某礦山邊坡單臺階三角體破壞分析

趙武鹍

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

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某礦山邊坡單臺階三角體破壞分析

趙武鹍1,2,3

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

摘要邊坡巖體內存在著大量的軟弱結構面，該類結構面往往演變為邊坡滑坡的滑動面。以某礦山邊坡臺階平面破壞為研究對象，應用能量系數、極限平衡理論、突變理論對該礦臺階邊坡三角體的3種破壞狀態進行了分析研究。結果表明：①對軟弱帶貫通的臺階邊坡，將其視為剛塑性體更切合實際；②對軟弱帶不貫通的臺階邊坡，其失穩防治的關鍵在于提高剛度比。

關鍵詞臺階三角體能量系數極限平衡突變理論剛度比

礦山邊坡是由復雜的地質巖體組成，其內往往存在與邊坡尺寸數量級相當的軟弱結構面，該類結構面的性狀、空間分布特征及相互組合特征，往往控制著臺階邊坡的穩定性，尤其在水、爆破振動的作用下易發展為邊坡滑坡的滑動面。順坡向結構面是產生臺階邊坡破壞的主要因素，其傾角若小于邊坡角，易產生平面滑動破壞，陡傾角易產生單臺階傾倒破壞，多組結構面相交易形成楔形破壞。對于臺階邊坡破壞，費先科等[1]考慮了巖體中軟弱夾層對滑動面的控制作用，提出了計算分析方法；谷飛宏[2]分析了巖質邊坡的幾何特征，總結出臺階寬度是邊坡破壞規模的決定性因素，而最大寬度的坡腳則為最大的制約點，制約點決定破壞的邊界條件；曹興松等[3]在塑性極限分析的基礎上，將能量系數作為臺階邊坡穩定性的評價標準，并給出了計算公式；秦四清[4]對含軟弱夾層的斜坡失穩進行了探討，并建立了突變模型與混沌機制。對單臺階而言，破壞分為3種狀態：①臺階受貫通性層面切割，形成的三角體完整性良好；②臺階受貫通層面切割后，由于受到其他節理裂隙影響，臺階坡腳出現直立面；③臺階受到非貫通性層面切割，使臺階受力體系呈現復雜狀態，構成了非線性突變失穩現象。本研究根據某礦結構面特征及臺階結構參數，判斷臺階破壞形式，分別應用極限平衡、上限定理、突變理論對臺階不同模式的平面破壞進行計算分析，并提出防護建議。

1邊坡臺階三角體變形破壞力學分析

1.1貫通性層面切割的臺階三角體穩定性分析

本研究將邊坡巖體設為剛塑性體，運用上限定理，以能量系數作為臺階邊坡穩定性的評價標準進行分析，貫通性層面切割的臺階三角體的計算模型如圖1所示。

圖1　貫通性層面切割的臺階三角體分析模型

極限狀態下滑體的內能耗散率Ds與實際作用的外力功率W的比值為能量系數，其計算公式為

(1)

式中,c為滑帶的黏聚力，MPa；φ為滑面滑動方向與滑面的夾角，(°)；G為滑體重量，kN；β為滑面傾角，(°)；H為臺階高度，m；α為臺階坡面角，(°)。

當Es>1時，邊坡處于穩定狀態；Es<1，邊坡失穩；Es=1，邊坡處于臨界狀態。

1.2受層面切割并破壞坡腳的臺階三角體穩定性分析

設臺階坡腳受破壞超挖深度為h，邊坡高度為H，坡頂面為水平狀，因層面為貫通狀，可不考慮地下水作用，假定軟弱夾層以最不利的方式存在，即穿過開挖后坡腳，破壞模型如圖2所示。

圖2　受層面切割并破壞坡腳的臺階三角分析模型

安全系數計算公式為

(2)

式中，γ為巖體容重，kN/m3；h為超挖臺階坡腳垂高，m。

1.3非貫通性層面切割的臺階三角體穩定性分析

非貫通性層面切割的臺階三角體分析模型見圖3，滑動面為非均勻軟弱結構面。假定軟弱夾層由2段不同力學性質的介質組成，一段具有應變弱化性質，一段具有彈性[4]。

圖3　非貫通性層面切割的臺階三角體分析模型

當斜坡演化至臨界狀態時，穩定性系數計算公式為

(3)

式中，k為剛度比，為彈性性質區段介質的剛度與應變弱化區段剛度之比。

2工程應用

某礦露天采場下盤邊坡長16km，存在1組追蹤礦體傾向的層面，產狀均值198°26′ ∠28°35′，該層面切割所有臺階，另外，下盤邊坡的節理較發育，節理在小范圍內將巖體切割成巖塊，2組優勢節理面(產狀分別為0°～20°∠50°～70°，130°～150°∠80°～90°)的存在破壞了巖體的完整性，使得臺階失穩以平面破壞為主。已知：H=15m，γ=26.3kN/m3，β=28°35′，φ=24°，c=25.6kPa，h、α根據生產情況確定。

2.1貫通性層面切割的臺階三角體穩定性計算

據式(1)、式(2)，可計算出不同的臺階坡面角α對應的Es、Fs，結果見表1。由表1可繪制出α-Es、Fs關系曲線，見圖4。

表1　不同臺階坡面角對應的臺階能量系數及安全系數

圖4　α-Es、Fs關系曲線

由表1及圖4可知：當臺階坡面角為80°、75°時，能量系數評價為臺階邊坡不安全，極限平衡法為安全。在實際工程中，為了一定的安全儲備，極限平衡法允許的安全系數為1.15，即可與能量系數法對應。極限平衡法評價的安全系數對臺階坡面角較不敏感，能量系數評價的安全系數則較敏感，更符合現場實際情況。

2.2受層面切割并破壞坡腳的臺階三角體穩定性

據式(2)，可計算多種情況下邊坡臺階穩定系數，結果見表2。由表2可繪制出(α、h)-Fs關系曲線，見圖5。

表2　與臺階坡面角及臺階破壞高度對應的臺階安全系數

圖5　(α、h)-Fs關系曲線

由圖5可知：當h一定時，Fs與α有關，α越大，臺階穩定狀況越差；當臺階坡面角一定的前提下，隨著h的增大，臺階穩定系數下降。

2.3非貫通性層面切割的臺階三角體穩定性分析

據式(3)計算出的臺階穩定系數見表3。由表3可知：隨著k由小至大變化，Fk經歷了由小至大的變化過程，可見，通過改變軟弱夾層介質性質或彈性區段性質，可使得臺階不發生滑坡。

表3　臺階穩定系數計算結果

3結論

(1)與極限平衡法對比，對于含軟弱帶臺階邊坡，以能量系數作為衡量邊坡穩定的指標更切合實際。

(2)超挖臺階坡腳垂高及臺階坡面角越大，臺階邊坡穩定性狀態越差。臺階坡腳破壞區域應考慮支擋加固工程措施，采取合適的臺階坡面角，防止臺階大規模跨落。

(3)防止非均勻結構弱面切割臺階失穩的關鍵在于提高剛度比，即采取錨固、灌漿等工程措施，可改變潛在滑面的受力狀態。

參考文獻

[1]CHENZY,MorgensternNR.Extensionstothegeneralizedmethodofslicesforstabilityanalysis[J].JournalofCanadianGeotechnical,1983,20(1):104-119.

[2]谷飛宏.基于邊坡特征的礦山臺階邊坡破壞類型及規模分析[J].金屬礦山，2014(7)：51-55.

[3]曹興松，趙其華，周德培，等.機動位移法在順層巖質邊坡穩定性分析中的應用[J].山地學報，2009，23(2)：223-229.

[4]秦四清.斜坡失穩的突變模型與混沌機制[J].巖石力學與工程學報，2000，19(4)：486-492.

(收稿日期2016-04-11)

趙武鹍(1987—)，男，工程師，243000 安徽省馬鞍山市經濟技術開發區西塘路666號。