降雨及爆破振動(dòng)條件下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究

趙奎， 余樂興， 邵海， 何文， 吳冰， 程三建

(1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000;2.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京100081; 3.廈門紫金工程設(shè)計(jì)有限公司，福建 廈門 361000;)

降雨及爆破振動(dòng)條件下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究

趙奎1， 余樂興1， 邵海2， 何文1， 吳冰3， 程三建1

(1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000;2.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京100081; 3.廈門紫金工程設(shè)計(jì)有限公司，福建 廈門 361000;)

文章采用Geostudio軟件中的Quake/w模塊和Slope/w模塊對(duì)邊坡進(jìn)行了爆破穩(wěn)定性研究，在Quake/w模塊中加入了爆破振動(dòng)速度時(shí)程曲線和降雨后實(shí)測(cè)的邊坡水位線作為數(shù)值計(jì)算的兩種邊界條件，并將動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果導(dǎo)入Slope/w模塊中，應(yīng)用有限元極限平衡法計(jì)算爆破振動(dòng)時(shí)邊坡的安全系數(shù)，以此分析考慮水時(shí)邊坡在爆破振動(dòng)影響下的穩(wěn)定性.同時(shí)，為研究水位線對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，分別將有水位線、無水位線及自重應(yīng)力場(chǎng)下三者的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析.研究表明，與純自重應(yīng)力場(chǎng)作用下的邊坡穩(wěn)定性相比，爆破振動(dòng)下的安全系數(shù)降低了6.88%，爆破振動(dòng)與地下水聯(lián)合作用下的安全系數(shù)降低了24%，地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性有非常明顯的影響.

爆破振動(dòng);地下水;降雨;邊坡穩(wěn)定性

0 前 言

邊坡穩(wěn)定性問題的研究是露天礦的重要課題之一.自1927年美國(guó)人Rockwell首次發(fā)表有關(guān)爆破振動(dòng)響應(yīng)的文章以來[1]，眾多學(xué)者在爆破振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響研究方面做了大量工作，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及多學(xué)科之間的交叉，數(shù)值模擬等越來越多的手段運(yùn)用到此項(xiàng)研究中來.潘東[2]引入降振技術(shù)，通過LS—DYNA有限元分析程序，結(jié)合福建某礦山的工程實(shí)際對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了邊坡受中深孔爆破影響后的穩(wěn)定性狀況.胡志強(qiáng)等[3]以歪頭山鐵礦為研究對(duì)象，對(duì)該礦爆破產(chǎn)生的地震波的傳播過程以及地震波的衰減規(guī)律進(jìn)行研究，分析了爆破振動(dòng)對(duì)邊坡的影響大小，提出了減震爆破措施，起到了有效保護(hù)邊坡的作用.王建國(guó)等[4]利用FLAC3D軟件將現(xiàn)場(chǎng)所實(shí)測(cè)的爆破數(shù)據(jù)在麗江阿海電站左岸高陡邊坡三維模型的底部輸入，分析了邊坡體內(nèi)部速度、位移以及應(yīng)力等變量的分布規(guī)律，從而對(duì)該邊坡在爆破載荷作用下的穩(wěn)定進(jìn)行判斷.郭魯川等[5]以鄂爾多斯豐勝奎露天煤礦邊坡作為研究對(duì)象，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論，分析了影響爆破振動(dòng)的各因素，從中選出影響爆破振速的最優(yōu)因素，通過研究藥量、距離、孔數(shù)與爆破振動(dòng)之間的關(guān)系，指導(dǎo)實(shí)際安全生產(chǎn)，提高邊坡穩(wěn)定性.陳建平等[6]運(yùn)用強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定性.對(duì)于巖質(zhì)邊坡而言，其穩(wěn)定性受多種因素相互影響，從單一角度對(duì)其進(jìn)行分析往往得到的結(jié)果是片面的.通過分析以上研究現(xiàn)狀得知:在傳統(tǒng)的邊坡爆破振動(dòng)分析中，大多并未考慮地下水對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響.由于巖體賦存條件復(fù)雜，而地下水是地質(zhì)體賦存重要條件之一，它對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)影響較大[7-11].在降雨過程中，由于雨水的物理化學(xué)作用和力學(xué)作用將削弱巖體的強(qiáng)度，因此分析邊坡在降雨時(shí)的穩(wěn)定性是非常必要的.在以往巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性問題的研究中，分析爆破振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響時(shí)往往忽略了地下水的作用.通過此次的研究，為邊坡在地下水和爆破振動(dòng)聯(lián)合影響下的穩(wěn)定性分析提供思路，具有重要的理論價(jià)值，并為相關(guān)問題的解決提供一定科學(xué)依據(jù)和借鑒.

以銀山鉛鋅礦露采坑?xùn)|北邊坡為研究背景，現(xiàn)北東邊坡180 m標(biāo)高以上已靠幫，露天采場(chǎng)最終境界邊坡最高達(dá)到420 m，邊坡屬超高邊坡.邊坡巖體工程地質(zhì)特性復(fù)雜，邊坡在擴(kuò)幫過程中特別是在北東邊坡局部已發(fā)生了滑坡、崩落、塌陷等較為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，研究其降雨條件下爆破振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響意義重大.

1 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)概況

1.1 工程地質(zhì)

巖石是構(gòu)成巖質(zhì)邊坡的主要結(jié)構(gòu)，其巖性、物理力學(xué)性質(zhì)將直接影響巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性.對(duì)東北邊坡進(jìn)行鉆探取樣，鉆探中發(fā)現(xiàn)主要巖性為千枚巖，巖芯總采取率為96.71%，總RQD值為90.67%，依次可見地表土、灰白色絹云母化千枚巖、灰黑色絹云母化千枚巖、灰黃色絹云母化千枚巖、灰白色絹云母化千枚巖、灰黑色絹云母化千枚巖、灰黃色絹云母化千枚巖、灰白色絹云母化千枚巖.同時(shí)部分區(qū)域還夾雜著英安斑巖、石英斑巖等.各類巖石的力學(xué)參數(shù)，見表1.

表1 各類型巖石的力學(xué)參數(shù)

1.2 水文地質(zhì)

礦區(qū)氣候?qū)賮啛釒駶?rùn)性氣候區(qū)，四季更替分明，因受海洋性氣候影響，春夏多雨，秋冬干燥，據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，年平均降雨量2185.4 mm，蒸發(fā)量為1198.95 mm，最大年降雨量2870.4 mm，晝夜最大降雨量達(dá)311.7 mm，雨季集中于春季和夏初，全年降雨天數(shù)150～192天，平均為171天.礦區(qū)內(nèi)無水庫(kù)、湖泊等較大地表水體，僅有一條自北東向南西流淌的銀山小河，河谷寬50～100 m，河床寬2～6 m.

根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)情況分析，礦區(qū)水文地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單.礦區(qū)為一個(gè)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，由較為堅(jiān)硬的巖石組成，巖石幾乎不含水，相對(duì)隔水層賦存在沒有受斷裂影響的地段;基巖風(fēng)化帶與構(gòu)造裂隙含水帶單位涌水量較小，屬弱富水性含水層;第四系孔隙含水層分布不連續(xù)，沒有形成整層的規(guī)模，也屬于弱富水性含水層.通過分析礦區(qū)水文地質(zhì)情況可知大氣降水是本文所研究的北東邊坡地下水的主要補(bǔ)給途徑.

2 模型設(shè)計(jì)及參數(shù)選取

2.1 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)銀山礦巖性分布三維立體圖，在最高的北東邊坡上截取一個(gè)剖面，模型邊界范圍的大小對(duì)有限元計(jì)算精度的影響較大，根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)坡腳到左端邊界的距離設(shè)為邊坡高度的1.5倍，坡頂?shù)接叶诉吔绲木嚯x設(shè)為邊坡高度的2.5倍，且上下邊界的總高不低于2倍的坡高時(shí)，能夠得到較為理想的計(jì)算精度，故根據(jù)此建立邊坡剖面，如圖1.

圖1 45°邊坡剖面模型尺寸示意圖/m

模型根據(jù)銀山北東邊坡為研究對(duì)象進(jìn)行建立，實(shí)際邊坡最終邊坡角為45°，采用平面應(yīng)變?nèi)?jié)點(diǎn)及四節(jié)點(diǎn)單元對(duì)模型離散，邊坡剖面模型得到3788個(gè)節(jié)點(diǎn)(Nodes)、3779個(gè)單元(Elements)，如圖2.

圖2 東北邊坡45°剖面數(shù)值計(jì)算模型

2.2 參數(shù)選擇

爆破振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響屬于動(dòng)力學(xué)研究，數(shù)值分析仍以銀山北東邊坡作為研究主體，巖體力學(xué)參數(shù)選取見表1，假設(shè)巖體各向均質(zhì)同性.在動(dòng)力學(xué)的數(shù)值分析中，模型網(wǎng)格尺寸的選取和設(shè)置必須要能確保足夠精確的波傳播，Kuhlemeyer和Lysmer提出在數(shù)值計(jì)算時(shí)，由最高頻率所組成的輸入波波長(zhǎng)應(yīng)當(dāng)大于所用網(wǎng)格單元尺寸的8～10倍[12-13].本模型輸入的動(dòng)載荷主頻為30 Hz，參考相關(guān)文獻(xiàn)[14]，網(wǎng)格尺寸選為10 m.

在爆破工程中，所用藥量單耗及震源距離邊坡的位置的不同將對(duì)結(jié)果產(chǎn)生重要影響.通常計(jì)算爆破巖體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度v的經(jīng)驗(yàn)公式為:

式(1)中:Q是一次爆破的炸藥量，kg;R是測(cè)點(diǎn)與震源中心的距離，m;k是與巖體性質(zhì)、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù);α是爆破地震波衰減系數(shù).根據(jù)研究成果文獻(xiàn)[15]通過對(duì)銀山爆破振動(dòng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，并對(duì)公式(1)進(jìn)行了修正，修正過后的公式為:

采用動(dòng)力學(xué)Quake/W模塊進(jìn)行計(jì)算時(shí)主要考慮P波(方向垂直于邊坡剖面)和SV波(方向平行于邊坡剖面)的共同作用對(duì)邊坡的影響.通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，得到了計(jì)算邊坡剖面處的爆破速度時(shí)程曲線，見圖3.

圖3 邊坡剖面測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度時(shí)程曲線

圖4 測(cè)點(diǎn)與爆源的位置圖

此振動(dòng)波形通過BlastMateⅢ型測(cè)振儀于銀山礦露天開挖爆破時(shí)采集，測(cè)點(diǎn)與爆源的位置見圖4，單段最大藥量為8000 kg，爆源在96 m平臺(tái)，測(cè)點(diǎn)在122 m平臺(tái)，測(cè)點(diǎn)距離爆源水平距離145 m，高差26 m，直線距離147.2 m.

3 邊界設(shè)定

爆破動(dòng)載荷必須由于考慮了P波(方向垂直于邊坡剖面)和SV波(方向平行于邊坡剖面)共同作用對(duì)邊坡的影響，此次數(shù)值計(jì)算模型下邊和兩側(cè)采用粘滯邊界.同時(shí)，在邊坡面中加入爆破振動(dòng)速度時(shí)程曲線，在邊坡內(nèi)部增加邊坡實(shí)測(cè)水位線.其中降雨后的水位線通過實(shí)地測(cè)量獲取資料.

在計(jì)算模型整個(gè)邊坡面施加爆破振動(dòng)測(cè)得的速度時(shí)程曲線時(shí)，由于該邊坡屬超高邊坡，距離對(duì)振速的影響較大，因此，考慮將邊坡面分成8段(見圖5)，根據(jù)分別計(jì)算各段的振速作為爆破振動(dòng)邊界條件，以減小邊界條件帶來的誤差.

圖5 邊界條件載入分段示意圖

根據(jù)修正的薩道夫斯基公式(2)，以及分段中點(diǎn)距爆源的直線距離，可計(jì)算得到每一段的合成速度值，見表2.并可得到相對(duì)測(cè)點(diǎn)合成速度的比值，再將各比值乘以測(cè)點(diǎn)的波速，最終可得到各分段的振動(dòng)速度時(shí)程曲線，此時(shí)得出的8段速度時(shí)程曲線便可分段加載到邊坡面以模擬爆破振動(dòng)邊界條件.

表2 各分段最大振速與測(cè)點(diǎn)最大振速比值

將降雨后實(shí)測(cè)的水位線與各分段的振動(dòng)速度時(shí)程曲線兩類邊界條件加入邊坡模型，確定了邊坡剖面計(jì)算模型，見圖6.

圖6 加入實(shí)測(cè)水位線時(shí)的計(jì)算模型

此次計(jì)算，根據(jù)不同條件，需要計(jì)算三種工況下邊坡穩(wěn)定性，如表3.

表3 工況分類

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 工況一

當(dāng)Quake/w動(dòng)力學(xué)模塊完成邊坡振動(dòng)計(jì)算后，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Geostudio軟件的Slope/w模塊，采用Newmark Deformation方法計(jì)算出邊坡在爆破振動(dòng)作用下的永久位移，用有限元極限平衡法計(jì)算爆破振動(dòng)時(shí)的安全系數(shù)，以此分析邊坡穩(wěn)定性情況，結(jié)果見圖7～圖12.

圖7 剪應(yīng)力云圖/kPa

圖8 坡腳歷史點(diǎn)剪應(yīng)力隨時(shí)間的變化

由圖7～圖8可知，在爆破振動(dòng)的影響下，坡腳處剪應(yīng)力總體隨時(shí)間逐漸增大，并從坡頂至坡腳，剪應(yīng)力逐漸增大，有從坡腳剪出的趨勢(shì).

圖9 位移云圖/m

圖10 爆破振動(dòng)1.5 s時(shí)邊坡標(biāo)高與節(jié)點(diǎn)位移圖

由圖9～圖10可知，距離爆源最近的中部位移量相對(duì)較大，位移最大處達(dá)34.8 mm，坡腳處位移量為3.2 mm.

圖11 邊坡潛在滑移面云圖

圖12 邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間的變化

由圖11～圖12可知，在考慮地下水和爆破振動(dòng)聯(lián)合影響下，由爆破引起邊坡振動(dòng)的過程中，邊坡的安全系數(shù)的最小值為1.024，根據(jù)《滑坡防治工程勘察規(guī)范》(DZ/T 0218-2006)，計(jì)算所得的安全系數(shù)低于1.05的基本穩(wěn)定值，因此考慮水時(shí)邊坡在爆破振動(dòng)過程中是欠穩(wěn)定的.

4.2 工況二

在爆破邊界不變，不加水位線的條件下，計(jì)算模型見圖13.

圖13 加邊界條件后的計(jì)算模型

由計(jì)算結(jié)果可知，未添加水位線時(shí)，爆破引起邊坡振動(dòng)的過程中，邊坡的安全系數(shù)的最小值為1.257.

4.3 工況三

在此邊界條件下，只考慮自重應(yīng)力，見圖14，先通過Geostudio軟件中的Quake/w模塊，選擇I nitial Static方法進(jìn)行自重應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算，然后將結(jié)果帶入Slope/w模塊，進(jìn)行邊坡安全系數(shù)的計(jì)算.

由計(jì)算結(jié)果可知，自重應(yīng)力場(chǎng)下計(jì)算得到的邊坡安全系數(shù)為1.350.

根據(jù)本章對(duì)不同邊界條件下的邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析，得到相應(yīng)邊界條件下的邊坡最小安全系數(shù)，見表4.

表4 不同邊界條件下的邊坡最小安全系數(shù)

通過表4可知，當(dāng)只考慮自重應(yīng)力的情況邊坡最小安全系數(shù)為1.350，考慮自重應(yīng)力與爆破振動(dòng)時(shí)邊坡最小安全系數(shù)為1.257，考慮自重應(yīng)力、爆破振動(dòng)和水位的情況邊坡最小安全系數(shù)減小到1.024.通過有無水位線時(shí)爆破振動(dòng)下的邊坡最小安全系數(shù)與只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)時(shí)的最小安全系數(shù)對(duì)比可知，爆破振動(dòng)使邊坡的安全系數(shù)降低了6.88%，爆破振動(dòng)與地下水的聯(lián)合作用使邊坡的安全系數(shù)降低了24%.

5 結(jié) 論

在爆破振動(dòng)測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)水位監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Geostudio巖土軟件進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算，以爆破振動(dòng)的P波 (方向垂直于邊坡剖面)和SV波(方向平行于邊坡剖面)作為邊界條件施加在二維邊坡剖面上，同時(shí)在模型中添加了實(shí)測(cè)水位線，研究了考慮地下水時(shí)邊坡在爆破振動(dòng)影響下的穩(wěn)定性.通過研究主要得到如下結(jié)論.

1)由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，考慮地下水和爆破振動(dòng)聯(lián)合作用的邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間呈波動(dòng)變化，邊坡最小安全系數(shù)為1.024，此時(shí)邊坡為欠穩(wěn)定狀態(tài).坡腳的剪應(yīng)力隨爆破振動(dòng)時(shí)間逐漸增大，坡體有從坡腳剪出的潛在可能.

2)分析對(duì)比了不同邊界條件下的邊坡最小安全系數(shù)，當(dāng)只考慮自重應(yīng)時(shí)邊坡最小安全系數(shù)為1.350，考慮自重應(yīng)力與爆破振動(dòng)時(shí)邊坡最小安全系數(shù)為1.257，考慮自重應(yīng)力、爆破振動(dòng)和水位的時(shí)邊坡最小安全系數(shù)減小到1.024.

3)與自重應(yīng)力場(chǎng)所得安全系數(shù)相比，爆破振動(dòng)使邊坡的安全系數(shù)降低了6.88%，爆破振動(dòng)與地下水的聯(lián)合作用使邊坡的安全系數(shù)降低了24%.因此在分析爆破振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響時(shí)，地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響重大.

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Research on rock slope stability in the condition of rainfall or blasting vibration

ZHAO Kui1，YU Lexing1，SHAO Hai2，HE Wen1，WU Bing2，CHENG Sanjian1
(1.School of Resource and Environment Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China;2.China Institue of
Geological Enviromental Monitoring，Beijing 10081，China;3.Xiamen Zijin Engineering Design Co.Ltd，Xiamen 361000，China)

This paper studies the influence of blasting vibration on the slope stability by using Quake/w module and Slope/w module of Geostudio software，as two kinds of boundary conditions for numerical calculation.The velocity time history curve of blasting vibration and slope water line measured after rainfall are added to the Quake/w module，and results of dynamic response are imported into the Quake/w module，with the limit equilibrium method used to compute the safety factor of slope blasting vibration.Then，the stability of the slope containing water is analyzed in the influence of blasting vibration.Meanwhile，in order to study the effect of water level on results，the three results that contain water line or not and under self-weight stress field are compared and analyzed.Research shows that compared with the safety factor of slope stability under pure gravity stress field，it reduced by 6.88%under the blasting vibration，and 24%under the joint action of blasting vibration and groundwater.Thus groundwater had obvious influence on the slope stability.

blasting vibration;groundwater;rainfall;slope stability

2095-3046(2015)01-0043-06

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.01.008

O 382+.2

A

2014-09-09

江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(20141BBG70097);江西理工大學(xué)研究生創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目(YC2013-X02)

趙奎(1969- )，男，博士，教授，主要從事巖土工程等方面的研究，E-mail:Yglmf_zk@163.com.