基于水影響作用下的露天煤礦邊坡穩定性研究

吳榕真，舒應秋，李志強，關云澤

（華能伊敏煤電有限責任公司 伊敏露天礦，內蒙古 呼倫貝爾 021134）

在露天礦山治理工程中，邊坡的治理問題占有重要的地位，沉積地層的特點使得含有弱層的邊坡成了礦山建設中的棘手問題[1-3]。泥巖弱層的力學性質通常較差，強度較小，對邊坡的上部巖土體穩定性有著嚴重的影響[4]。同時在降雨條件下，隨著雨水入滲，坡內土體含水率增加，孔隙水壓力上升，基質吸力減小，膠結物質受到侵蝕，抗剪強度進一步降低，甚至有可能在邊坡內形成更加軟弱的弱層，進一步降低邊坡的穩定性，易產生失穩現象[5-6]。

邊坡穩定性極易受到外界氣候的影響，尤其是大氣降雨，導致大量邊坡滑坡失穩事故都發生在降雨天氣[7-8]。目前有關水對邊坡穩定性影響的研究基本都集中在水壓力作用上，因為水壓力能夠使原本發育不完全的裂隙發生持續的受壓張裂，加劇巖體的不完整性，可見水壓力對邊坡穩定性有著不可忽視的影響。王述紅等[9]研究了淺層強透水的雙層土質邊坡降雨滲流特征，通過實驗室實驗的方法對2 種類型的土進行了建模分析，根據土體內的基質吸力情況研究了飽和與不飽和區域的影響。在關于降雨影響露天礦邊坡穩定性的問題上也有了很多相關研究，胡靜云[10]針對某螢石露天礦受到強降雨停產這一問題，采取了臨滑體表面位移監測、滑裂面工勘、強風化巖室內物理力學參數試驗、應急剝離臨時境界設計與剝離施工等應急治理措施。

然而目前在研究水對邊坡穩定性的影響問題時，基本都是集中在研究孔隙水壓力的影響上，對巖體遇水軟化這一問題的考慮并不夠充分，未能將孔隙水壓力的影響與巖體遇水軟化相結合，并在邊坡穩定性研究中進行分析。水對泥巖的弱化作用是十分明顯的，泥巖內含水量的增加加劇了泥化程度，而且開采活動造成的卸荷效果也會給泥巖的蠕滑變形帶來促進作用。如張彧等[11]通過實驗推導出了鹽漬土的含水量和抗剪強度變化關系函數，建立了簡化的路基含水量-強度參數等值分層計算模型，利用GeoStudio 中SLOPE/W 模塊對鹽漬土邊坡穩定性進行了分析，該研究僅為巖體遇水后的強度變化對穩定性影響，而未結合孔隙水壓力進行研究。

結合上述研究發現，目前大多數針對邊坡水體對穩定性影響的研究中，均未能實現對孔隙水壓力作用和軟巖遇水后強度弱化的全面綜合研究。在FLAC3D軟件中，可以通過對巖體賦值來進行邊坡穩定性的分析，同時也能實現孔隙水壓力的耦合分析，并模擬出邊坡的宏觀變形及失穩模式[12-13]。

1 基于極限平衡理論的穩定性計算方法

1.1 含水邊坡滑移理論模型

在露天煤礦的沉積巖巖層中，往往會存在著滲透性極差的泥巖弱層，潛在滑移面的下部一般都是出現在泥巖弱層與相對較硬下部巖層的接觸位置，同時，因為泥巖滲透性差的這一性質，使得降雨后形成的浸潤線位于泥巖弱層上方，從而對滑移條塊的底部產生弱化作用。含水邊坡滑移示意圖如圖1。

圖1 含水邊坡滑移示意圖

圖中：Wi為條塊的重力，kN；Ti、Ti+1為豎直面上的剪切反力，kN；Ei，Ei+1為豎直面上的水平反力，kN；αi為條塊底面中點處的傾角，（°）；li為條塊的底部弧長，m；Ui為底滑面上的平均壓強，kPa；Si、Ni為底滑面上的剪切及垂直反力，kN。

1.2 含水邊坡的穩定性計算方法

將圓弧滑面進行分條，邊坡的安全系數Fs計算公式為：

式中：c 為轉動滑面上的單位黏聚力，kPa；φ 為轉動滑面上的內摩擦角，（°）。

簡化Bishop 法中Ei-Ei+1=0，分析其受力狀態，由此可以得到每個條塊受力的平衡狀態為：

式中：Fsi為i 各條塊的安全系數。

令Ti-Ti+1=0，得到轉動滑移范圍的安全系數Fs的Bishop 簡化計算式：

由式（4）可見，滑面位置巖體的黏聚力和內摩擦角決定了安全系數的值，而飽水的極限理想黏土的內摩擦角為0，因此式（4）可簡化為：

由此可見水會對黏性土抗剪強度參數c、φ 產生極大的減弱作用[14]，且在式（4）中可以發現同時增加水壓力Ui，能夠明顯降低安全系數的值，從而影響邊坡穩定性。所以水對邊坡穩定性的影響是從降低巖體力學強度和增加水壓力2 個方面產生作用的。

3 東幫的FLAC3D 模擬分析

3.1 各巖層的性質及力學參數

1）地層的原巖力學參數。研究對象為伊敏露天礦東幫采掘結束后未排土時的最終邊幫狀態，邊坡所含巖層主要有雜黏土、泥巖、泥質粉砂、砂礫石、粉細砂、砂巖。東幫各巖層的力學參數見表1。

表1 東幫各巖層的力學參數

2）泥巖層遇水弱化后的強度。其中泥巖層作為邊坡體中的相對弱層，其強度參數受到水的影響也最大，飽水后的黏聚力c 衰減到59.28×104kPa，內摩擦角φ 衰減到15.69°。因此在進行對孔隙水壓力作用和軟巖遇水后強度弱化作用的綜合研究時，可作為重點研究對象加以分析。

3.2 FLAC3D 中復雜水體的流固耦合方法

1）流固耦合參數賦值流程。FLAC3D軟件需要先將實體模型進行網格劃分，再對劃分出來的每個單元體進行賦值、計算。基于此可以通過單元遍歷的方法將飽水單元體和無水單元體區分開來，對飽水單元體進行特定的參數賦值，增加對巖體遇水后強度弱化問題的考慮，來提高計算結果的真實度。將地層中的泥巖弱層作為研究對象，單獨研究其飽水狀態所帶來的強度變化對邊坡穩定性產生的影響，流固耦合參數賦值流程如圖2。

圖2 流固耦合參數賦值流程

2）FLAC3D流固耦合參數賦值實現方法。賦值過程進行了2 次條件判斷，分別是弱層分組與飽水狀態的判斷。當分組為弱層時，繼續下一步的孔隙水壓力判斷，進行飽和與干燥強度參數的賦值，實現了對飽水弱層巖土體的精準賦值。當分組為其他巖層時，則直接賦予相應的強度參數。飽和強度參數的賦值是通過自編fish 程序實現的，編程思路為：判斷弱層的單元體水壓力是否為0，將水壓力不為0 的單元體放入一個全新的分組內，最后對該分組進行重新賦值。

3.3 FLAC3D 建模及模擬計算

3.3.1 FLAC3D流固耦合模型

根據平盤的標高，邊坡整體上可以劃分為地表的674 m 水平及下部的662、650、638、626、614、602 m 水平共7 個水平。為了在FLAC3D中進行建模分析水體產生的孔隙水壓力作用和對軟巖的強度弱化作用，利用seep 模塊求解強降雨時的邊坡體內水位線分布情況，選取降雨強度為暴雨時的極限降水量80 mm/d。從seep 模塊水位線求解結果（圖略）中可以看出利用seep 模塊模擬出的水位線分布結果比較復雜，并非單一的1 條水位線，也正是因此使得利用FLAC3D軟件進行耦合分析時，僅通過代碼難以進行非常貼合的模擬。所以通過外部建模導入的方式，同時結合水位線圈中的所述代碼，實現較為全面的耦合分析，得到模型邊坡體中的復雜水位線（圖略）。

3.3.2 FLAC3D模型計算結果

得到的邊坡內孔隙水壓力分布情況如圖3。含孔隙水壓力的區域主要分為2 部分，分別是低滲透性泥巖上部的滯水區以及下部的均勻水壓力分布區。水體耦合后對邊坡穩定性的影響圖4。

圖3 水體耦合后邊坡內孔隙水壓力分布情況

東幫邊坡不含水的計算結果如圖4（a），利用圖4 中求解得到的水壓力分布情況求得水體耦合后的邊坡穩定性計算結果如圖4（b），該計算結果展示的是東幫邊坡體的x 方向位移，并將兩種狀態的位移值調整為相同的云階同時展示。

圖4 水體耦合后對邊坡穩定性的影響

3.3.3 模擬分析

根據圖4 中的位移計算結果可以發現，在沒有水的影響時，邊坡產生較大位移的位置僅在662 m水平和650 m 水平（2 個臺階的巖性主要為泥巖），而且向下部延伸的范圍很小。然而當水體單元耦合后，邊坡坡面出現了很大范圍的位移，從最高的674 m 水平一直延伸到下部的602 m 水平，可見降雨對邊坡穩定性的影響是整體性的，而且會加劇局部危險臺階的滑坡風險。此時邊坡上的最大位移臺階依然是巖性為泥巖的662 m 水平，但是最大位移量增加了近0.2 m。無水狀態下的東幫使用強度折減法計算得到的安全系數為1.965，當水體耦合后，安全系數降到了1.512，降低了18 %，可見水對邊坡穩定性的影響是很大的。因此在發生強降雨時，應該著重關注邊坡的位移監測，防止出現滑坡事故。

4 結語

1）通過總結當前含水體邊坡穩定性的研究現狀，總結出了目前只單獨研究孔隙水壓力的局限性和弊端，由此提出了水體對邊坡穩定性產生影響是通過產生的孔隙水壓力作用和對軟巖的強度弱化作用共同實現的。

2）通過分析和推導邊坡的安全系數計算公式發現，水對邊坡安全系數的影響主要是通過增加水壓力和降低巖體強度參數來進行的，與研究探討的假設一致。

3）通過使用FLAC3D軟件，提出了一種新的水體單元耦合方法。該方法能夠快速的耦合復雜形狀的水體單元，使得模擬結果與實際更為貼切，降低了模擬的誤差，并能夠通過自編代碼實現了對含水巖體的弱化強度參數單獨賦值。

4）在FLAC3D數值分析軟件中，x 方向位移云圖展現出了強降雨對東幫邊坡位移特征的影響，由無水狀態下的局部臺階變形轉變成了由上至下的大范圍滑移變形。