软弱夹层对某矿山边坡稳定性的影响分析

范 昊 肖诗荣 魏瑞琦 张 浪

（三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002）

地质灾害是指在自然或人为因素的作用下形成的,对人类生命财产造成损失,对环境造成破坏的地质作用或地质现象.我国地势西高东低,以阶梯状的形式分布.拥有大量地形不利的山区,加之每年梅雨、强对流等恶劣天气的影响,使得滑坡成为当前地质灾害中发生频率最高的一种,因其极高的破坏性、瞬时性、不可预防性、次生灾害多发性等特点[1],对国内外露天矿山的开采、工农业生产以及交通和人民生命财产带来了严重威胁.

现有成果表明,软弱夹层对边坡的稳定性起到了关键性的作用,孙宁新等[2]指出爆炸应力波在软弱夹层界面发生反射,加剧部分岩体的破坏程度.张社荣等[3]基于Smrma极限平衡法和有限元强度折减法以多层软弱夹层边坡为研究对象探讨了不同的岩层倾角、边坡坡脚和结构面间距的岩体破坏机制的变化规律.刘汉香等[4]则采用了对比试验研究有无软弱夹层对斜坡稳定性的影响,结果表明含软弱夹层的斜坡变形破坏程度大于不含软弱夹层的斜坡.有的学者通过数值模拟的方法对边坡的稳定性进行了分析,陈观明[5]基于FLAC3D 对含泥质软弱夹层顺层岩质边坡进行了数值模拟建模、计算与分析,得出顺层结构面软弱夹层滑动带塑性区范围较大,易产生滑移.王永升等[6]通过数值模拟对抚顺西露天北帮边坡分析得出软弱夹层、断层以及矿震的影响会对边坡表坡局部产生较大的变形.

本文采用矩阵离散元模拟系统Mat DEM[7],软件结合矩阵运算和高性能GPU 计算,以兴山县塘垭石灰岩矿山边坡为例,在其它因素条件相同下,分别对含有软弱夹层和不含软弱夹层的边坡模型开挖过程的对比计算研究,分析了软弱夹层对塘垭矿山边坡开挖稳定性的影响,为采区边坡的安全性评估提供了依据.

1 矿山开采过程中边坡稳定性工程地质分析

在对塘垭矿山含软弱夹层边坡进行开挖的过程中,软弱夹层作为边坡岩土体中的不连续软弱结构面极易造成岩土体的剥落与风化,软弱夹层的蠕动变形会导致边坡发生失稳现象,如崩塌或者滑移.软弱夹层与周围相邻岩层相比,结构面厚度小、不连续、变形模量和抗压强度较低是其最大的缺点.

1.1 研究区基本工程地质概述

图1 边坡出露的软弱夹层S2

塘垭矿山位于兴山县城西南约28 km 处,矿区数十年的露天开采已形成最高达134 m 的高陡边坡,坡顶高程最高1 160 m,坡脚平台为1 026 m 高程.矿山边坡整体呈东高西低,走向近南北向,倾西,总长约500 m;边坡岩体为石灰岩,属顺向坡,区内地下水主要由大气降水沿溶蚀裂隙渗入补给.

该边坡存在多处软弱夹层,为层间错动形成,一般存在溶蚀现象,含黏土、岩屑、碎块,主要分布于1 026 m 平台至1 104平台,坡面可见长度一般40～70 m,较长者约100 m,高程上分布疏密不均,坡面编录揭露的垂直间距较密者一般3～10 m,主要集中在边坡中部.经测量,1 038～1 076平台区域存在一条长约110 m 的典型软弱夹层S2发育于中厚层灰岩中,连通率为67%,产状270°∠34°,面较平,见有走向N20度E 向的擦痕和阶步,显逆冲.夹层包含方解石、黏土夹碎屑、泥灰质薄片岩（局部风化成碎片）.

图2 矿山边坡地质剖面图

1.2 软弱夹层导致矿山边坡变形破坏特征

1.2.1 边坡块体变形

数十年的开采矿山已形成100 m 以上的高陡边坡,由于未进行加固支护,导致矿山出现层间软弱错动带为底滑面的较多不稳定块体,同时岩体会朝着软弱面进行屈服,顺着劈理、层理的方向在没有裂纹和裂隙的岩层面产生裂隙,或者使原先的裂隙进一步加宽、加大,最终块体底滑面变形失稳.以S2软弱夹层为底滑面的块体可分为两种,典型变形块体可见表1.

表1 典型块体分布特征表

1.2.2 边坡失稳破坏特征

由于矿山边坡性质的劣化,导致边坡不利块体出现失稳,边坡出现下滑等破坏现象.

平台局部下沉与滑移:由于边坡块体的滑移或蠕变位移,导致边坡多处平台马道产生局部下沉和滑移缺失;1）①号块体滑体后缘被反倾裂隙切割,在自重作用下,①号块体沿着层面产生滑移,破坏模式为平滑型滑动,滑移机制如图3（a）所示;2）1 076 m 平台由于坡体表面风化程度高,岩体结构松散,坡体整体沿着坡内存在的顺层软弱结构面S2产生整体滑移,破坏模式为平滑型和崩塌型的综合,已造成长达40 m的滑塌,如图3（b）、3（c）所示;3）根据顺层层间错动带发育规模、连通率等情况,高程1180～1076 m 存在一个深层不利组合块体,其组成深层块体底滑面为S2,由于矿山边坡在分级开挖过程中,临空面周围的岩体发生卸荷回弹,引起应力集中等现象.

平台开采缺失:由于边坡岩体中存在顺坡向层间错动带及顺坡反倾切割结构面,构成顺坡不利块体,导致开采开挖过程中,边坡平台马道上出现大量的残缺现象,造成局部平台完全缺失,如图3（d）所示.

图3 边坡变形破坏特征示意图

2 边坡稳定性数值分析

2.1 离散元基本原理

离散元基本思想起源于Cundall等[8]在岩体变形破坏工程的研究中,它是解决不连续介质问题的一种主要数值模拟方法.离散元法可以动态地模拟岩土体的滑动、变形、断裂与破坏,所以可以有效处理富含软弱夹层、节理、滑移以及大变形的工程问题,广泛应用于开挖、岩土、构造等领域[9-11].

在颗粒离散元Mat DEM 中,模型是由一系列遵循牛顿运动规律的弹性颗粒,通过堆积胶结颗粒来代表各种岩土体材料.本文模拟矿山开挖过程所采用的离散单元间通过弹簧力相互作用的接触关系可以表示为[12]:

其中:Kn为正向劲度系数;Xn是法向相对位移;Ks为切向劲度系数;Xs为切向相对位移;Fs0为粒间初始抗剪力;μp为粒间摩擦系数;Fn为正向力;Fs为切向力.

2.2 离散元能量转换过程

在地震传播衰减,摩擦热产生以及岩土体的滑移与变形等领域,离散元能量计算为其提供了一个新的手段[13].离散元中的能量主要包括机械能和热能,其中机械能包括动能、弹性势能和重力势能,单元颗粒间的法向和切向弹簧应变能的总和为弹性势能.在数值模拟过程中,机械能可以通过这3种形式实现相互转换,并可以在断裂、阻尼和摩擦的作用下,转化为热能[14].热能包括阻尼热、断裂热和摩擦热,总热量是三者之和.在数值模拟中,热量的累积和计算则是在每个时间步中通过时间步迭代计算而来,从而可以实现离散元系统的能量守恒.

2.3 模型参数

根据塘垭矿山勘察资料,利用矩阵离散元建立该边坡的计算模型,为了讨论软弱夹层对边坡开挖的影响,同时也建立了一个不含软弱夹层的计算模型进行对比.计算所采用的参数见表2.

表2 模拟中采用的两种材料力学参数

2.4 分步开挖下的边坡计算结果分析

塘垭水泥灰岩矿山采用边开挖边扩帮的方法,为了便于分析,分3步分别对block1、block2、block3边坡进行开挖计算（如图4所示）.下面就这3步开挖过程,分别使用含软弱结构面和不含软弱结构面这两种模型进行计算分析,比较不同模型下的x方向位移、位移矢量和热量的变化,分析在有无软弱夹层的情况下分步开挖对边坡的影响状况.

图4 分步开挖示意图

1）x方向水平位移分析

对不含软弱面的边坡依次按照block1、block2、block3三步开挖,开挖后根据x方向水平位移图（图5（a））分析发现,每一次开挖后,水平方向水平位移都会向边坡临空面数值发生变化,变化区域主要发生在1080～1 160 m 高程处.block1开挖完成后,x方向最大位移为0.003 m;block2开挖完成后,x方向最大位移为0.005 m;block3开挖完成后,x方向最大位移为0.011 m.随着边坡的开挖,x方向水平位移会稍有变化,但变化幅度较小.

对含有软弱面的边坡按照block1、block2、block3三步开挖,观察x方向水平位移图（图5（b））分析发现,每一步开挖后,所产生的水平方向位移都会比不含软弱面边坡开挖的水平位移大,x方向水平位移主要集中在软弱面的上部区域.block1开挖完成后,x方向最大位移为0.006 m;block2开挖完成后,x方向最大位移为0.012 m;block3开挖完成后,x方向最大位移为0.025 m.对此可以看出,开挖会引起水平方向位移产生较大的变化.

图5 边坡x 方向水平位移图

研究分析表明:在分步开挖的位置、步骤都相同的情况下,有无软弱夹层,对边坡水平方向位移影响较大,因为软弱夹层的存在,含有软弱面的边坡所产生的水平方向位移变化量明显高于不含软弱面边坡的位移,位移最大增幅达到了140%,详见表3.

表3 边坡位移量对比表

2）位移矢量分析

随着分步开挖的进行,当边坡中没有软弱面时,观察位移矢量图（图6（a））可以发现,边坡位移方向指向开挖处以及边坡外侧,block1开挖完成后边坡最大位移为0.007 m;block2开挖完成后边坡最大位移为0.014 m;block3 开挖完成后边坡最大位移为0.018 m.分步开挖对边坡整体位移的影响较小,且位移相对集中于开挖区域.

当边坡中含有软弱面时,从整体位移矢量图（图6（b））可以看出,边坡位移的方向指向坡面外侧,位移最大值出现下部软弱夹层与开挖坡面之间形成的滑体部分,主要集中在1 080～1 160 m 的区域,随着边坡高程从高到低,整体位移和分步开挖的位移变化量也出现变大的趋势,在下部软弱面的上方出现了大量的位移集中现象.block1 开挖后边坡最大位移为0.013 m;block2 开挖后边坡最大位移为0.028 m;block3开挖后边坡最大位移为0.045 m.

图6 坡位移矢量图

对比分析表明:分步开挖对含有软弱面的边坡整体最大位移值和变化量均有较大的变化,不含软弱层边坡总位移量最大有0.018 m,含软弱层边坡的总位移量可达到0.045 m,且会造成大量位移集中在软弱面的现象.软弱夹层的存在对边坡稳定性造成一定的影响,使边坡产生滑移、滑落的可能.

3 边坡开挖热量分析

由于摩擦、散射等因素的作用,弹性波在颗粒间传播时,部分机械能会逐渐转化为热能[13].在离散元计算当中,模型会通过阻尼来减轻计算过程中所产生的弹性波,并消耗离散元系统中的动能[15].在断裂连接状态下,当外力超过颗粒间最大剪切力时,两个颗粒开始滑动,阻尼热即为颗粒所受阻尼力与颗粒位移的乘积[7].通过离散元数值模拟,精确地观察矿山在分步开挖过程中热量的产生,可根据矿山内部热量场的分布特征直观地反映各位置的情况.

为了便于观察,将热量分布区间改为0～300,不同的颜色代表表热量值的大小,红色区域热量值最高.通过对比两种模型的热量特征分布图（如图7所示）,可以发现,在不含软弱夹层边坡中分步开挖所产生的热量区域较小,一般仅在开挖面处能看见红色高亮区域.在含软弱夹层边坡中,从开挖初期可以看见,软弱层附近形成热量值较高的区域,这一部分的单元颗粒承受了较大的压力,因此产生的热量也较多.在开挖的中期,红色带状高热量区域逐渐充斥于软弱层和开挖面之间.在开挖的后期,高热量区域变多且热量带无明显位移,但热量带两端延伸至开挖的坡脚和坡顶处.

图7 边坡热量分布图

不难发现,软弱夹层的存在会使坡体开挖过程中产生较大的热量,岩土体温度也随之升高.产生的高温会迅速气化岩土体中的水分,使得孔隙压力增大而有效应力减小,同时热压力也随之产生.若温度过高,可能会改变岩土体的力学性质,如降低滑带抗剪强度,甚至是岩土体的矿物成分,黏土矿物、伊利石、蒙脱石石化,对工程开挖产生会较大的影响,块体失稳危险性也随之提高.

4 结论

日常实践中普遍存在含软弱夹层的矿山边坡,其力学性质和稳定性均比不含软弱夹层边坡差,本文分别从工程地质角度和离散元数值模拟两个方面进行了分析.

工程地质分析表明软弱夹层会对矿山边坡产生变形破坏,并以软弱夹层为底滑面生成浅层块体和深层块体,块体的失稳造成边坡产生下沉、滑移等,局部块体在开采过程中会出现平台缺失等现象.

基于颗粒离散元MatDEM 软件数值模拟分析表明:

1）位移方面:在分步开挖条件下,不含软弱夹层边坡x方向水平位移和位移矢量变化较小,含有软弱夹层边坡x方向水平位移和位移矢量变化量较大,增幅达到了一倍以上.且在软弱夹层和开挖坡面间出现大量位移集中的现象,说明位移变化区域受软弱夹层影响显著.

2）热量方面:通过热量分布图可以很好地反映在开挖下矿山内部热量的分布情况,含有软弱夹层的边坡中,在软弱面附近会形成带状的高热量区,并随着开挖向前扩展.随着软弱面处热量的变大,其温度也随之升高,一方面,岩土体的力学性质和矿物成分可能会发生改变,另一方面黏聚力和内摩擦角等力学性质随着温度的变化也会发生变化,降低软弱夹层抗剪强度.以上分析表明软弱夹层是边坡在开挖工程中一个十分敏感的影响因素,造成诸多不利的失稳现象,危害工程安全.