祁有濤，張東旭，白繼元，胡德昊

（1.國家能源集團(tuán)新疆能源公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113122；4.國家能源集團(tuán)新疆能源公司 紅沙泉露天煤礦，新疆 昌吉 831100）

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展，因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)引起的邊坡失穩(wěn)或多或少的影響著財(cái)產(chǎn)損失和人身安全，需要眾多的學(xué)者專家更進(jìn)一步的研究[1]。繆海賓等[2]通過基地黃土孔隙水壓力消散實(shí)驗(yàn)，得到了孔隙水壓力及消散度與消散時(shí)間之間影響規(guī)律，基于極限平衡法和孔隙水壓力消散規(guī)律，提出了黃土基地排土場(chǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法，基于該算法，對(duì)原有靜態(tài)的黃土基地排土場(chǎng)穩(wěn)定控制措施進(jìn)行優(yōu)化，提出了“分段排土，控制強(qiáng)度，分區(qū)推進(jìn)，調(diào)整程序，監(jiān)測(cè)監(jiān)控，增大容量”動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制措施；曹蘭柱等[3]采用二維剛體極限平衡等手段對(duì)白音華三號(hào)露天礦順傾軟弱基地的內(nèi)排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行了研究，提出了內(nèi)排角度及內(nèi)排土場(chǎng)發(fā)展至不同工程位置對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響；韓萬東等[4]利用Bishop 和Spencer 2 種極限平衡法對(duì)露天礦邊坡進(jìn)行分析計(jì)算，并利用數(shù)值模擬對(duì)邊坡破壞機(jī)理及其滑坡模式進(jìn)行研究，為邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)治理提供依據(jù)，李偉[5]根據(jù)邊坡地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)地表GPS 位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了陰灣排土場(chǎng)邊坡破壞機(jī)理，確定了陰灣排土場(chǎng)滑坡治理措施及后續(xù)排土方案。

隨著不斷的深入研究，以有限元法、有限差分法、離散元法等為代表的數(shù)值計(jì)算方法在邊坡工程領(lǐng)域應(yīng)用得越來越廣泛[6-10]，為邊坡穩(wěn)定性分析提供了有效的技術(shù)手段。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 邊坡基本情況

紅沙泉露天煤礦老外排土場(chǎng)位于采場(chǎng)西北角，是建礦初期初始拉溝排棄的剝離物料，后期在露天礦建設(shè)過程中，老外排土場(chǎng)不在外排境界內(nèi)而放棄排棄，最終形成1 個(gè)高20 m 的排土場(chǎng)。緊鄰老外排土場(chǎng)南幫建設(shè)有加油站1 座，在2017 年6 月，由于雨季降水量集中，導(dǎo)致老外排土場(chǎng)南幫坡頂處出現(xiàn)裂紋，并且沿裂紋沉降高程最大處有1.1 m，嚴(yán)重威脅加油站油庫的安全。

南幫邊坡長約30 m，邊坡傾向16°，走向NE74°，邊坡高12～20 m。邊坡中的土體已經(jīng)發(fā)生輕微的破壞，沿軟弱層向臨空面方向發(fā)生了變形。

1.2 巖土體類型及結(jié)構(gòu)

1）第四系松散層。中等干強(qiáng)度，褐紅色，中等韌性，可塑，略濕，無搖震反應(yīng)。

2）侏羅系淺部風(fēng)化巖。構(gòu)造厚層狀，白灰色，變晶結(jié)構(gòu)石英巖；夾有薄層板巖，隱晶質(zhì)呈變晶構(gòu)造，厚度一般為1～10 cm 不等；短柱狀巖心，不易被擊碎，錘擊聲清脆，為較硬巖，破碎較容易，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

3）新近系碎屑巖。褐黃色或褐紅色，構(gòu)造厚層狀，變晶結(jié)構(gòu)石英巖；局部含有薄層板巖，厚度一般1～10 cm，呈變晶構(gòu)造；隱晶質(zhì)厚度一般為10～30 mm，層狀構(gòu)造；巖體結(jié)構(gòu)破碎，易被錘擊碎，碎塊狀巖心，軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

4）排棄物。略濕，褐黃色，松散，主要成分為戈壁碎石風(fēng)化巖及粉土含量，碎石呈石英質(zhì)，含量30%左右，棱角狀，粒徑一般為4～15 cm。

1.3 巖土工程參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)及原位測(cè)試、紅沙泉露天煤礦初步設(shè)計(jì)、邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及驗(yàn)算報(bào)告，并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，得出各巖土層物理力學(xué)參數(shù)及其他地基承載力。

1）排棄物。黃褐色，松散，重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)區(qū)間值為2.0～5.9 擊，標(biāo)準(zhǔn)值為3.7 擊，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)該層密度為1.80 t/m3，黏聚力為10 kPa，內(nèi)摩擦角為10°。

2）第四系松散層。紅褐色，可塑，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)區(qū)間值為5.8～12.3 擊，標(biāo)準(zhǔn)值為7.6 擊，液性指數(shù)為0.52，孔隙比為0.826，密度為1.92 t/m3，黏聚力為22.3 kPa，內(nèi)摩擦角為6.7°，地基承載力特征值為180kPa，墻底摩擦系數(shù)為0.35。

3）新近系碎屑巖。屬于較軟巖，破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)區(qū)間值為13.8～20.5 擊，標(biāo)準(zhǔn)值為17.1 擊，地基承載力特征值為400 kPa，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)該層密度為2.30 t/m3，黏聚力為30 kPa，內(nèi)摩擦角為25°，墻底摩擦系數(shù)為0.50。

4）侏羅系淺部風(fēng)化巖。屬較硬巖，較破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)，中風(fēng)化石英巖飽和抗壓強(qiáng)度為35.4～46.4 MPa，平均為37.2 MPa，地基承載力特征值為3 000 kPa，密度為2.60 t/m3，黏聚力為50 kPa，內(nèi)摩擦角為40.0°，墻底摩擦系數(shù)為0.60。

2 GeoStudio 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 模型的建立和安全儲(chǔ)備系數(shù)

GeoStudio 南幫邊坡為人工堆填形成的邊坡，選取南幫邊坡A-A′剖面為典型地質(zhì)剖面，采用極限平衡二維算法模擬軟件對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，可以反映出加油站油庫北側(cè)南幫邊坡的穩(wěn)定性情況。A-A′剖面所在邊坡基于GeoStudio 軟件建立的模型中各層代表的巖土性質(zhì)自上而下依次為：排棄物、第四系松散層、新近系碎屑巖和侏羅系淺部風(fēng)化巖。

運(yùn)用GeoStudio 模擬軟件，模擬潛在滑坡模式，計(jì)算出剖面滑坡的安全系數(shù)，判斷邊坡穩(wěn)定性，并對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，同時(shí)提出有效的防護(hù)建議[11-12]?？紤]到紅沙泉露天煤礦老外排土場(chǎng)南幫邊坡緊挨著加油站油庫，根據(jù)GB 50197—2005 煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范要求，南幫邊坡的安全儲(chǔ)備系數(shù)確定為1.3。

2.3 GeoStudio 模擬結(jié)果

剖面A-A′邊坡GeoStudio 計(jì)算結(jié)果如圖1。

圖1 剖面A-A′邊坡GeoStudio 計(jì)算結(jié)果

A-A′剖面所在區(qū)域邊坡傾角較大，經(jīng)計(jì)算得到邊坡的安全系數(shù)為0.865，因此可以判定該邊坡是極為不穩(wěn)定的，這與邊坡的現(xiàn)狀相對(duì)應(yīng)。從圖3 可以看出，A-A′剖面所在邊坡潛在滑移面位置從坡頂部位向坡腳延伸，滑坡模式為圓弧形滑動(dòng)，計(jì)算的安全系數(shù)0.865 遠(yuǎn)小于確定的邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)，因此邊坡在進(jìn)行工程活動(dòng)時(shí)是極不穩(wěn)定的，即使在自然狀態(tài)下也是不穩(wěn)定的。

3 FLAC3D 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 FLAC3D 模型

FLAC3D模型中的每個(gè)網(wǎng)格都可以被賦予不同的材料屬性，并且還可以指定變化梯度和不同材料參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布。通過FLAC3D中的網(wǎng)格生成器gen連接、匹配生成局部網(wǎng)格，可以快速的生成所需要的三維屬性結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

由于FLAC3D對(duì)于復(fù)雜的三維模型的建模較為困難，因此采用CAD 建模，ANSYS 劃分單元與節(jié)點(diǎn)，再將單元節(jié)點(diǎn)信息導(dǎo)入FLAC3D生成模型進(jìn)行數(shù)值模擬的方法對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析[13-15]。

選擇A-A′剖面所在邊坡作為模擬對(duì)象，建立FLAC3D模型，其側(cè)視圖尺寸與基于極限平衡法的GeoStudio 中建立的模型尺寸相同。模型的坡面為自由面，模型假設(shè)水平和垂直位移均為0；建立的模型的頂部和坡面均無約束條件，視為自由邊界。

3.2 FLAC3D 模擬結(jié)果

A-A′剖面邊坡FLAC3D模擬結(jié)果如圖2 。

從最大位移矢量圖2（a）中可以看出，邊坡體最大位移為3.94 m；從二維位移云圖2（b）與剪切應(yīng)變?cè)隽繄D2（e）可以看出，邊坡的滑坡模式為圓弧滑動(dòng)，滑坡圓弧沿邊坡體坡頂延伸至坡腳；邊坡體的潛在滑移模式為下部土體（或巖體）的滑動(dòng)牽引上部土體（或巖體）滑動(dòng)，從而使邊坡產(chǎn)生潛在的滑動(dòng)；在自重作用下，邊坡巖體沿軟弱層向臨空面發(fā)生大變形。

通過分析垂直應(yīng)力云圖2（c）與水平應(yīng)力云圖2（d）可以看出，垂直應(yīng)力主要在自重應(yīng)力的作用下，隨著埋深的增加垂直應(yīng)力近線性增加；而水平應(yīng)力也是隨著埋深的增大而呈近線性增大，在坡腳處出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中，這也是造成邊坡發(fā)生破壞的重要因素；隨著邊坡體軟弱層破壞范圍增加，使得邊坡穩(wěn)定性下降，從而邊坡發(fā)生破壞。

運(yùn)用數(shù)值模擬軟件計(jì)算的邊坡安全系數(shù)為0.86，與極限平衡法所得安全系數(shù)0.865 基本一致，且A-A′剖面所在邊坡的潛在滑移面位置和滑坡模式也基本一致相同，說明邊坡是不穩(wěn)定的。

4 邊坡的治理

由于該邊坡屬于人工堆填而形成，且邊坡由于排棄物厚度太大，采取削坡挖方的方式進(jìn)行治理工作量太大，也不夠經(jīng)濟(jì)。因此，對(duì)于該邊坡采用擋土墻的方式對(duì)邊坡進(jìn)行治理，綜合考慮坡體的高度、邊坡傾角和穩(wěn)定性分析結(jié)果，選取擋土墻中最簡單的處理方式重力式擋土墻對(duì)邊坡進(jìn)行治理，設(shè)計(jì)的重力式擋土墻的模型如圖3 。

圖3 重力式擋土墻模型

擋土墻的材料采用毛石混凝土，根據(jù)設(shè)計(jì)的擋土墻，結(jié)合邊坡實(shí)際情況，進(jìn)而對(duì)治理后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。

抗滑驗(yàn)算如下：

擋土墻的截面面積A=5 m2。

式中：b1為墻頂上部寬度為b1=1 000 mm；b2為基地寬度，b2=1 500 mm；H 為整個(gè)擋土墻的高度，H=4 000 mm。

擋土墻每1 m 寬的自重G=110 kN。

式中：ρd為擋土墻的密度，ρd=2.2 t/m3；g 為重力加速度，m/s2。

每米寬的填土形成的主動(dòng)土壓力Ea=34.85 kN。

式中：ψc為土壓力增大系數(shù)，ψc＝1.1；ρ 為填土密度，ρ=1.8 t/m3；ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)，ka＝0.22。

抗滑穩(wěn)定性系數(shù)ks=1.58。

式中：Gn為擋墻自重沿基底法線方向分量，Gn=Gcosα；Gt為擋墻自重沿基底平行方向分量，Gt=Gsinα；Ean為主動(dòng)土壓力沿基底法線方向分量，Ean=Eacosα；Eat為主動(dòng)土壓力沿基底平行方向分量，Eat=Easinα；μ 為基地土摩擦系數(shù)，μ=0.5；α 為自重與基底法線方向的夾角，α=0°。

由于計(jì)算所得的安全系數(shù)為1.58，大于所需安全按系數(shù)1.3，所以按設(shè)計(jì)的重力式擋土墻能夠滿足邊坡抗滑的要求。

抗傾覆驗(yàn)算如下。

主動(dòng)土壓力作用點(diǎn)距墻背底端高度z=1.33 m。

主動(dòng)土壓力作用點(diǎn)距墻趾底端高度zf=1.33 m。

擋墻截面形心距墻趾底端水平距離x0=0.866 m。

式中：S 為擋墻截面對(duì)通過墻背底端豎軸的靜距，S=3.17 m3。

主動(dòng)土壓力作用點(diǎn)距墻趾底端水平距離為xf=1.50 m。

抗傾覆安全系數(shù)Kt＝1.82≥1.6。

式中：Eax=Eat；Eaz=Ean。

計(jì)算得到的抗傾覆安全系數(shù)大于所需的安全系數(shù)，所以設(shè)計(jì)的重力式擋土墻滿足抗傾覆的要求。

承載力驗(yàn)算如下：

修正后的地基承載力特征值fa＝194.4 kPa。

式中：fak為地基承載力，取180 kPa；ηb為擋土墻寬度修正系數(shù)，取0.3；ηd為埋深修正系數(shù)，取1.6；b為基礎(chǔ)地面寬度，取3 m；d 為擋土墻埋深，d=1 000 mm。

作用在基礎(chǔ)底面法線方向的每1 m 總作用力F=110 kN。

軸心荷載作用時(shí)，基礎(chǔ)底面的平均壓力值pk=73.3 kPa。

式中：B 為基礎(chǔ)底面寬度，B=b2；fa為地基承載力，fa=194.4 kPa。

擋墻自重及土壓力的合力在基礎(chǔ)底面的偏心距e=0.36 m，小于=0.375。

由此，可以看出偏心距也滿足要求。

擋墻自重及土壓力的合力在基礎(chǔ)底面產(chǎn)生的偏心力距M=39.6 kN·m。

偏心荷載作用時(shí)，基礎(chǔ)底面的最大壓應(yīng)力值pkmax=178.9 kPa，小于1.2fa=233.28 kPa。

地基承載力也滿足邊坡穩(wěn)定性要求。綜合對(duì)治理后的邊坡抗滑移、抗傾覆和地基承載力的驗(yàn)算，經(jīng)驗(yàn)算可知處理后的邊坡滿足邊坡穩(wěn)定性的要求，即設(shè)計(jì)的重力式擋土墻可以使邊坡穩(wěn)定。

5 結(jié)語

1）從邊坡的潛在滑移面位置的來看：極限平衡法和FLAC3D模擬這2 種方法得到的邊坡潛在滑移面位置基本一致，A-A′剖面所在邊坡潛在滑移面位置從坡頂延伸到坡腳位置。

2）極限平衡法得到邊坡安全系數(shù)為0.865，基于FLAC3D的模擬出邊坡中土體的最大位移為3.94 m，綜合這2 種分析方法得到的結(jié)果來看，南幫邊坡是不穩(wěn)定的，容易產(chǎn)生滑動(dòng)。

3）對(duì)于A-A′剖面所在邊坡的治理方案為：采用由毛石混凝土為材料的重力式擋土墻，擋土墻頂寬為1.00 m，基地寬為1.50 m，高為4.00 m，埋深為1.00 m，持力層選擇為粉質(zhì)黏土層，擋土墻位置為邊坡坡腳位置。經(jīng)驗(yàn)算，經(jīng)過治理后的邊坡滿足穩(wěn)定性要求。