瑯琊山露天礦山邊坡穩(wěn)定性的離散單元強(qiáng)度折減法分析*

劉長(zhǎng)青 王尚勇 董斌 王亮 趙旭東

(1.安徽省應(yīng)急管理科學(xué)研究院 合肥 230061; 2.銅陵化工集團(tuán)新橋礦業(yè)有限公司 安徽銅陵 244132)

0 引言

露天礦山邊坡穩(wěn)定性一直是礦山安全領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[1]。隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的快速推進(jìn)，很大程度上帶動(dòng)了建材市場(chǎng)的飛速發(fā)展，有些露天礦山企業(yè)，特別是中小型采石場(chǎng)，盲目追求經(jīng)濟(jì)利益，開(kāi)采過(guò)程中形成了高而陡的不穩(wěn)定邊坡，雖然后期經(jīng)過(guò)資源重組，關(guān)停了不具備安全生產(chǎn)條件的露天礦山，但前期粗放式開(kāi)采造成的高陡邊坡始終存在著很大的安全隱患。由此，露天礦山邊坡穩(wěn)定性研究就顯得尤為重要。

本文依據(jù)瑯琊山露天礦山邊坡結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，分析了結(jié)構(gòu)面概率分布特征，建立了概率模型，闡述了巖體內(nèi)節(jié)理裂隙的各幾何參數(shù)(節(jié)理密度、節(jié)理傾角、節(jié)理跡長(zhǎng))的隨機(jī)分布規(guī)律，建立了巖質(zhì)邊坡的裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，應(yīng)用離散單元強(qiáng)度折減法分析了巖質(zhì)邊坡裂隙網(wǎng)絡(luò)模型安全穩(wěn)定性，獲得了邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)、巖體位移場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)分布及塑性區(qū)發(fā)育特征。

1 離散單元強(qiáng)度折減法原理

分析邊坡穩(wěn)定性的傳統(tǒng)方法主要有極限平衡法和有限元法[2-3]。由于巖體中含有大量的諸如層面、節(jié)理、裂隙、軟弱夾層、斷層破碎帶等結(jié)構(gòu)面[4]，給巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析帶來(lái)了很大的困難。在低應(yīng)力條件下巖體強(qiáng)度主要由結(jié)構(gòu)面控制，傳統(tǒng)的極限平衡法不適合計(jì)算復(fù)雜巖質(zhì)節(jié)理邊坡的滑動(dòng)面與穩(wěn)定安全系數(shù)[5]，有限元法對(duì)節(jié)理巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定分析需要設(shè)置節(jié)理單元，而離散單元法能真實(shí)地表達(dá)節(jié)理巖體的幾何特征，便于處理非線性變形和破壞都集中在節(jié)理面上的巖體破壞問(wèn)題，可以更好地模擬邊坡的穩(wěn)定狀況[6-7]。將離散單元法與強(qiáng)度折減技術(shù)相結(jié)合，不需要事先指定滑動(dòng)面的位置和形狀[8]，即可獲得邊坡的安全系數(shù)、變形及塑性區(qū)，以及臨界滑動(dòng)面等，為巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析提供了一種全新、有效的手段。

邊坡安全系數(shù)通常被用來(lái)衡量邊坡穩(wěn)定性程度的大小，通過(guò)坡體的抗剪強(qiáng)度與潛在滑動(dòng)面上產(chǎn)生的剪應(yīng)力的比值來(lái)表示。在巖體潛在滑動(dòng)面上剪應(yīng)力一定的情況下，通過(guò)對(duì)巖體抗剪強(qiáng)度的折減，使邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)，此時(shí)的折減程度即為邊坡的安全系數(shù)[9-10]，該方法即為強(qiáng)度折減法。離散單元中強(qiáng)度折減法是根據(jù)邊坡模型確定折減系數(shù)的上下邊界值，設(shè)置合理的解算步數(shù)。根據(jù)折減過(guò)程精度需求，設(shè)置解算的最終計(jì)算精度要求，再通過(guò)改變抗剪強(qiáng)度，獲得邊坡模型到達(dá)臨界破壞狀態(tài)時(shí)的折減系數(shù)，即邊坡在初始抗剪強(qiáng)度下的安全系數(shù)。

2 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1 點(diǎn)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

瑯琊山礦業(yè)露天礦山位于安徽省鳳陽(yáng)縣南部山區(qū)偏西靈山—木屐山一帶，為玻璃用石英巖礦。采掘面積為15.6萬(wàn)m2，開(kāi)采臺(tái)階有6個(gè)，最大開(kāi)采邊坡高度154.4 m，臺(tái)階坡面角65°～80°。本次選擇+155 m開(kāi)采平臺(tái)邊坡為研究對(duì)象，邊坡高度125 m，邊坡角65°，如圖1所示。

圖1 +155 m開(kāi)采平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)

現(xiàn)場(chǎng)采取巖樣，按風(fēng)化程度、礦石色澤、錘擊回彈特性等情況分為11組試件，編號(hào)為Ⅰ～Ⅺ。按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，刪除每組數(shù)據(jù)中異常值，計(jì)算每組試件均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)及置信區(qū)間，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。由點(diǎn)荷載換算巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc和抗拉強(qiáng)度Rt，由Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則換算巖石粘聚力C、摩擦角φ以及巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)Is(50)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 點(diǎn)荷載分組數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值

表2 點(diǎn)荷載分組數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值換算統(tǒng)計(jì)

2.2 結(jié)構(gòu)面采樣分析

對(duì)研究對(duì)象結(jié)構(gòu)面進(jìn)行采樣統(tǒng)計(jì)，通過(guò)極點(diǎn)赤平投影作圖法(圖2、圖3)，按照投影點(diǎn)分布的密集程度把結(jié)構(gòu)面劃分為3組，如表3所示。

圖2 結(jié)構(gòu)面方位投影

圖3 結(jié)構(gòu)面方位等密度線

表3 結(jié)構(gòu)面分組情況

2.3 建立模型

邊坡含有3組節(jié)理，根據(jù)結(jié)構(gòu)面樣本數(shù)據(jù)獲得各組節(jié)理幾何參數(shù)，如表4所示。

表4 節(jié)理裂隙幾何參數(shù)

運(yùn)用離散元程序中FISH語(yǔ)言編制節(jié)理裂隙程序，利用Monte-Carlo法得到[0，1]區(qū)間節(jié)理中心點(diǎn)均勻分布隨機(jī)數(shù)，生成服從特定分布的隨機(jī)節(jié)理裂隙，建立邊坡節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模型，在離散元程序中用強(qiáng)度折減程序計(jì)算其安全系數(shù)[11]。該露天礦山+155 m開(kāi)采平臺(tái)邊坡節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模型生成圖如圖4所示。

圖4 +155 m開(kāi)采平臺(tái)邊坡隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)模型

2.4 邊坡穩(wěn)定性分析

通過(guò)數(shù)值軟件強(qiáng)度折減程序計(jì)算，+155 m開(kāi)采平臺(tái)邊坡安全系數(shù)為 1.599 9。若將該邊坡模型用離散元程序直接進(jìn)行穩(wěn)定性分析而不進(jìn)行強(qiáng)度折減計(jì)算，因其安全系數(shù)大于1，屬于穩(wěn)定邊坡，則在分析結(jié)果所得的位移云圖中不能觀察到潛在滑裂面；但對(duì)該邊坡模型進(jìn)行強(qiáng)度折減計(jì)算后，相當(dāng)于將邊坡抗剪強(qiáng)度降低到和剪切力相等的情況，強(qiáng)度折減后邊坡中潛在滑裂面才能顯示出來(lái)。圖5為強(qiáng)度折減后得到的位移云圖，從圖中能明顯觀察到潛在滑裂面的位置。上述2種方法的對(duì)比體現(xiàn)了強(qiáng)度折減法在預(yù)測(cè)邊坡潛在滑裂面方面的優(yōu)勢(shì)。

圖5 +155 m平臺(tái)邊坡強(qiáng)度折減X方向位移云圖

由圖5可知，沿坡面形成一圓弧滑動(dòng)面，由滑動(dòng)面至坡面方向水平位移逐漸遞增；沿坡面方向，水平位移由上至下逐漸增大；最大水平位移發(fā)生在坡角，其值達(dá)8 cm；滑動(dòng)體位移場(chǎng)水平方向優(yōu)于垂直方向，即滑動(dòng)體在邊坡開(kāi)挖前在該部位由受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓑籂顟B(tài)，巖土體力學(xué)參數(shù)逐漸劣化，尤其在坡角巖土體受拉剪影響，其力學(xué)參數(shù)劣化更快。

圖6為邊坡體剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D，剪切滑動(dòng)面位于坡面內(nèi)6.1 m左右位置，剪應(yīng)變?cè)隽孔畲笾滴挥谄履_位置，最大剪應(yīng)變值為0.033，對(duì)中硬巖體來(lái)說(shuō)，其剪應(yīng)變值處于破壞臨界區(qū)間。

圖6 +155 m平臺(tái)邊坡剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖7為邊坡體最小主應(yīng)力云圖，由邊坡體內(nèi)部至坡面，最小主應(yīng)力逐漸減小；在坡面位置，最小主應(yīng)力方向近乎與坡面垂直，甚至在坡面位置最小主應(yīng)力由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力；而最大主應(yīng)力主要表現(xiàn)為近乎平行于邊坡面。

圖7 +155 m平臺(tái)邊坡最小主應(yīng)力云圖

圖8為邊坡體塑性區(qū)分布云圖，坡面淺部巖體主要表現(xiàn)為拉伸破壞，由坡面向邊坡體內(nèi)部一定范圍巖體主要表現(xiàn)為剪切破壞，坡底表層巖體表現(xiàn)為剪切破壞。

圖8 +155 m平臺(tái)邊坡塑性區(qū)云圖

從上述分析可知，邊坡開(kāi)挖后，原先處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)的巖土體，在坡面至滑動(dòng)面間巖土體受力狀態(tài)逐漸改變，垂直方向壓力變化幅度較小，垂直坡面水平方向巖土體由受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，在這壓剪受力狀態(tài)條件下，巖土體力學(xué)性質(zhì)由淺部逐漸向深部劣化，直至最終形成滑動(dòng)面為止。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)瑯琊山礦業(yè)露天礦山+155 m平臺(tái)邊坡11組試件進(jìn)行采樣分析，獲得每組試件均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)及置信區(qū)間，并計(jì)算出每組試件的Rc、Rt、C和φ值。采用極點(diǎn)赤平投影作圖法，把該邊坡結(jié)構(gòu)面劃分為3組節(jié)理，并建立邊坡節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模型。

(2)利用離散單元法和強(qiáng)度折減技術(shù)，獲得該平臺(tái)邊坡安全系數(shù)為1.599 9，屬于穩(wěn)定邊坡。分析了該露天礦山+155 m平臺(tái)邊坡的安全穩(wěn)定性、平臺(tái)邊坡巖體位移場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)分布及塑性區(qū)發(fā)育特征。

(3)經(jīng)過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析可知，瑯琊山露天礦山邊坡的巖體中含有許多不同構(gòu)造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)面，在外界應(yīng)力很小的情況下，邊坡巖體的穩(wěn)定性主要由其內(nèi)在結(jié)構(gòu)面所決定。極限平衡法和有限元分析法已不適合分析存在復(fù)雜結(jié)構(gòu)面的邊坡巖體穩(wěn)定性。

(4)離散單元法可以獲取邊坡巖體真實(shí)的幾何特征，更好地表達(dá)巖體破壞的內(nèi)在機(jī)理，并模擬露天礦山邊坡的穩(wěn)定狀況。強(qiáng)度折減法可以通過(guò)改變巖體的抗剪強(qiáng)度來(lái)獲得邊坡巖體的安全系數(shù)。基于離散單元法的強(qiáng)度折減技術(shù)可以更準(zhǔn)確的分析露天礦山邊坡的安全穩(wěn)定性。