東露天選煤廠槽倉高邊坡穩(wěn)定性與變形分析

姜海波，宮守才，劉慶雪

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，西安 710054)

1 前言

隨著煤礦建設(shè)工程的發(fā)展，對(duì)儲(chǔ)煤槽倉的規(guī)模和儲(chǔ)量要求越來越大，而倉體開挖涉及的邊坡穩(wěn)定性問題也日顯重要。平朔東露天選煤廠槽倉位于山西省朔州市，槽倉設(shè)計(jì)儲(chǔ)量為20萬 t，服務(wù)年限75 a，槽倉平均開挖深度32 m，總坡度71°，為目前亞洲最大規(guī)模的儲(chǔ)煤槽倉，開挖后邊坡的穩(wěn)定與否直接關(guān)系著選煤廠的順利施工與以后的安全運(yùn)營(yíng)，所以，對(duì)倉壁邊坡開挖、支護(hù)前后的變形和穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析研究非常重要，以便對(duì)邊坡選擇合理、經(jīng)濟(jì)的支護(hù)措施。

2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

平朔東露天煤礦位于朔州市平魯區(qū)，地面標(biāo)高介于1333．38～1401．01 m 之間，最大地面高差67．63 m，場(chǎng)地地貌單元屬黃土梁，場(chǎng)地地表土層主要有:

①填土(Q2al4):屬淤積壩后堆積的新近堆積土層，呈可塑—軟塑狀態(tài)，具高壓縮性，極不均勻。

②黃土狀粉土(Q2del4):屬滑坡堆積物，新近堆積土層，堅(jiān)硬。

③黃土(Qeol3):為場(chǎng)地地表主要堆積物，淺黃色，土質(zhì)均勻，堅(jiān)硬—硬塑狀態(tài)，中壓縮性，濕陷性中等—強(qiáng)烈。

④黃土(Qeol3):褐黃色，土質(zhì)均勻，呈堅(jiān)硬—硬塑狀態(tài)，中壓縮性，不具濕陷性。

④－1黃土(Qeol3):褐黃色，土質(zhì)均勻，呈可塑—軟塑—流塑狀態(tài)，中壓縮性，不具濕陷性。

④－1－1黃土(Qeol3):土質(zhì)均勻，可塑—軟塑—流塑狀態(tài)，中壓縮性，不具濕陷性。層厚0．50～4．50 m，不連續(xù)，呈透鏡體分布在部分孔中。

⑤黃土(Qeol2):棕紅色，菱塊狀結(jié)構(gòu)，可見高角度的裂隙，裂隙中充填砂粒，呈硬塑—堅(jiān)硬狀態(tài)，中等偏低壓縮性。

⑥粉質(zhì)粘土(Qel+pl1):淺棕紅、棕黃色，塊狀結(jié)構(gòu)，呈硬塑—堅(jiān)硬狀態(tài)，中等偏低壓縮性。

⑦強(qiáng)風(fēng)化泥巖 (P1x):灰色—黃灰色，泥質(zhì)膠結(jié)，具薄層水平層理，巖芯呈碎塊狀，遇水崩解，塑性較強(qiáng)。

⑦－1強(qiáng)風(fēng)化砂巖 (P1x):灰色—黃灰色，泥質(zhì)膠結(jié)，具薄層水平層理，巖質(zhì)疏松，裂隙發(fā)育，巖芯呈塊狀—碎塊狀。

場(chǎng)地在勘察期間有地下水分布，地下水埋深介于1331．08 ～1344．28 m，屬上層滯水，受相對(duì)隔水層分布影響，水位標(biāo)高變化大，主要受大氣降水補(bǔ)給，季節(jié)變化明顯。在沖溝溝底或下游排出。溝谷底現(xiàn)濕地或下降泉出露。

3 槽倉邊坡基本特征

槽 倉 長(zhǎng) 237．0 m，上 口 寬 40．0 m，下 口 寬16．0 m，深 24．5 m，倉壁坡度為 60 °，槽底布置有高6．30 m，寬16．0 m的輸煤暗道，暗道上部布置有3個(gè)落煤筒，槽倉縱斷面圖和橫斷面圖見圖1和圖2。文章重點(diǎn)對(duì)倉壁及暗道邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算。倉壁邊坡斜壁段高21．8～25 m，直壁段高6．3 m，最大總高度31．3 m，邊坡安全等級(jí)為一級(jí)。槽倉建成后，坡面作為倉壁承受煤壓，存在空倉和滿倉交替的兩種工況，對(duì)變形要求非常高。暗道土層為④－1和④－1－1，其中④－1－1層黃土為高靈敏飽和黃土，觸變性強(qiáng)，一經(jīng)擾動(dòng)，呈流塑狀態(tài)，在暗道直壁范圍內(nèi)有不連續(xù)地下水位，這些因素都對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成了不利影響。

圖1 槽倉縱斷面圖Fig．1 Longitudinal profile of bunker

圖2 槽倉橫斷面圖Fig．2 Cross-sectional drawing of bunker

4 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與變形分析

邊坡巖土體穩(wěn)定性的分析計(jì)算，是邊坡勘察設(shè)計(jì)的核心問題，目前仍以極限平衡法為主。文章先采用極限平衡理論對(duì)開挖邊坡分未支護(hù)和支護(hù)后兩種狀況進(jìn)行計(jì)算，該理論按照斯賓塞法、摩根斯坦(Morgenstern)－普賴斯(Price)法、畢肖普法和簡(jiǎn)布法分別計(jì)算出4種安全系數(shù)，再采用有限元方法計(jì)算邊坡的變形特征。該方法應(yīng)用彈塑性理論，避免了極限平衡分析法中將滑體視為剛體而簡(jiǎn)化為剛體的缺點(diǎn)，可近似的根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律去分析邊坡的變形、破壞機(jī)制［1］，以驗(yàn)證加固方案的有效性［2～4］。

4．1 計(jì)算模型及參數(shù)選取

采用極限平衡法進(jìn)行分析，開挖模型如圖3所示，地層取近似水平地層，模型長(zhǎng)85 m，高52 m。邊界條件為:設(shè)定模型的上部和右側(cè)為自由邊界，左側(cè)為水平約束，底面邊界采用固定約束，其他邊界設(shè)定為位移自由邊界。土體按彈塑性考慮，采用摩爾－庫侖屈服準(zhǔn)則進(jìn)行模擬。

組成邊坡巖土體的物理力學(xué)指標(biāo)是邊坡穩(wěn)定分析和綜合評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ)資料和依據(jù)。該場(chǎng)地地層較為復(fù)雜，故采用直接快剪試驗(yàn)、增濕直剪試驗(yàn)、飽和直剪試驗(yàn)和殘余剪切試驗(yàn)，獲取土體不同狀態(tài)下的力學(xué)參數(shù)，力求計(jì)算參數(shù)接近真實(shí)情況。

1)直剪試驗(yàn)(快剪)。考慮槽倉開挖及倉體邊坡設(shè)計(jì)，對(duì)場(chǎng)地上部地基土進(jìn)行了直剪(快剪)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 地基土直剪試驗(yàn)(快剪)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistic result of straight scissors test

2)增濕直剪試驗(yàn)及飽和直剪試驗(yàn)。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，考慮到槽倉在建成后使用過程中地基土的含水率普遍會(huì)有所增高，因而對(duì)場(chǎng)地內(nèi)的③、④層非飽和黃土進(jìn)行了增濕直剪試驗(yàn)及飽和直剪試驗(yàn)，增濕時(shí)含水率一次增至液限含水率后進(jìn)行直剪，增濕直剪試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，飽和直剪試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表2 地基土增濕直剪試驗(yàn)(快剪)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistic result of straight scissors test with different percent moisture content

表3 地基土飽和直剪試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistic result of straight scissors test of saturated soil

3)殘余剪切試驗(yàn)。針對(duì)產(chǎn)品槽倉邊坡土層的特性，即在粘性土中，堅(jiān)硬的粘性土應(yīng)力－剪應(yīng)變曲線常呈現(xiàn)較大峰值，超越峰值后，當(dāng)剪應(yīng)變相當(dāng)大時(shí)，抗剪強(qiáng)度不再變化。對(duì)產(chǎn)品槽倉邊坡的③、④、④－1層黃土進(jìn)行殘余抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，殘余抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 地基土殘余剪切試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistic result of residual scissors test

分析以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由增濕直剪試驗(yàn)及天然土的直剪試驗(yàn)對(duì)比可以看出，含水率對(duì)粘性土的粘聚力C值有較大影響，隨著含水率的增大，粘聚力C呈減小趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角雖呈遞減趨勢(shì)，但變化不如粘聚力明顯。將各試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，在原數(shù)據(jù)上進(jìn)行適當(dāng)增減，作為計(jì)算式的數(shù)據(jù)，地下水位附近及以下土層按飽和土層考慮，以飽水指標(biāo)作為計(jì)算參數(shù)，各層土的計(jì)算參數(shù)取值見表5。

表5 各層土的計(jì)算參數(shù)取值Table 5 Chart for computing parameter of each layer soil

4．2 邊坡支護(hù)前穩(wěn)定性與變形評(píng)價(jià)

選取槽倉一典型剖面為例，考慮槽倉開挖后在天然條件下、降雨條件下、地震條件下及降雨與地震聯(lián)合作用條件下的邊坡穩(wěn)定性問題。圖3為開挖槽倉支護(hù)前的數(shù)值計(jì)算模型，圖4和圖5為支護(hù)前應(yīng)力和位移分布圖。

天然狀況下，未支護(hù)的邊坡僅考慮邊坡巖土體的自重作用，計(jì)算時(shí)采用天然狀態(tài)下的粘聚力、內(nèi)摩擦角及天然容重，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為0．6左右，為不穩(wěn)定狀態(tài)，需要進(jìn)行邊坡開挖支護(hù)，以確保槽倉邊坡安全運(yùn)營(yíng)。降水狀況下，據(jù)氣象資料，日最大降水量選取153 mm，連續(xù)最長(zhǎng)降水時(shí)間為13 d，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)較天然狀態(tài)降低約9．8% ～13%，對(duì)邊坡的開挖支護(hù)要考慮降雨的影響。地震狀況下，考慮邊坡在7度地震作用下，邊坡穩(wěn)定性下降了19．7%～22%，可見地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性有顯著影響。在最差的工況下即遇到地震與暴雨聯(lián)合作用時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)降低約22．3% ～28．5%，該狀態(tài)較地震狀態(tài)穩(wěn)定性下降了10．8%，可見地震對(duì)邊坡的影響是最大的，也是最顯著的。

圖3 槽倉支護(hù)前數(shù)值計(jì)算模型Fig．3 Numerical calculation model of unreinforced bunker

圖4 槽倉支護(hù)前應(yīng)力分布圖Fig．4 Stress envelope graph of unreinforced bunker

圖5 槽倉支護(hù)前位移分布圖Fig．5 Displacement graph of unreinforced bunker

可見，槽倉開挖若不采取任何支護(hù)措施，該邊坡將無法存在，因此，槽倉邊坡必須邊開挖邊加固，才能達(dá)到安全使用的穩(wěn)定性要求。由槽倉支護(hù)前應(yīng)力圖可以看出，槽倉斜壁與直壁轉(zhuǎn)角處和倉底坡腳處也是變形最大的地方，此處是邊坡加固的重點(diǎn)部位。從支護(hù)前位移分布圖來看，邊坡破壞面為圓弧滑面，加固時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)一定要穿過滑面一定深度，才能保證邊坡斜壁部分的穩(wěn)定性。

表6 邊坡支護(hù)前不同工況下穩(wěn)定性計(jì)算表Table 6 Stability calculation before reinforcement of different conditions

4．3 邊坡支護(hù)后的穩(wěn)定性與變形分析

4．3．1 支護(hù)后邊坡穩(wěn)定性分析

針對(duì)槽倉開挖未支護(hù)的穩(wěn)定性與變形情況，設(shè)計(jì)采用多種方法聯(lián)合支護(hù)方案，設(shè)計(jì)支護(hù)圖如圖6所示，采用邊開挖邊支護(hù)的施工方法。邊坡斜壁段采用土釘墻復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，土釘支護(hù)是通過以增加邊坡自身穩(wěn)定性的主動(dòng)制約機(jī)制為基礎(chǔ)的復(fù)合土體，不僅有效地提高了土體整體剛度，彌補(bǔ)了土體抗剪、抗拉強(qiáng)度低的弱點(diǎn)，通過相互作用，土體自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的潛力充分發(fā)揮，并且改善了邊坡變形和破壞性狀，顯著提高了整體穩(wěn)定性。但是土釘支護(hù)水平位移偏大［5］，而槽倉結(jié)構(gòu)本身對(duì)位移有較高的要求，故將雙數(shù)排號(hào)的土釘改為錨桿，施加200～250 kN的預(yù)應(yīng)力，并在錨桿錨頭部分設(shè)置寬400 mm、厚250 mm的橫向鋼筋混凝土梁，以減小水平位移量，加強(qiáng)面層的整體性。錨桿傾角15°，長(zhǎng)30～35 m;土釘傾角15°，長(zhǎng)27 m，錨桿與土釘隔排設(shè)置，垂直間距1．1 m，水平間距1 m;槽倉直壁段采用雙排灌注樁和鋼內(nèi)撐復(fù)合結(jié)構(gòu)支護(hù)，盡量避免擾動(dòng)暗道側(cè)壁土體。外側(cè)支護(hù)樁直徑1 m、間距1．47 m，主要承受側(cè)壁土壓力，內(nèi)側(cè)暗道樁直徑1．5 m、間距1．72 m，既承受側(cè)向土壓力，又承受上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，為混合型受力樁。直壁段邊坡采用逆作法施工，即先施工鋼內(nèi)撐和暗道頂板，再挖去暗道內(nèi)土體，以確保邊坡穩(wěn)定性。

圖6 槽倉邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)圖Fig．6 Picture of the reinforced slope

表7 邊坡支護(hù)后各種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)表Table 7 Stability calculation after reinforcement of different conditions

邊坡支護(hù)后的穩(wěn)定性分析分4種工況進(jìn)行計(jì)算，各種工況下穩(wěn)定性系數(shù)見表4。槽倉開挖支護(hù)后天然狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)可以達(dá)到1．30以上，可以滿足該工程的穩(wěn)定性要求。該支護(hù)方式在降雨條件下可以達(dá)到1．20以上，地震條件下穩(wěn)定性系數(shù)約為1．08，基本處于極限平衡狀態(tài)，在降雨與地震聯(lián)合作用下，穩(wěn)定性系數(shù)與降雨條件下相差不大，可見幾種工況下最低穩(wěn)定系數(shù)為1．05，邊坡處于極限穩(wěn)定狀態(tài)，可達(dá)到工程安全運(yùn)營(yíng)的要求。

4．3．2 支護(hù)后邊坡變形分析

采用有限元對(duì)槽倉邊坡加固支護(hù)情況進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果如圖7～圖10所示。

可以看出，邊坡加固后邊坡處無應(yīng)力集中區(qū)域，加固前的應(yīng)力由加固措施承擔(dān)，大大提高了邊坡穩(wěn)定性。邊坡加固前邊坡位移達(dá)到1．4 m，加固后邊坡水平最大位移不足5 cm，考慮有限元計(jì)算精度，此變形大小滿足要求。最大豎向位移13 cm，在暗道底板處，主要是由于模擬時(shí)未考慮暗道底板的硬化引起，對(duì)倉壁邊坡變形計(jì)算不影響。加固前邊坡存在明顯的圓弧形滑面，加固后總位移分布已不存在滑面，變形在允許范圍之內(nèi)。可見，該支護(hù)方案非常適合該邊坡。

圖7 槽倉支護(hù)后應(yīng)力分布圖Fig．7 Stress envelope picture of reinforced bunker

圖8 槽倉支護(hù)后總位移分布圖Fig．8 Displacement picture of reinforced bunker

圖9 槽倉支護(hù)后水平位移分布圖Fig．9 Horizontal displacement picture of reinforced bunker

5 結(jié)語

針對(duì)東露天槽倉高邊坡，利用極限平衡法和有限元法對(duì)邊坡支護(hù)前后在不同工況條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算，分析了邊坡支護(hù)前后的應(yīng)力與變形分布，得出以下結(jié)論:

1)槽倉邊坡支護(hù)前無法達(dá)到使用要求，斜壁與直壁轉(zhuǎn)角處和倉底坡腳處為應(yīng)力集中和變形最大處，是加固的重點(diǎn)部位。

2)邊坡采用土釘墻復(fù)合結(jié)構(gòu)和灌注樁+鋼內(nèi)撐復(fù)合結(jié)構(gòu)等多種支護(hù)后，天然工況穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1．3以上，地震+飽和工況下穩(wěn)定系數(shù)1．05，邊坡處于極限穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡滿足使用要求。

圖10 槽倉支護(hù)后豎向位移分布圖Fig．10 Vertical displacement picture of reinforced bunker

3)邊坡加固后應(yīng)力集中帶消除，位移滿足使用要求，加固前的滑面也已不存在，該支護(hù)方案非常適合該邊坡。

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