含多层级软弱互层的露天矿边坡稳定性优化

张 禹，吕文伟

（国家能源集团中国神华能源股份有限公司哈尔乌素露天煤矿，内蒙古鄂尔多斯 010300）

为开采特定位置的矿产资源，露天矿山往往不可避免的要克服包含软弱层、断层等在内的诸多不良地质结构，因此产生过一些典型的滑坡案例。如扎哈淖尔露天煤矿[1]、黑山露天矿西帮[2]、胜利露天煤矿[3]、白音华一号露天煤矿[4]等大型露天矿滑坡事故均是在弱层等因素的作用下发生的。为了减少这类事故的发生，边坡安全工程领域技术人员已经开展了一系列卓有成效的工作，王东等[5]分析了断层位置对露天矿顺倾层状边坡稳定性的影响，基于极限平衡理论，推导出顺倾层状边坡分条稳定系数表达式；曹兰柱等[6]对含多弱层的复合边坡的稳定性规律和破坏机制进行了数值模拟分析，揭示了多弱层对复合边坡的失稳破坏及稳定性的影响；李晓俊等[7]通过边坡勘察及室内试验，查清边坡的工程地质及水文地质条件，尤其是软弱层情况，对弱层边坡进行稳定性分析评价，并提出相应的治理措施。软弱地层与水、震动、边坡形态等因素耦合的工程问题复杂多变，是目前边坡工程领域研究的热点之一。

1 稳定性层级优化方法

在含有多层级软弱互层的边坡体系中，是否发生滑坡取决于2 点：一是弱层力学强度以及其赋存产状与坡面的空间关系构成；二是弱层上覆岩土体载荷值是否达到弱层产生形变的极限。

对于露天矿边坡而言，采剥工程发生的挖方量会直接破坏地层原始应力场的平衡状态，改变软弱互层承受载荷的分布，甚至会使弱层直接暴露在边坡临空面一侧，从而诱发采场底部境界鼓起甚至边坡失稳现象的发生。在采剥工程进行时，技术设计人员很难通过控制弱层力学强度来维持边坡稳定。但可以利用挖方工作改善弱层承受载荷的情况，实现维持边坡稳定的目的。故对于含有多层级软弱互层的边坡，可按照空间自上而下的顺序，逐层优化各级弱层载荷分布，使各层级弱层上的边坡岩土体达到稳定。

1.1 传递系数法

传递系数法或称剩余推力法，是边坡安全工程领域内广泛应用的一种滑坡稳定性分析方法。传递系数法的一般表达式如式（1）。

式中：Ψi为第i 条块的推力传递系数；Ei为第i条块的剩余推力，kN；Wi为第i 条块的质量，kg；αi为第i 条块的滑面倾角，（°）；φi为第i 条块的滑面摩擦角，（°）；Ci为第i 条块的滑面黏聚力，kN；Li为第i条块的底面长度，m；k 为安全系数。

含有软弱互层的边坡岩体发生滑坡，往往是因为弱层岩体在水或震动的影响下强度大幅下降，并在上覆岩体荷载的作用下发生形变，牵引边坡岩体整体滑动。但在滑动产生前，滑体仍可视为理想的刚塑材料，这与传递系数法的基本假设相适应。同时考虑到该法计算的简便性与适合分析复杂滑动面的特性，选择该法作为稳定性层级优化方法。

1.2 优化步骤

首先应查明边坡岩体内软弱互层的力学指标及赋存形态。然后根据弱层的分布特征将边坡岩体划分为多个研究区段，依据安全储备系数要求，对空间上位置靠上的区段进行稳定性优化，优化后再验算其对位置相对靠下区段稳定性的影响。如此反复验算，直至所有区段边坡岩体稳定性取得最终优化结果。优化步骤如图1。

2 边坡稳定性分析

白音华煤田位于大兴安岭以西煤盆地范围内，所处区域地层岩性相对复杂，常见有强亲水性、较高黏塑性的软弱互层赋存，是这一区域内露天煤矿地质灾害频发的主要诱因，具有典型的研究价值。以白音华4#露天煤矿某一工程时期产生滑坡后的东帮边坡为研究对象，应用稳定性层级优化方法研究。帮典型剖面地层分布如图2。

图1 优化步骤

图2 典型剖面地层分布图

2.1 边坡地质条件

边坡自下而上由下白垩统白音华组（K1b）、第三系（N）、第四系（Q）地层以及地表排弃物料组成。其中下白垩统白音华组以煤、泥岩、中粗砂岩、细砂岩为主，赋存有5 个软弱层。第三系由碎屑岩、砂砾岩、泥岩、黏土组成，赋存有1 个软弱层。第四系由砾石、砂土、淤泥层组成。边坡高度约100 m，边坡角11°，台阶坡面角70°，边坡安全储备系数为1.2。各地层岩土体物理力学指标见表1。

2.2 优化方法应用

通过工程推演可以发现，随着剥采降深工作的进行，1#～5#弱层层面将进一步接近临空面，其上部压覆岩层的厚度也将变得更加薄弱，导致采场底部境界弱层层面承受载荷减小。此时三、四系边坡区段载荷易推动弱层滑移，使采场深部境界发生鼓起，甚至存在滑体在某一最薄弱的位置剪出的可能性。此外，第三系岩层底部存在一定层位的软弱层，已暴露在边坡临空面一侧，存在发生剪切滑动的可能。故将三系底部6#弱层作为分界，将东帮边坡分为2 个研究区段。

表1 岩土体物理力学指标

2.2.1 第三系地层以上边坡稳定性优化

第三、四系岩体均为力学性质较软弱的岩层，6#弱层对边坡稳定有较大影响。通过调整平盘参数，调整边坡角，反复试算得出这一区段的稳定边坡角在23°以下。三系地层以上区段边坡稳定性试算结果如图3。

图3 三系地层以上区段边坡稳定性试算结果

2.2.2 第三系地层以下边坡稳定性优化

在上步计算结果的基础上，分析其对三系地层以下区段边坡稳定性的影响。三系地层以下区段边坡稳定性试算结果如图4。

图4 三系地层以下区段边坡稳定性试算结果

首先验算其对1＃弱层的影响，稳定性计算结果为1.04，如图4（a），不满足安全储备要求。这说明上三系以上区段边坡坡脚若设在煤层底板出，则其载荷将推动1＃弱层层面产生滑动并使滑体在抗剪段最薄弱位置剪出。故移动边坡坡脚至1＃弱层与第三系底板交界处，以此减小三系以上区段对1＃弱层的载荷，再次进行稳定计算结果为：1＃弱层在仅有自身载荷的情况下上部岩体的稳定性系数为1.22；2＃弱层在三系以上区段载荷下边坡整体稳定性系数为1.23；3＃弱层在三系以上区段载荷下边坡整体稳定性系数为1.49，如图4（b）～图4（d）。这些数据表明：三系以上区段边坡移设坡脚位置后产生的载荷分布对三系以下区段而言是稳定的，至此2 个区段边坡稳定性优化结束，得到了最优边坡形态。

从计算过程中得出：随着假想底滑面赋存深度的增加，其抗剪段厚度也将增加，尽管弱层承受的载荷在增大，但最终对应的稳定性系数是增大的。这说明抗剪段厚度是深部境界是否产生变形的主控因素。

3 数值模拟验证

传递系数法具有计算简便、适用于复杂滑动面稳定性计算等优点。但在其运算过程中设置有较多的假设条件，产生的计算结果存在与工程实际偏差的可能性。同时，由于计算原理上的限制，这类传统的条分法不能考虑到边坡岩层内的弹塑性变形，无法达到研究边坡岩体位移情况的目的。日益成熟的数值模拟技术不仅能真实地模拟边坡岩体内部应力-应变关系，说明边坡岩体的滑移模式，同时也可以追踪边坡岩体内关键形变位置的各项数据[8]。基于强度折减法，应用岩土工程分析软件FLAC3D对多层级软弱互层条件下的边坡稳定性优化结果进行了数值模拟验证。

以图4（d）最终优化边坡形态建立的数值模型如图5。模型高度260 m，长度834 m。边界条件为：模型坡面为自由边界；禁止底部边界面产生垂直位移；禁止模型左右两侧界面发生水平位移。自重加载作为加载方式。模拟运算后得到的位移云图、剪切应变增量图如图6 和如图7。经过25 000 步时的折减运算后，得到了边坡稳定性系数为1.22 的计算结果。

图5 数值模拟模型

图6 位移云图

图7 剪应变增量发展图

由图6 可以清晰的看出边坡整体的变形破坏趋势：由于三系底板弱层的作用，排土场、第四系、第三系地层边坡岩体后在6#弱层层面产生滑动，并于弱层出露位置滑出；深部境界岩土体在东帮、排土场载荷及多层软弱层的共同作用下也产生了一定的滑移变形，其变形量随着各弱层赋存深度的不同展现了明显的梯度，体现出了深部境界产生地鼓的趋势。位移云图展现出的边坡变形趋势与传递系数法计算的各级软弱互层稳定性系数结论相吻合。

图7 呈现了边坡剪切应变增量随折减步时发展的动态过程，由图7 可以得知：随着持续的折减，边坡体内各个潜在的滑动面将被激活，其层面上的剪切应变增量的数值和分布范围也将扩大，剪切应变分布的范围逐渐呈现出更加贯通的趋势。从距临空面距离的角度上，由近及远，各滑动面上的剪切应变增量呈减小趋势，如图7（d）。不同层位弱层内的滑动面的剪切应变增量在数值上呈现出了一定的梯度，且这一梯度随着折减的进行更加明显。这说明各个弱层被激活为滑动面的难易程度是不一样的，简言之即距离临空面越远，弱层越不易产生剪切错动，进而由对应弱层作为底滑面的变形滑动越难发生。这与由位移云图分析出的结论一致，并与传递系数法计算得出的结果相互印证。

4 结语

针对含有多层级软弱互层的边坡，给出了边坡稳定性层级优化方法的详细步骤。通过调整层级软弱互层的上覆载荷分布，控制弱层到边坡临空面距离，对工程实例进行了方法的应用，取得了良好的优化效果。