, 梁莉, 向進(jìn)偉, 李坤光

(廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院, 廣西 南寧 530004)

0 引言

在露天開采過程中,采場邊坡管理是安全工作重中之重,隨著開采工作的進(jìn)行,邊坡相對高度增大,必須對采場邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。高嶺土屬于軟弱巖,風(fēng)化后結(jié)構(gòu)松散,遇水易分散,強(qiáng)度低,具有吸水性。針對軟巖邊坡,曹碩鵬等[1]研究紅黏土邊坡的裂隙發(fā)育和降雨強(qiáng)度對降雨入滲及沖刷模式的影響,證明降雨強(qiáng)度大和裂隙發(fā)育對紅黏土邊坡入滲特征和沖刷模式有負(fù)面影響。付宏淵等[2]總結(jié)現(xiàn)有成果,從微觀角度研究軟巖在濕、熱、力作用下的破壞規(guī)律,探討軟巖邊坡的穩(wěn)定性分析發(fā)展方向。目前邊坡穩(wěn)定性評價(jià)方法主要分為定性分析和定量分析[3],定量分析方法有極限平衡法、有限元法、邊界元法和離散元法等[4]。楊奎斌等[5]為解決傳統(tǒng)極限平衡法難以考慮土體應(yīng)力狀態(tài),提出坡面應(yīng)力等效方法,坡面以半無限邊界考慮,按彈性力學(xué)方法計(jì)算坡內(nèi)應(yīng)力并求解安全系數(shù),計(jì)算結(jié)果與有限元法基本一致。Zienkiewicz等[6]最早提出強(qiáng)度折減法并用于邊坡穩(wěn)定性分析中,劉佳等[7]通過RFPA軟件研究露天礦高邊坡的破壞機(jī)理,結(jié)果表明安全系數(shù)會隨著邊坡變高、變陡而逐漸減小。林姍等[8]基于增量法彈塑性原理和雙線性投影算子,結(jié)合強(qiáng)度折減法和φ-v不等式,創(chuàng)新性地提出虛單元強(qiáng)度折減技術(shù)。林杭等[9]把Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則運(yùn)用于強(qiáng)度折減法中,并與Mohr-Coulomb準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)相差甚微,驗(yàn)證了該方法的可靠性。Tao等[10]通過現(xiàn)場滑坡調(diào)查總結(jié)邊坡滑坡模式,運(yùn)用Flac3D軟件計(jì)算邊坡位移、剪應(yīng)變,判斷邊坡穩(wěn)定性,最后根據(jù)3DEC軟件計(jì)算露天礦安全開采深度。為獲取可靠的巖體強(qiáng)度參數(shù),專家學(xué)者已提出的強(qiáng)度準(zhǔn)則中最有價(jià)值之一的為Hoek-Brown半經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則[11]。在邊坡穩(wěn)定性分析中多數(shù)工程實(shí)例運(yùn)用Mohr-Coulomb強(qiáng)度折減法。鑒于此,為研究廣西藤縣宏偉聯(lián)興高嶺土露天礦邊坡的穩(wěn)定性,基于廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則估算巖體強(qiáng)度參數(shù),采用Slide軟件和Midas/GTS軟件對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果對該高嶺土露天礦邊坡防治工作有指導(dǎo)意義。

1 礦山邊坡概況

該高嶺土礦山總體地勢為南高北低,采場標(biāo)高為+238～+80 m,臺階高度10 m,礦段由北往南,現(xiàn)已形成多個(gè)開采平臺。采場地表境界最長1 620 m,最寬650 m,現(xiàn)狀邊坡主要集中在采場南部和西南部,坡度在35 °～55 °不等,最終邊坡角25 °～45 °,現(xiàn)狀邊坡和終了邊坡最大高度分別為50 m和80 m。該高嶺土礦西南幫邊坡長期自然暴露,受風(fēng)化作用、雨水沖刷等地質(zhì)營力和開采活動(dòng)等因素影響,邊坡巖體強(qiáng)度降低,結(jié)構(gòu)變得松散,礦山急需開展邊坡穩(wěn)定性研究。工程勘探判斷礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡單,露天采場未發(fā)現(xiàn)有地下水涌出現(xiàn)象,地質(zhì)勘查鉆孔均未見地下水,開采設(shè)計(jì)最低標(biāo)高比侵蝕基準(zhǔn)面高約50 m,開采活動(dòng)不受地下水的影響。

2 邊坡巖體質(zhì)量分級和強(qiáng)度參數(shù)確定

2.1 邊坡巖體RMR分級

巖體質(zhì)量分級是評價(jià)工程巖體的基本手段,地質(zhì)力學(xué)分類是實(shí)際工程中運(yùn)用最為廣泛的方法之一。RMR[12]系統(tǒng)采用巖塊抗壓強(qiáng)度、巖體RQD值、節(jié)理間距和節(jié)理的狀態(tài)、地下水賦存情況等5大評價(jià)指標(biāo)對巖體進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)。該露天礦地質(zhì)條件簡單,礦段內(nèi)及礦段外分布有晚白堊世霏細(xì)巖體,巖性單一,風(fēng)化后形成高嶺土。根據(jù)邊坡巖體的風(fēng)化程度和節(jié)理發(fā)育情況,把巖體劃分為強(qiáng)風(fēng)化霏細(xì)巖、半風(fēng)化霏細(xì)巖、微風(fēng)化霏細(xì)巖,采用RMR法對以上3組巖體進(jìn)行評價(jià)。為求得可靠的巖體力學(xué)參數(shù),巖體RQD值通過巖體的現(xiàn)場測線法調(diào)查結(jié)果和結(jié)構(gòu)面分析獲得到[13],巖石抗壓強(qiáng)度可通過室內(nèi)試驗(yàn)確定,其他指標(biāo)通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查獲得。根據(jù)所劃分的巖組,RMR 分級見表1。

表1 巖體RMR分級表Tab.1 RMR grading table for rock masses

2.2 邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)確定

為獲得可靠的邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù),基于廣義 Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算邊坡巖體強(qiáng)度[14]?；艨说瓤偨Y(jié)大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn),并且經(jīng)過不斷的修正,廣義 Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則[15]于2002年被提出，

(1)

式中mb、s、a均是反應(yīng)巖體的特征參數(shù),在實(shí)際應(yīng)用中可通過地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI求得

(2)

式中：D是巖體的擾動(dòng)系數(shù),取值在0～1；mi是巖石的材料常數(shù),由完整巖石的三軸實(shí)驗(yàn)獲??；s反應(yīng)巖體破碎程度。同時(shí)Hoek提出Mohr-Coulomb的強(qiáng)度參數(shù)確定式:

(3)

(4)

Roclab 軟件運(yùn)用最新Generalized Hoek-Brown failure標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測得巖石力學(xué)參數(shù),在軟件中輸入巖石單軸抗壓強(qiáng)度、GSI、材料常數(shù)mi、擾動(dòng)系數(shù)D,可自動(dòng)計(jì)算巖體強(qiáng)度,輸入?yún)?shù)見表2,其中,D的取值根據(jù)Hoek[15]等人工程經(jīng)驗(yàn)給出不同情況下的建議值。經(jīng)Roclab軟件計(jì)算,得到巖體強(qiáng)度參數(shù)見表3。

表2 巖體Hoek-Brown準(zhǔn)則參數(shù)取值Tab.2 Hoek-Brown criterion parameter values for rock mass

表3 邊坡巖體力學(xué)參數(shù)Tab.3 Mechanical parameters of slope rock mass

3 邊坡穩(wěn)定性分析

目前,計(jì)算邊坡穩(wěn)定性的方法眾多,極限平衡法和有限元法應(yīng)用較廣,極限平衡法中同時(shí)滿足力和力矩平衡的計(jì)算方法結(jié)果最精確[16],對邊坡進(jìn)行二維穩(wěn)定性分析時(shí)采用Spencer法,對邊坡進(jìn)行三維穩(wěn)定性分析時(shí)采用有限元強(qiáng)度折減法,巖體強(qiáng)度準(zhǔn)則都采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則。在確定巖體強(qiáng)度參數(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合礦山提供的地質(zhì)資料,在Slide軟件中對礦山現(xiàn)狀邊坡和終了邊坡進(jìn)行二維穩(wěn)定性計(jì)算；然后通過3DMine軟件建立礦山地質(zhì)模型,如圖1所示,提取高程信息導(dǎo)入Midas/GTS中建立三維穩(wěn)定性計(jì)算模型,計(jì)算現(xiàn)狀邊坡和終了邊坡穩(wěn)定性。

(a) 采場現(xiàn)狀邊坡

3.1 邊坡二維穩(wěn)定性分析

礦山水文地質(zhì)條件簡單,計(jì)算不需要考慮地下水的影響。選取剖面A和剖面B進(jìn)行二維穩(wěn)定性分析,剖面位置如圖2所示。對邊坡3種不同的工況進(jìn)行穩(wěn)定性分析:工況Ⅰ,邊坡在自重作用下的天然工況；工況Ⅱ,受到自重和地震作用,廣西藤縣地震基本烈度為Ⅵ,地震動(dòng)峰值加速度取為0.05 g；工況Ⅲ,同時(shí)受到自重和持續(xù)降雨的影響,強(qiáng)風(fēng)化霏細(xì)巖、半風(fēng)化霏細(xì)巖和微風(fēng)化霏細(xì)巖飽和容重分別為14.1、24.0、24.7 kN/m3。根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016—2014)[17],該露天礦邊坡危害等級和安全等級劃分為Ⅲ級,規(guī)定工況Ⅰ安全系數(shù)為1.15,規(guī)定工況Ⅱ、工況Ⅲ的安全系數(shù)為1.10,Slide 計(jì)算結(jié)果見表4。

圖2 剖面線布置圖Fig.2 Profile line layout

表4 邊坡二維穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of two-dimensional stability of slope

經(jīng) Slide 軟件計(jì)算,在3種工況下2個(gè)坡面均處于穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨或地震影響下邊坡穩(wěn)定性都有不同程度的降低。剖面A和剖面B的潛在滑動(dòng)面在各個(gè)工況下基本相似,剖面A計(jì)算結(jié)果如圖3、4所示,剖面B計(jì)算結(jié)果如圖5、6所示。結(jié)果表明，搜索的滑動(dòng)面都出現(xiàn)在邊坡的強(qiáng)風(fēng)化巖層中,主要是強(qiáng)風(fēng)化巖層風(fēng)化嚴(yán)重,結(jié)構(gòu)松散,在外載荷下容易發(fā)生垮塌,需要加強(qiáng)采場的排水工作和適當(dāng)降低強(qiáng)風(fēng)化巖層的坡面角。

(a) 工況Ⅰ

(a) 工況Ⅰ

(a) 工況Ⅰ

(a) 工況Ⅰ

3.2 邊坡三維穩(wěn)定性分析

由于地形地貌的復(fù)雜性,邊坡二維穩(wěn)定性分析對于邊坡的整體穩(wěn)定性分析存在局限性,為此建立符合礦山實(shí)際的三維邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型,通過 3DMine-Midas/GTS 耦合建模建立邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型,對邊坡的應(yīng)變和位移進(jìn)行分析,查看邊坡潛在的滑移面,判斷邊坡滑移趨勢。強(qiáng)度折減理論是通過降低巖土強(qiáng)度的方法來計(jì)算安全系數(shù)[18],其計(jì)算公式為

(5)

式中:

τfF=CF+σtanφF

邊坡三維穩(wěn)定性計(jì)算中,模擬工況同二維邊坡穩(wěn)定性計(jì)算一致,暴雨工況中降雨邊界條件設(shè)置為137 mm/d,持續(xù)降雨1 d,強(qiáng)風(fēng)化霏細(xì)巖、半風(fēng)化霏細(xì)巖和微風(fēng)化霏細(xì)巖的滲透系數(shù)分別為6.22×10-5、5.3×10-6、9.08×10-7cm/s,各工況計(jì)算的安全系數(shù)見表5。

表5 邊坡三維穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation results of three-dimensional stability of slope

① 從計(jì)算結(jié)果可知,現(xiàn)狀邊坡和終了邊坡在各種工況下安全系數(shù)都符合要求,現(xiàn)狀邊坡受持續(xù)暴雨影響最明顯,主要是強(qiáng)風(fēng)化巖體結(jié)構(gòu)松散,巖體強(qiáng)度低,容易在雨水沖刷下失穩(wěn)；終了邊坡在地震載荷下安全系數(shù)最低,主要原因是隨著開采活動(dòng)進(jìn)行地表高程降低,邊坡高度相對增加,在地震慣性力作用下邊坡更容易垮塌。

② 現(xiàn)狀邊坡的應(yīng)變分布如圖7所示,終了邊坡的應(yīng)變分布如圖8所示。從圖中看出，邊坡變形破壞區(qū)基本位于強(qiáng)風(fēng)化巖層中,變形的區(qū)域與Slide搜索的滑動(dòng)面基本一致,說明三維邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果正確。終了邊坡變形區(qū)域比現(xiàn)狀邊坡變形區(qū)域大,主要是因?yàn)殡S著開采活動(dòng)進(jìn)行采場高程下降,邊坡高度相對增加，但現(xiàn)狀邊坡應(yīng)變集中更明顯,主要是坡面角較大,坡腳處應(yīng)力集中,從而更容易發(fā)生剪切破壞。建議后期開采過程中減小坡面角,保證邊坡穩(wěn)定。

③ 邊坡采用非線性靜力分析,對比現(xiàn)狀邊坡和和終了邊坡在自然工況下的位移情況,如圖9所示。從圖中可以看出，現(xiàn)狀邊坡和終了邊坡的滑移都集中在強(qiáng)風(fēng)化層,現(xiàn)狀邊坡最大位移為9.75×10-5,終了邊坡最大位移為4.81×10-5,位移都趨勢不大,說明現(xiàn)狀邊坡和終了邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

④ 采用極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡的潛在滑面基本一致,但邊坡三維穩(wěn)定性系數(shù)比二維穩(wěn)定性系數(shù)高0.10～0.28。該礦山現(xiàn)狀邊坡高約50 m,潛在滑面長約80 m,長高比為1.60；終了邊坡高約80 m,潛在滑面長220 m,長高比為2.75；根據(jù)文獻(xiàn)[19],當(dāng)邊坡長高比小于5時(shí),邊坡二維穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果誤差在5%～50%。分析結(jié)果存在差異主要是礦山邊坡地形復(fù)雜,二維穩(wěn)定性分析不能充分考慮復(fù)雜邊坡的側(cè)向端部效應(yīng),計(jì)算結(jié)果偏低。邊坡的二維穩(wěn)定性分析考慮邊坡的局部穩(wěn)定性,不能用于評價(jià)復(fù)雜邊坡的整體穩(wěn)定性,評價(jià)復(fù)雜邊坡穩(wěn)定性宜采用三維穩(wěn)定性分析。

(a) 工況Ⅰ

(b) 工況Ⅱ

(c) 工況Ⅲ

(a) 工況Ⅰ

(b) 工況Ⅱ

(c) 工況Ⅲ

(a) 現(xiàn)狀邊坡

(b) 終了邊坡

4 邊坡防治措施建議

① 計(jì)算結(jié)果表明，降雨對邊坡穩(wěn)定性影響較大,高嶺土礦屬于遇水易軟化礦種,且邊坡強(qiáng)風(fēng)化巖體松散破碎,應(yīng)加強(qiáng)采場排水措施建設(shè)。采場外圍排水建設(shè)主要是修筑混凝土截水溝避免雨水匯集沖刷采場,截水溝走向應(yīng)該根據(jù)地形呈東西布置；邊坡坡面和各級臺階面應(yīng)保持平整,采場邊坡臺階形成坡度不小于3‰的反坡,臺階向礦山公路的排水溝形成3‰的坡度,將采場積水匯集后排至開采境界外。

② 從邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果可知,邊坡變形區(qū)基本位于強(qiáng)風(fēng)化巖層中,在開采過程中應(yīng)嚴(yán)格控制強(qiáng)風(fēng)化巖體坡面角,自上而下開采,禁止掏挖開采或崩落下部臺階形成“一面墻”的高陡坡。

③ 加強(qiáng)露天礦邊坡的監(jiān)測和巡視,對邊坡進(jìn)行位移監(jiān)測和對采場進(jìn)行降雨量監(jiān)測,掌握邊坡的滑移狀態(tài)并結(jié)合雨量監(jiān)測對災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警；礦山應(yīng)安排專職工作人員對邊坡定期巡視,發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)匯報(bào),停止生產(chǎn)和采取安全處理措施。

④ 為防止高嶺土邊坡進(jìn)一步風(fēng)化和雨水對邊坡的侵蝕,降低干濕循環(huán)作用效應(yīng),對開挖后的坡體進(jìn)行植被護(hù)坡或覆蓋土工膜。

5 結(jié)論

① 基于RMR 法巖體質(zhì)量分級的廣義 Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則可以綜合考慮邊坡巖體的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)等狀況,有效反映巖體的非線性破壞現(xiàn)象,符合節(jié)理發(fā)育巖體破壞特點(diǎn),更加貼近工程實(shí)際。

② 通過Slide 軟件和 Midas/GTS 軟件對露天礦邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,結(jié)果表明邊坡在自然工況、地震工況和暴雨工況都滿足《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016—2014)的要求,潛在滑移面主要位于強(qiáng)風(fēng)化巖層中。

③ 在分析復(fù)雜邊坡穩(wěn)定性時(shí),邊坡二維穩(wěn)定性分析結(jié)果相對保守,未考慮滑體端部抗滑效應(yīng)。評價(jià)復(fù)雜邊坡穩(wěn)定性時(shí)應(yīng)以邊坡三維穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果為主。