裂縫發育情況對露天煤礦排土場邊坡穩定性的影響研究

卜 飛，段宏波，李景明，單 帥

(山西省勘察設計研究院有限公司, 太原 030013)

近年來，眾多學者采用土力學基本原理、極限平衡分析理論和數值模擬方法分析了考慮裂縫的邊坡穩定性，并取得了一定的成果。劉華磊等[1]分析了降雨條件下裂縫的演化機制及其對邊坡穩定性的影響。陳曉冉等[2]基于土體的抗剪強度、變形參數和朗肯理論求出了邊坡坡底豎向裂縫的上限值，在此基礎上分析了考慮裂縫的邊坡穩定性。錢閃光等[3]采用slide軟件分析了坡頂裂縫發育程度對巖質邊坡穩定性的影響。蔣斌松等[4]基于極限分析上限法，推導出了具有張裂縫的穩定系數計算方法。鄧東平等[5]基于有效應力法和總應力法，推導出了折線型和臺階型含裂縫邊坡的穩定性系數計算公式。蔣澤鋒等[6]提出了一種考慮張裂縫的臨界滑動場數值模擬方法，并采用粘土邊坡算例進行了驗證。康孝森等[7]推導出了黃土邊坡張拉裂縫的極限深度，并分析了裂縫的影響因素和形成機制。

目前有關考慮裂縫的邊坡穩定性分析成果較為豐富，但考慮裂縫的分布對邊坡失穩變形規律的影響研究較少，關于裂縫大量發育的排土場邊坡的實際工程問題未得到解決。基于此，本文采用有限元強度折減法，以同生安順露天煤礦外排土場邊坡為研究對象，分析不同裂縫分布情況下排土場邊坡穩定性的變化規律，討論降雨條件下裂縫的形成與擴展及其對邊坡穩定性的影響。

1 研究區概況

研究區位于山西省寧武縣同生安順煤業有限公司露天煤礦排土場。本礦田地處晉北黃土、基巖切割的中低山區，屬大陸性中溫帶季風氣候，屬于干旱地區。年平均氣溫6.2℃，1月份最低，最低溫度為-28.0℃，7月份氣溫最高，最高達34.8℃；年平均降水量420 mm，冬春兩季多西北風少雪雨，而夏季雨量集中，有時出現洪水災害。礦區剝離、采煤均采用單斗-卡車工藝，剝離物的排棄物料采用卡車-前裝機分層(臺階)排棄方式處理，礦區主要剝離物為煤層頂板以上的泥巖、砂質泥巖、炭質泥巖、粉砂巖及中細砂巖和砂質粘土、砂土和亞砂土、亞粘土及粘土等混合物料。根據《大同煤礦集團同生安順煤業有限公司露天煤礦兼并重組整合項目初步設計說明》可知，煤巖的容重為1.37 t/m3，黏聚力為90 kPa，內摩擦角為38°。

外排土場邊坡平臺土體裂縫發育嚴重，裂縫表面粗糙，延伸較遠，走向多平行于等高線且呈弧線分布，部分裂縫呈樹枝狀分布，集中分布在距離排土場平臺坡頂線邊緣5 m范圍內。土體裂縫長度主要集中分布在距離排土場平臺5～50 m范圍內，寬度集中分布在距離排土場平臺0.5～6.0 cm范圍內。

踏勘過程中共布置了3個探坑進行裂縫觀測，如圖1所示。裂縫由上至下寬度逐漸減小，最大延伸深度達1.5 m。探坑一和探坑二分別位于平臺的中部和坡腳處，其裂縫產生的主要原因為不均勻沉降和降雨，而造成排土場邊坡不均勻沉降的因素有重力因素、排土工藝、排棄物料的強度等。探坑三位于平臺靠近坡頂線處，此處裂縫延伸長度約50 m，寬度0.5～3.0 cm，深度0.6 m，其裂縫產生主要原因為不均勻沉降、降雨和靠近臨空面等因素，此類裂縫表明，邊坡正處于拉剪破壞的初期，隨著時間的推移，裂縫可能會逐漸延展形成剪切滑移帶，導致邊坡發生局部剝落或溜滑。

(a) 探坑一

2 裂縫對排土場邊坡穩定性的影響

2.1 模型建立及參數選用

為分析裂縫的分布對邊坡穩定性的影響，將排土場1 785～1 810 m范圍的邊坡進行簡化，參考鄭穎人等[8]對模型的建議以及排土場現狀，簡化后的模型見圖2所示。模型中，邊坡高度25 m，坡度35°；邊界左右兩側為水平約束，底部為水平和豎向位移約束，排棄物料選用Mohr-Coulomb本構模型。模型參數參考《大同煤礦集團同生安順煤業有限公司排土場巖土工程勘察報告(詳細勘察)》，其參數取值如表1所示。

圖2 邊坡模型圖

表1 模型參數取值

2.2 土質邊坡裂縫的數值模擬方法

參考鄭穎人等[8]的研究可知，邊坡坡頂豎向裂縫的模擬方法主要有兩種：第一種是通過對裂縫內的土體強度參數進行折減，可以達到近似模擬裂縫的效果，如圖3(a)所示；第二種則是采用接觸單元模擬裂縫，如圖3(b)所示。對于第一種方法而言，由于其采用土體來模擬裂縫，需要將裂縫區域內的土體劃分為很小的單元，而在裂縫發育初期，裂縫的寬度僅為幾毫米至幾十毫米之間，此種情況下將網格劃至符合要求的尺寸的難度較大，故該方法僅適用于裂縫較為寬大的情況。而第二種方法中的接觸單元能夠滿足Mohr-Coulomb屈服準則，為一種無厚度單元，包括的參數有剛度、接觸黏聚力、接觸內摩擦角及間隙值等，適用于模擬巖土體中的裂縫。本文中的裂縫采用界面(接觸單元)助手生成，其中虛擬厚度系數為0.01 m，強度折減系數為0.5。

(a) 接觸單元

2.3 裂縫對排土場邊坡穩定性的影響

排土場邊坡裂縫走向基本平行于坡頂線，而其豎直方向的延展部分則垂直于邊坡頂面，部分裂縫以一定角度斜交于邊坡頂面。對于垂直裂縫的邊坡穩定性分析主要考慮裂縫與坡頂線的距離和裂縫深度這兩方面的影響；對于傾斜裂縫的邊坡穩定性分析主要考慮角度對邊坡穩定性的影響。

本節在2.1部分中邊坡模型的基礎上增設裂縫，分別模擬不同裂縫位置、深度和角度等在工況下(見表2)穩定性系數的變化情況，探討裂縫的分布對邊坡穩定性的影響。

表2 模擬工況表

2.3.1裂縫位置的影響

圖4為根據強度折減法計算出的邊坡穩定性系數與裂縫至坡頂線距離間的關系圖。從圖中可以看出，存在裂縫的情況下，其邊坡穩定性系數小于無裂縫時的邊坡穩定性系數；裂縫至坡頂線的距離不同，其穩定性系數下降程度也不同。當裂縫距坡頂線的距離在0～1 m范圍內時，隨著裂縫距坡頂線距離的逐漸增大，邊坡穩定性系數逐漸降低，且在距離為1 m時達到最小值，說明裂縫在該處對于邊坡的劣化程度最大；當裂縫距坡頂線的距離在1～3 m范圍內時，隨著裂縫距坡頂線距離的逐漸增大，邊坡穩定性系數逐漸增加，但其值仍小于無裂縫時的情況；當裂縫距坡頂線的距離大于3 m時，有裂縫與無裂縫情況下的穩定性系數基本接近，此時裂縫的存在對于邊坡穩定性基本無影響。

圖5為裂縫距離坡頂線1 m、3 m、4 m時的最大剪應變云圖。當裂縫距離坡頂線4 m以內時，裂縫的存在影響塑性區的擴展路徑，而當裂縫距離坡頂線大于等于4 m時，裂縫位于塑性區擴展范圍之外，對其穩定性基本無影響。

圖4 不同位置下的邊坡穩定性系數

(a) 裂縫距離坡度線1 m

2.3.2裂縫深度的影響

圖6為不同裂縫深度下的邊坡穩定性系數圖。當裂縫深度在1～5 m范圍內時，隨著裂縫深度的增加，穩定性系數迅速下降，當裂縫深度達到5 m時下降至最低點，說明此范圍內，隨著裂縫深度的增加，塑性區沿著最短路徑開始擴展，土體可以承受剪力的面積減小，穩定性系數降低；當裂縫深度大于5 m時，穩定性系數呈現波動下降趨勢，且下降速度減慢，說明此范圍內裂縫深度的增加，對邊坡穩定性系數影響較小。

圖6 不同深度下的邊坡穩定性系數

2.3.3裂縫角度的影響

圖7為不同角度下裂縫與邊坡穩定性系數的關系圖。分析可知，當裂縫角度在10°～110°范圍內時，隨著角度的增加，穩定性系數呈現波動下降的趨勢，說明角度越大，邊坡越易發生破壞；當裂縫角度為110°時，穩定性系數達到最小值，說明此角度下塑性區和裂縫之間相互貫通的路徑最短，裂縫對邊坡的裂化程度達到最高；當裂縫角度大于110°時，穩定性系數呈現上升趨勢，說明此時隨著角度的增加，最短塑性區貫通路徑開始增加，但其穩定性系數仍小于無裂縫時的數值。

圖7 不同角度下的邊坡穩定性系數

2.3.4裂縫的存在對塑性區的影響

圖8為裂縫至坡頂線距離為1 m，裂縫深度為5 m，裂縫角度為110°時的最大剪應變云圖。從圖中可以看出，裂縫的存在改變了塑性區的貫通方式，邊坡的滑動破壞面由坡底的塑性區延伸至裂縫底端，再由裂縫底端延伸至坡頂，此時邊坡穩定性系數達到最低，為1.115，相比正常工況下降低了0.051，降低了約4.6%。

圖8 最大剪應變云圖

3 降雨條件下裂縫的形成及其對邊坡穩定性的影響

邊坡穩定性受多種因素影響，雖然上述內容討論了不同裂縫工況下對邊坡穩定性的影響，但是裂縫對邊坡的劣化效應在降雨條件下會成倍地增長，二者之間的相互耦合是坡體發生破壞的本質原因。本部分主要討論降雨條件下，裂縫的發展及其對邊坡穩定性的影響。

3.1 降雨條件下裂縫的形成

由于邊坡表面起伏不平，故在一定的降雨強度下，坡體表面會形成徑流[9-10]，會對其正下方土體產生沖刷，排棄物中的細小顆粒逐漸流失，形成小型沖溝。如圖9所示，假定坡面徑流點在A點，此時土體處于飽和狀態，該處的飽和度大于其余位置的飽和度，故該處的滲透系數最大。在重力作用下，雨水主要沿AG段下滲，該處的含水率增加，土體間的黏結強度降低，導致裂縫沿AG面開始擴展，而裂縫的擴展又使其成為雨水的優勢入滲通道，雨水開始在裂縫周邊富集，水流對裂縫側壁的沖蝕導致其開始出現坍塌，隨著裂縫內水位的升高，裂縫底部土體在水壓作用下逐漸達到抗拉強度，裂縫進一步加寬加深。

降雨條件下，坡體表面的土體受水浸濕，含水率增大，土體自重增加，強度降低，對應的下滑力增加，抗滑力減小，邊坡體存在下滑的趨勢。當坡體前端滑塊Ⅰ產生局部溜滑時，緊鄰前緣滑塊的坡體Ⅱ由于失去支撐，產生新的張拉裂縫BH，并繼續向后擴展，導致裂縫CI、DJ、EK、FL產生，在坡頂形成多級張拉裂縫，如圖9所示。坡體后緣形成多級張拉裂縫后，在降雨作用下，雨水會沿裂縫迅速入滲，隨著入滲量逐漸增加，會在裂縫底部形成暫時的飽水帶，此時在自重力、滲流力、孔隙水壓力的作用下，坡體產生滑移破壞。

裂縫的形成是一個從量變到質變的過程，并非降雨就會形成貫通裂縫，而是在降雨等諸多因素影響下逐漸向下擴展，最終形成與潛在滑動面貫通的裂縫，當抗滑力不足以抵抗下滑力時，邊坡出現整體滑動破壞。

圖9 裂縫形成與擴展示意圖

3.2 降雨條件下裂縫對邊坡穩定性的影響

邊坡后緣中積水的力學模型，參考《建筑邊坡工程技術規范》，建立簡化后的邊坡平面力學模型，如圖10所示。

圖10 平面力學模型示意圖

邊坡穩定性系數Fs為：

(1)

其中，滑體ABCD的抗滑力R和下滑力T為：

R=(Gcosθ-Vsinθ-U)tanφ+cL,

(2)

T=Gsinθ+Vcos(θ+α).

(3)

裂縫面AD的水壓力合力V為與滑面CD上的水壓力合力U為：

(4)

(5)

式中:G為滑體ABCD自重，kN/m；φ為滑面CD的內摩擦角，(°)；c為滑面CD的黏聚力，kPa；L為滑面CD的長度，m；θ為滑面CD與水平面的夾角，(°)；α為裂縫與豎直面的夾角，(°)；γw為水的重度，γw=9.8 kN/m3；hw為裂縫充水高度，m。

降雨條件下，裂縫對邊坡穩定性的影響可以分為3個方面。

1)后緣裂縫中充水產生的水壓力V合力，可以分解為沿滑面CD方向的力Vcos(θ+α)和垂直滑面方向的力Vsin(θ+α)。根據上述分析可以看出，水壓力的分力Vcos(θ+α)增大了滑體的下滑力，同時Vsin(θ+α)減小了滑體對滑面的正壓力，導致抗滑力下降，說明裂縫內充水僅會對邊坡穩定性產生劣化作用，且充水高度越高，劣化效應越明顯。

2)當裂縫貫通至軟弱滑動面時，裂縫內的水沿滑面DC下滲，導致滑面CD中也產生靜水壓力，進一步降低了滑體對滑面的正壓力，導致抗滑力下降。

3)水沿滑面DC下滲時，會使滑面上的土進一步劣化，其黏聚力和抗剪強度進一步降低，從而導致邊坡發生失穩破壞。

3.3 積水條件下裂縫的位置、角度、充水高度對邊坡穩定性的影響

以簡化后的排土場邊坡模型為例(算例1)，根據計算得到積水條件下的裂縫位置、角度、充水高度與邊坡穩定性系數的關系，模擬工況見表3所示。

表3 模擬工況表

從圖11中可以看出，充水條件下裂縫距離坡頂線越近，裂縫角度越大，充水水位高度越高，邊坡穩定性系數越低；裂縫距離坡度線的距離分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m時，有裂縫存在的情況下邊坡穩定性系數下降比例分別為8.6%，9.3%，10.2%，11.1%，12.3%；裂縫角度分別為90°，100°，110°，120°，130°時，有裂縫存在的情況下邊坡穩定性系數下降比例分別為8.6%，9.2%，10.2%，11.8%，14.9%；裂縫充水水位高度分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m時，有裂縫存在的情況下，邊坡穩定性系數下降比例分別為0.4%，1.5%，3.3%，5.7%，8.6%。

(a) 裂縫位置

實際情況下，裂縫在排土場邊坡上的分布是不均勻的，多分布于排土場邊坡的坡頂及坡面這些與大自然直接接觸的位置，邊坡坡體上部裂縫的發育程度明顯優于下部，而裂縫的存在又會導致坡體表面的強度指標降低，相比于邊坡發生深層滑動，排土場邊坡更容易在裂縫開展深度范圍內的淺表層滑動。

4 結論

1)裂縫的存在對排土場邊坡穩定性存在劣化效應：當裂縫距坡頂線的距離為0.5～1.5 m，深度大于4 m，角度大于90°時，劣化程度較大；當裂縫處于無裂縫情況下的邊坡塑性區以外時，裂縫的存在對邊坡穩定性基本無影響。

2)裂縫和降雨之間的相互耦合是坡體發生破壞的本質原因。在降雨條件下，坡體表面會形成徑流，部分區域形成小型沖溝，在滲透和水對土體的軟化作用下，坡頂開始出現裂縫。裂縫的存在進一步增強了雨水的入滲，而雨水開始在裂縫周邊富集又將導致裂縫進一步加寬加深。隨著雨水的進一步入滲，裂縫底部形成暫時的飽水帶，此時在自重力、滲流力、孔隙水壓力的作用下，坡體產生滑移破壞。

3)鑒于排土場邊坡發生整體滑移破壞都需要一定的演變過程，當坡頂出現沖溝、裂縫及錯臺等變形跡象時，必須及時采取相應的治理措施，防止其進一步擴展，這是保證排土場邊坡穩定的關鍵。