高陡巖質邊坡變形破壞特征及控制研究

王繼虎

(濟寧市水利工程施工公司，山東 濟寧 272000)

0 引 言

近年來國內外很多學者對邊坡的穩定性及邊坡的滑動、垮塌等危險狀態進行大量的研究，然后對于高陡巖質邊坡的應力變形規律卻研究的較少。例如：黃小桂[1]等研究了軟巖陡傾邊坡傾倒變形過程特征，并提出了相應的處置方案，為邊坡的穩定性及道路的安全性做出了巨大的貢獻；羅健平[2]采用強度折減法和飽和非飽和流固耦合理論研究了降雨條件下邊坡的穩定性及不同降雨時長對邊坡穩定性的影響，并提出了相應的治理措施；付釗龍[3]采用離散元分析軟件PFC，研究了軟硬互層順向巖質邊坡失穩變形規律，為工程的安全施工提供了科學依據；黨力[4]等通過構建三維有限元模型，分析研究了東莊水庫水墊塘高陡邊坡施工期變形特性，發現邊坡在施工期間存在大量的的變形現象，并為其提供了良好的治理措施，為工程的正常施工提供了安全保證。曾錦繡[5]研究了邊坡在受破壞時，邊坡的有效治理措施，文中基于上限法的科學理論，研究了抗滑樁的設計，并提出了雙排抗滑樁的治理措施。范新宇[6]等研究了某水電站溢洪道邊坡在受爆破擾動下的邊坡穩定性，并研究了對邊坡穩定性影響的主要因素，研究結果顯示，爆破振動作用對邊坡的穩定性有著舉足輕重的作用。

1 工程概況

某礦山為石灰巖礦山，且該礦山屬中高山地區，地形較陡，開采過程中形成了約90m高的高陡巖質邊坡，且石灰巖屬于沉積巖，礦區內巖體節理裂隙發育，巖體局部較為破碎，且隨著開采的進行，在爆破擾動的沖擊下，邊坡時常有浮石冒落現象，且該區域內降雨量豐富，每年5-10月降水集中，且最大降雨量為900mm，由于石灰巖具有較強的水力性質，因此降雨對邊坡具有一定的不良影響，為保證礦山的安全生產，需對該礦山高陡巖質邊坡進行穩定性分析。

高陡巖質邊坡穩定性分析的步驟主要分為：①對該高陡巖質邊坡的巖石進行取樣，并進行室內巖石力學試驗，確定巖石的基本物理力學性質；②通過所得到的巖石的物理力學性質通過Hoek-Brown[7]強度準則，將巖石的物理力學性質轉化為巖體的物理力學性質；③采用極限平衡法或強度折減法對邊坡的穩定性進行分析，跟根據計算結果分析邊坡的應力應變規律及特征(極限平衡法適用于完整巖體的穩定性分析，強度折減法適用于巖體存在大量節理裂隙及巖體局部破碎的邊坡穩定性分析，文章工程地質條件中，高陡巖質邊坡局部破碎且巖體的節理裂隙極度發育，因此采用強度折減法進行計算)；④提出有效的邊坡治理措施。

2 力學試驗

由于現場條件有限，無法進行現場巖體測試，因此采用現場鉆孔的方式，取具有代表性的巖芯，進行室內巖石力學性質測定。試驗前準備的樣本，見圖1；單軸抗壓試驗的應力應變曲線(部分圖件)，見圖2；劈裂抗拉試驗曲線(部分圖件)，見圖3。

圖1 試驗前準備的樣本

圖2 單軸抗壓試驗的應力應變曲線(部分圖件)

圖3 劈裂抗拉試驗曲線(部分圖件)

圖2和圖3基本反映了巖樣應力應變過程曲線變形的一般規律，巖塊在外荷載作用下，產生變形，并伴隨著荷載的不斷增加，變形也不斷增加，當荷載達到或超過某一定限度時，將導致巖塊的破壞。同時根據圖2可知該巖石的單軸抗壓強度為40.46MPa，彈性模量為11.40GPa，單軸抗拉強度為4.21MPa。

3 巖體的質量評價

根據Hoek-Brown強度準則及非煤露天礦邊坡工程技術規范》(GB 51016-2014)并結合下列公式可以得出可將巖石的物理力學性質轉化為巖體的物理力學性質：

σcm=σc·

(1)

式中：Ei為完整巖石的彈性模量；Erm為巖體彈性模量；σcm為巖體抗壓強度；σt為巖體的抗拉強度。

將計算得出，巖體的物理力學參數，見表1。

表1 巖體的物理力學參數

4 高陡巖質邊坡的變形規律

文章采用FLAC3D數值模擬軟件對高陡巖質邊坡進行穩定性分析，由于石灰巖的物理力學性質近似于摩爾-庫倫彈塑性物理本構模型，因此文章采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型建立高陡巖質邊坡，并采用強度折減法對其邊坡的應力應變特征進行分析研究。

4.1 邊坡的水平位移分析

根據現場的時間工程地質條件，采用FLAC3D數值模擬軟件建立三維地質邊坡計算模型，并對邊坡的水平位移和邊坡的最大主應力進行計算，研究在自然狀態和暴雨兩種條件下的邊坡的應力應變特征。

1)自然狀態的邊坡的位移分析：自然狀態下邊坡水平形變量，見圖4。

圖4 自然狀態下邊坡水平形變量

從圖4可以看出，露天臺階邊坡水平位移方向指向臨空面，單位為正，最大水平位移約為1.10mm，主要集中在臺階坡面處，邊坡整體未出現大的位移。

2)暴雨條件下邊坡的位移分析：暴雨狀態下邊坡水平形變量，見圖5。

圖5 暴雨狀態下邊坡水平形變量

從圖5可以看出，邊坡開挖結束后，在暴雨工況下，巖體受降雨和滲流作用的影響，力學強度降低，出現水平方向的最大位移量約為1.44mm，方向指向坡外，單位為正，與自然工況相比在暴雨作用下臺階坡面水平位移增加了0.34mm，主要集中在臺階坡面處，邊坡整體未出現大的位移。

4.2 邊坡的最大主應力分析

根據上述分析可知，暴雨狀態下邊坡水平形變量高于自然狀態下的邊坡的水平形變量。由此可暴雨狀態下邊坡更不穩定。因此，為更接近實際的描述邊坡的應力分布狀態，確保邊坡的穩定性。此次將暴雨狀態下的邊坡的最大主應力分布狀態進行了系統的分析，并根據邊坡的高度，由上至下每個平臺均設置1個監測點，共設置5個監測點。暴雨狀態下最大主應力分布圖，見圖6。

圖6 暴雨狀態下最大主應力分布圖

圖6可以得知暴雨過后邊坡最大主應力為0.18MPa未超過巖體的極限抗拉強度；結合最大主應力歷史記錄圖發現，5個監測點中應力最大為0.21MPa，最小為0.20MPa。監測點歷史記錄最大主應力十分接近巖體的極限抗拉強度但均沒有超過，因此綜上可以得出，該邊坡在暴雨的作用下邊坡表面在不同位置產生了不同程度的巖石裂縫，并沒有產生滑坡，但是邊坡局部會有浮石冒落，邊坡產生的明顯位移為邊坡局部巖體開裂所致。

5 結 論

文章以某礦山高陡巖質邊坡為研究對象，分別研究了邊坡在自然狀態及暴雨狀態兩種不同工況下，邊坡的水平位移及最大主應力分布情況。主要研究結果為：

1)自然狀態下邊坡的水平最大位移為1.10mm，暴雨狀態下邊坡的水平最大位移為1.44mm，且最大主應力為0.21MPa，最小為0.20MPa。

2)巖體的最大主應力并未超過巖體的極限抗拉強度，說明該高陡巖質邊坡處于穩定狀態。說明該邊坡在暴雨的作用下邊坡表面在不同位置產生了不同程度的巖石裂縫，并沒有產生滑坡，但是邊坡局部會有浮石冒落，邊坡產生的明顯位移為邊坡局部巖體開裂所致。