基于極限平衡法的露天邊坡平面分析

賀 超，鄒 平，王飛飛，劉正宇，孟中華

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基于極限平衡法的露天邊坡平面分析

賀 超1, 3，鄒 平2, 3，王飛飛2，劉正宇2，孟中華2

(1.萬寶礦產(chǎn)有限公司，北京 100053；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；3.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

依托剛果金卡莫亞銅鈷礦區(qū)南II露天采場邊坡為具體工程實例，運用極限平衡計算方法，研究了該露天采場邊坡的穩(wěn)定性，研究結果表明：在計算方案I～III與IV～VI條件下，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)出依次降低的變化規(guī)律；A區(qū)與C區(qū)臺階高度為24 m的情況下，坡面角分別為60°～70°與60°～65°時，6種計算方案下邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會發(fā)生平面破壞；6種計算方案下邊坡的安全系數(shù)整體呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，自重(有張裂縫)+地下水+爆破振動力狀況對邊坡穩(wěn)定性影響最大，且張裂縫因素起主導作用。研究結果可以為類似工程提供參考。

邊坡工程；邊坡穩(wěn)定性；極限平衡；安全系數(shù)

0 引 言

巖質邊坡中平面與楔體滑坡是一種十分常見的破壞模式，它既可以小規(guī)模發(fā)生，也可達到很大的規(guī)模。典型巖質邊坡的平面破壞通常是指滑體沿邊坡傾向大致相近的單一滑面滑移。滑面可以是巖體內(nèi)發(fā)育的構造結構面，如巖層層面、層間軟弱面、斷層和結構面等[1]。

邊坡發(fā)生平面破壞的基本幾何條件為[2?5]：

(1) 滑動面的走向必須與坡面平行或接近一致，傾向與坡面基本一致；

(2) 破壞面必須在坡面出露，即破壞面傾角必須小于坡面的傾角；

(3) 破壞面的傾角必須大于該面的摩擦角；

(4) 巖體中必須存在對于滑動僅有很小阻力的解離面，它規(guī)定了滑動的側面邊界。另一種可能的情況是，破壞在穿過邊坡凸出“鼻部”的平面上發(fā)生。

露天邊坡穩(wěn)定性受巖性條件、巖體結構、水文地質條件、邊坡形態(tài)、地震和爆破等多種因素控制，它們構成一個相互聯(lián)系、相互影響的整體，其中任何一個因素的改變往往會導致其它因素發(fā)生改變，并引起邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)發(fā)生改變[6?7]。

1 南Ⅱ露采邊坡工程概況

根據(jù)卡莫亞銅鈷礦區(qū)南II露天采場實際情況，結合南II露采邊坡工程地質分區(qū)主要依據(jù)“邊坡所處位置、邊坡高度、巖體優(yōu)勢結構面產(chǎn)狀及與邊坡的組合關系”3大要素，將南II露天境界分為4個工程地質區(qū)：A、B、C、D區(qū)，即北、東、南、西4個區(qū)。各分區(qū)的邊坡概況如表1所示。

表1 各工程地質分區(qū)的邊坡概況

從表1可知，A區(qū)露采邊坡垂直高度較高，約為248 m。D區(qū)露采邊坡垂直高度較低，邊坡高度204 m。

卡莫亞銅鈷礦區(qū)南II露采邊坡A區(qū)內(nèi)白云巖巖組第一組優(yōu)勢結構面、C區(qū)內(nèi)白云巖巖組第三組優(yōu)勢結構面可能在臺階局部產(chǎn)生平面破壞；A區(qū)內(nèi)白云巖巖組第一、第二組優(yōu)勢結構面組合、C區(qū)內(nèi)白云巖巖組第二、第三組優(yōu)勢結構面組合可能產(chǎn)生楔體破壞。

從現(xiàn)場工程地質踏勘情況來判斷，A、C區(qū)局部臺階上主要以兩組優(yōu)勢結構面的組合破壞為主，也就是楔體破壞，即上述白云巖巖組的兩組優(yōu)勢結構面組合形成的楔體破壞。臺階局部形成的平面破壞，主要發(fā)生在坡面凸出部位或可能形成楔體破壞的兩組優(yōu)勢結構面組合中一組優(yōu)勢結構面已被剝離的部位。

2 平面破壞分析

2.1 分析原理

以安全系數(shù)為指標進行邊坡平面破壞的定量分析，安全系數(shù)的計算采用極限平衡的原理，分兩種情況進行計算：坡頂或坡面是否存在張裂縫。計算模型如圖1所示。

(1) 無張裂縫時，安全系數(shù)計算公式為：

(1)

(4)

(1) 有張裂縫時，安全系數(shù)計算公式為：

式中，為安全系數(shù)；為邊坡高度；為邊坡角度；為破壞面傾角；為水平地震加速度；為巖體容重；為水的容重；為破壞面以上巖石楔形體的重量；為楔形體的底面積；為破壞面上由水壓力引起的浮托力；為水在拉裂縫中引起的水平力；為沿滑動面的粘結力；為滑動面的內(nèi)摩擦角；為錨固系統(tǒng)施加的作用力；為錨桿的傾角。

2.2 計算分析方案

對南II露采邊坡結構面進行如下6種受力情況的分析：

I：自重(無張裂隙)+地下水狀況；

II：自重(無張裂隙)+地下水+爆破振動力狀況；

III：自重(無張裂隙)+地下水+地震力狀況；

IV：自重(有張裂隙)+地下水狀況；

V：自重(有張裂隙)+地下水+爆破振動力狀況；

VI：自重(有張裂隙)+地下水+地震力狀況。

根據(jù)以上6種工況，計算分析時白云巖巖組結構面參數(shù)采用飽水狀態(tài)的數(shù)據(jù)。

2.3 結構面參數(shù)選取

根據(jù)規(guī)范中巖體結構面抗剪斷峰值強度建議[8?9]，綜合選取邊坡結構面參數(shù)如表2所示。

表2 結構面參數(shù)

3 計算結果分析

本次平面破壞分析主要考慮單個臺階和兩個臺階并段2種情況，且單個臺階坡面角與兩個臺階并段后的坡面角相同均為70°，臺階寬16 m，并考慮到坡頂有張裂縫存在。典型的平面破壞分析計算結果如表3與表4所示。

表3 A區(qū)邊坡臺階平面破壞分析結果

從表3可知，在同一種坡面角和同一種臺階高度條件下，計算方案I～V的安全系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。計算方案I的安全系數(shù)最大為2.661，計算方案V的安全系數(shù)最小為1.902。由此可知自重(有張裂隙)+地下水+爆破振動力狀況對邊坡穩(wěn)定性影響最大，因此要加強邊坡排水功能，采取措施預防邊坡有張裂縫，同時減弱爆破動力對邊坡穩(wěn)定性的影響。

表4 C區(qū)邊坡臺階平面破壞分析結果

在同一種坡面角和同一種計算方案條件下，I～III計算方案下，不同臺階高度邊坡安全系數(shù)一致，臺階高度對邊坡安全系數(shù)沒有影響。在IV～VI計算方案下，不同臺階高度邊坡安全系數(shù)不一致，臺階高度對邊坡安全系數(shù)有影響。在IV～VI計算方案中，主要影響邊坡安全系數(shù)的因素是張裂縫，由此可知張裂縫對邊坡穩(wěn)定性有較大的影響。

在同一種計算方案和同一種臺階高度，I～III計算方案下，不同臺階高度邊坡安全系數(shù)一致，說明坡面角對邊坡安全系數(shù)影響較小。在IV～VI計算方案下，不同臺階高度邊坡安全系數(shù)不一致，邊坡角對邊坡安全系數(shù)有影響。在IV～VI計算方案中，主要影響邊坡安全系數(shù)的因素是張裂縫，由此可知張裂縫對邊坡穩(wěn)定性有較大的影響。

A區(qū)臺階高度為12 m的情況下，坡面角60°～75°時，6種受力情況邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會發(fā)生平面破壞；A區(qū)臺階高度為24 m的情況下，坡面角60°～70°時，6種受力情況邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會發(fā)生平面破壞；坡面角75°時，邊坡的安全系數(shù)小于許用安全系數(shù)且大于1，邊坡臺階處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

C區(qū)臺階高度為12 m的情況下，坡面角60°～75°時，6種受力情況邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會發(fā)生平面破壞；C區(qū)臺階高度為24 m的情況下，坡面角60°～65°時，六種受力情況邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會發(fā)生平面破壞；坡面角70°～75°時，邊坡的安全系數(shù)小于1，邊坡臺階將發(fā)生平面破壞。

表4計算結果與表3計算結果呈現(xiàn)出的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律相似。

3 結 論

依托剛果金卡莫亞銅鈷礦區(qū)南II露天采場邊坡為具體工程實例，運用極限平衡計算方法，分析了該露天采場邊坡的穩(wěn)定性，得到以下幾點結論：

(1) 在計算方案I～III與IV～VI條件下，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)出依次降低的變化規(guī)律。

(2)A區(qū)與C區(qū)臺階高度為24 m的情況下，坡面角分別為60°～70°與60°～65°時，6種計算方案下邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會發(fā)生平面破壞。

(3) 6種計算方案下邊坡的安全系數(shù)整體呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，自重(有張裂縫)+地下水+爆破振動力狀況對邊坡穩(wěn)定性影響最大，且張裂縫因素起到主導作用。

[1] 長沙礦山研究院有限責任公司,萬寶礦產(chǎn)有限公司.剛果(金)卡莫亞銅鈷礦區(qū)南II露天采場邊坡優(yōu)化研究[R].長沙:長沙礦山研究院有限責任公司,2018.

[2] 孫玉科,牟會寵,姚寶魁.邊坡巖體穩(wěn)定性分析[M].北京:科學出版社,1988.

[3] 王紅梅.巖質高邊坡穩(wěn)定性分析評價研究[D].西安:煤炭科學研究總院西安分院,2004.

[4] 張國祥,劉寶琛.潛在滑移面理論及其在邊坡分析中的應用[M]. 長沙:中南大學出版社,2003.

[5] 祝玉學.邊坡可靠性分析[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1993.

[6] 孟中華,郝立輝,鄒 平,等.七寶山金礦排土場穩(wěn)定性分析[J]. 采礦技術,2018,18(04):43?46.

[7] 肖 猛,蘇吉平,王 磊.多種支護形式滑坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[J].采礦技術,2018,18(03):33?35.

[8] GB50287-2016.水利水電工程地質勘察規(guī)范[S].

[9] GB 50218-2014.工程巖體分級標準[S].

賀 超(1983—)，男，甘肅嘉峪關人，工程師，在讀碩士，主要從事采礦與資源估算方面的研究，Email：51268725@ qq.com。

(2018?10?27)