基于FLAC3D的黄土基底排土场边坡破坏机理研究

孙庆山

(煤炭科学研究总院沈阳研究院， 辽宁抚顺市 113122)

基于FLAC3D的黄土基底排土场边坡破坏机理研究

孙庆山

(煤炭科学研究总院沈阳研究院， 辽宁抚顺市 113122)

针对哈尔乌素露天矿黑岱沟黄土基底排土场边坡，开展工程地质调查，建立相应地质模型，选取FLAC3D软件，针对2个典型剖面进行稳定性分析，揭示了黑岱沟排土场排弃物内部滑动与底部沿基底弱层面滑动的破坏模式，对哈尔乌素露天矿安全生产有着重要的指导意义。

排土场;黄土基底;边坡;破坏模式

0 引言

近年来，我国新兴的现代化大型露天煤矿主要分布在西部及西北部的黄土高原地区，由于黄土多孔隙弱胶结的特点，决定了露天矿采矿的特殊性，也使得黄土边坡滑塌成为制约露天矿边坡稳定和运营安全的关键性因素之一。

黑岱沟黄土基底排土场为哈尔乌素露天煤矿外排土场，其基底主要持力层为第四系黄土层、第三系红土层及风化基岩层。各层岩性的岩石力学指标都很低，并且受上游汇水的长期浸泡，力学强度进一步弱化，成为本区基底主要的、也是最具优势、最危险的弱层。2009年12月，露天矿发现110 kV线路电杆出现侧倾(见图1)。一旦排土场发生滑坡，不仅影响生产，而且直接威胁人员设备的作业安全［1，2］。

图1 排土场坡角受水长期浸泡出现局部坍塌

本文以FLAC3D软件为分析平台，针对黑岱沟黄土基底排土场边坡进行数值模拟，从而揭示该排土场滑坡机理，确定滑坡模式，确保煤矿安全运营。

1 工程概况

哈尔乌素矿区位于鄂尔多斯高原东北部，东临黄河，矿区内除黑岱沟、不连沟、哈尔乌素沟有基岩出露外，其余均为30 m左右的第四系黄土所覆盖。由于该区气候干旱少雨，植被稀少，降雨集中，水土流失严重，地表发育以黄河为主干的树枝状的河谷和冲沟，致使台状高原被切割得沟壑纵横，地形支离破碎，异常复杂，形成具缓梁沟谷和高梁沟谷地形的沙丘地貌。哈尔乌素露天矿黑岱沟排土场属于西部地区典型的黄土基底排土场。

2 黄土基底排土场破坏因素分析

由于黄土基底排土场的特殊性，边坡滑坡前一般不易觉察，一经发现就难以避免，其规模大，滑速高的特点导致滑体似浮体一样在短时间内“飞”出很远，往往成为灾害性滑坡。因此，在分析黑岱沟排土场边坡稳定性时，应在研究内外因素的基础上，找出主要影响因素，以及它们彼此间的内在联系。

黑岱沟排土场基底介质条件较差，软弱层的赋存条件和软弱层本身的物理力学性质成为黑岱沟排土场边坡失稳的主要内因。而黑岱沟排土场上部为剥离初期的黄土，在积水入渗的情况下，黄土含水量增加，强度降低，随着排土场的大面积、高强度排弃，基底黄土内易形成演化弱层，成为边坡失稳的主要外因。

3 FLAC3D数值模拟

结合黑岱沟排土场边坡变形破坏因素的综合分析，根据FLAC3D的特点和基本原理，通过对其数值模拟，分析边坡内岩体位移、塑性区变化，揭示黑岱沟排土场滑坡机理，确定边坡变形破坏模式［3～5］。

3.1 地质模型建立

本次计算选用典型剖面GK2、GK4进行模拟计算(见图2)，模型的左右边界和底部边界分别施加水平(X)和垂直(Y)方向的位移约束，所有节点施加Z方向位移约束，从而构成位移边界条件。介质采用Mohr－Coulomb模型，以保持整个系统受力体系的平衡。

图2 地质剖面模型

3.2 计算参数的选取

岩土体物理力学参数的确定遵循以下原则:对一些关键性指标的岩体力学特性进行系统的测试研究，其力学参数基本依据试验测试结果确定;对研究中未进行试验测试的岩体物理力学指标，则主要采用工程地质类比法确定，具体物理参数见表1。

表1 黑岱沟排土场岩土物理力学性质指标

3.3 计算成果及分析

由图3、图4可知:受采矿的卸荷作用影响，临空面发生回弹变形，位移较大的位置发生在边坡较高台阶处，弱层处水平位移基本相等。模型上部位移矢量垂直向下，表现为沉降，中部位移矢量近乎与坡面平行，下部位移矢量在坡趾处剪出，其可能发生的破坏模式为排弃物内部滑动，即滑动面全部产生在排弃物中，滑面形式为圆弧破坏面。

图3 水平位移分布

图4 位移矢量

由图5可知:随着露天矿坑的开挖，边坡体朝向矿坑一侧的岩体形成临空面，约束消失，对边坡体潜在弱层起到了活化作用，在上覆岩土体的重力作用及临空面约束消失所形成的应力释放的双重作用下，将加速弱层变形发展，致使弱层处存在塑性区。若塑性区一旦贯通至坡角处，可能导致滑体沿弱层滑动，在坡角处剪出，发生“坐落滑移式”的滑动破坏，其滑动面是由软弱层面和切层部分的圆弧面组成的复合滑面。

图5 剪切应变增量

4 结论

(1)通过对黑岱沟黄土基底排土场边坡地质资料的收集、整理、分析，建立了黑岱沟黄土基底排土场边坡地质简化模型。

(2)通过对以往项目的岩土体试验研究成果进行收集、归纳、分析，采用岩土体工程地质性质类比的方法，给出了黑岱沟黄土基底排土场边坡数值模拟所用的岩土体物理力学性质指标。

(3)通过对研究区域内的2个典型剖面的数值模拟，得出如下结果:黑岱沟黄土基底排土场边坡变形破坏模式为排弃物内部滑动与底部沿基底弱层面滑动。

(4)为保证黑岱沟黄土基底排土场边坡的稳定性，建议开展滑坡治理工作，提高排土场的稳定性、保证露天矿安全生产。

［1］ 煤炭科学研究总院抚顺分院.神华准能公司黑岱沟露天煤矿西排土场增高边坡稳定性评价［R］.沈阳:煤炭科学研究总院沈阳研究院，2006，8.

［2］ 煤炭科学研究总院沈阳研究院.尔乌素露天煤矿黑岱沟排土场西部变形区边坡稳定性评价与防治技术研究［R］.沈阳:煤炭科学研究总院沈阳研究院，2010，9.

［3］ 王学志，翟 诚，毕 重，等.FLAC3D在边坡稳定分析中的应用［J］.吉林水利，2010，337(6):39－41.

［4］ 段小强，李俊鹏.基于ANSYS的黄土高边坡稳定性分析［J］.山西建筑，2010，36(12):89－90.

［5］ 阿布·里提甫.基于FLAC3D的黄土边坡稳定性分析［J］.中国煤炭地质，2008，20(9):32－35.

2011－06－14)

孙庆山(1959－)，男，辽宁北票人，高级工程师，主要从事计算机在矿山的应用开发工作，Email:mysqs@163.com。