渗流作用下露天煤矿边坡稳定性数值模拟研究

2014-03-26赵玉成刘家成李敏妙

武汉科技大学学报 2014年4期

王明，赵玉成,2，刘家成，苏海，李敏妙

(1.中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州，221116 2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州，221116)

边坡的稳定性是露天矿安全开采的重要保障。因边坡失稳造成的地质灾害严重影响正常的采矿作业，威胁人员和设备的安全，造成巨大的经济损失[1]。复杂的区域构造背景、力学性质薄弱的岩性是导致抚顺西露天煤矿边坡失稳的重要因素，而渗流的作用更不可小觑。抚顺西露天煤矿开采过程中，其生态系统被破坏，地下水及雨水的渗入，一方面会溶解岩体中的部分可溶物质，使土体抗剪能力变差，另一方面水在岩体中运动时会产生渗透力作用在土体上，使边坡岩体发生平面破坏、楔形破坏、圆弧破坏和倾倒破坏，对边坡稳定性造成不利影响。2005年“8·13”强降雨造成抚顺西露天煤矿北帮出现两条巨大的地裂缝，其重要原因之一就是水的作用[2]。

目前，对水的作用下煤矿边坡稳定性研究中，大部分考虑的是水对土体中物质成分产生影响，使土体抗剪能力变差，导致边坡失稳。韩占占[3]曾用Morgenstern-Price法来确定边坡安全系数，为露天煤矿边坡稳定性分析提供科学依据，但其并没有考虑水流动产生的渗流力影响。本文以抚顺西露天煤矿均质土坡为对象，在考虑渗流作用的情况下，利用有限元分析软件ANSYS对露天煤矿边坡的内部应力、位移和安全系数进行研究，以期为预防露天煤矿矿坑的边坡破坏及制定滑坡治理方案提供参考。

1 渗流对边坡失稳的影响

1.1 静水压力的影响

静水压力对岩体性质产生影响。当水向下渗透进入岩体内的空隙和裂隙时，土体含水量增大，土体容重和孔隙水压力也随之增大，而有效应力随之减小，从而引起剪应力的增大和土体抗剪能力的降低。

1.2 动水压力的影响

水在土体中流动时会摇曳土粒而对其稳定性带来不利影响。水流加于土体的力称为渗透力，将单元渗透力分解到直角坐标系中[4]：

(1)

(2)

式中：Px、Py为单元渗透力；h为水头函数；V为单元体积；νw为水的容重；νwV为单元所受的浮力。当坡面有水出流时，水流动产生的渗透力作用于土体，这种力相当于外部施加一种水平推力，使土体内部应力分布发生改变，对边坡稳定性极为不利。

2 露天煤矿边坡稳定性的数值模拟

2.1 数值模型的建立

本文利用有限元分析软件ANSYS对露天煤矿边坡稳定性进行数值模拟分析。抚顺西露天煤矿某均质土坡如图1所示，其坡高为18 m，坡角为53°，土体天然密度为1827 kg/m3，饱和重度为21 kN/m3，黏聚力为25 kPa，内摩擦角为18°，土体孔隙率为0.3。边坡土体等效为各向同性连续介质，其渗透系数为0.14 m/d，弹性模量为30 MPa，泊松比为0.25。

图1 边坡示意图Fig.1 Schematic diagram of the side slope

渗流分析的边界条件为：区域底面为不透水面，边坡表面为可能逸出面边界，右侧施加17 m水头，左侧施加10 m水头。稳定计算边界条件为：左右两侧水平约束，下部固定，上部为自由边界。

为了进行对比分析，本文同时还建立了没有施加渗流力的有限元模型。

2.2 数值模拟与分析

2.2.1 自由面的确立和水力坡降分布规律

均质边坡由于水头差的存在而产生稳态渗流场，渗流场对边坡的应力场和位移场都有很大的影响。在进行渗流场分析时采用整体建模方式。由于自由面上下的渗透系数不同，故首先采用改进的单元渗透系数调整法来迭代计算求解自由面，然后选择单元属性为平面四边形四结点单元(plane55)，一次性划分所有单元，并赋予不同的材料属性，最后进行求解。

通过改进的单元渗透系数调整法得到的边坡自由面如图2所示。边坡的渗流量分布如图3所示。结合图2和图3可以看出，自由面以上的区域没有渗流场，在自由面上总水头保持不变，自由面以下是渗流场分布区域，计算得到浸润面逸出点的坐标为(13.36，14.48)。由图3还可以看出，在坡脚处渗流量非常集中，易引起流土现象。

在渗流场中定义一条路径P1，将水力坡降值映射到这条路径上，如图4所示。

路径P1上的水力坡降值如图5所示。由图5可以看出，路径P1上的水力坡降分布规律是：沿着渗流的方向水力坡降值逐渐增大，即越接近坡脚处，水力坡降值越大。由此可推知，当发生渗流滑坡时最容易从坡脚处开始破坏，然后才会慢慢扩展到整个边坡。因此，在防止边坡滑移时，对坡脚部分进行处理是一种行之有效的措施。

图2 渗透压分布图Fig.2 Distribution contour of osmotic pressure

图3 渗流量分布图Fig.3 Distribution contour of seepage flow

图4 路径P1Fig.4 Route P1

图5 路径P1上的水力坡降Fig.5 Hydraulic gradient on route P1

2.2.2 边坡的内部应力和位移

用ANSYS完成渗流场分析后，通过后处理程序可以求得单元(本文取四节点单元)上各节点的水头梯度值，根据式(1)和式(2)进而可求得单元上的平均渗透力，将单元渗透力转化为等效结点荷载来分析，实现渗流场和应力场的间接藕合，获得边坡的各种应力分布情况。图6为有渗流和无渗流两种情况下的边坡切应力τxy分布云图。

由图6可知，渗流场使边坡应力场得以重新分布，在自由面以下存在渗流，应力场发生很大的变化；在自由面以上无渗流，应力场变化不大。从τxy云图中还可以看出，在无渗流和有渗流两种情况下，坡脚处都存在很大的剪应力，此处最容易产生剪切破坏。

(a)有渗流

(b)无渗流

图6边坡切应力τxy分布云图

Fig.6Shearstressdistributioncontoursofthesideslope

位移的大小直接反映边坡变形与破坏的趋势，通过ANSYS强大的后处理功能可以得到两种情况下的边坡位移，如表1所示。

表1 边坡位移Table 1 Displacement of the side slope

由表1可见，沿x轴负方向，有渗流作用下的位移比无渗流作用下的位移大得多，产生这种差异的主要原因是渗流作用使土体受到沿x轴负方向的附加力；沿y轴负方向，有渗流作用下的位移总体上要比无渗流作用下的位移小，这是由于渗流使土体产生向上的附加力的作用结果；从总位移上来看，两种情况下的最大总位移都与y方向最大位移一致，这是由于最大位移点处受x方向约束。

2.2.3 边坡的安全系数

边坡的安全储备能力大小直接影响着边坡的稳定性。本文在求解边坡安全系数时利用ANSYS 12.0提供的岩土非线性弹塑性模型，模型遵循Druker-Prager屈服准则，剪胀角ψ′=0，即没有体积膨胀。用强度折减有限元方法[5]进行计算，求得：有渗流作用下边坡的安全系数Fs=1.609，临界收敛时的等效塑性应变如图7所示；无渗流作用下边坡的安全系数Fs=1.902，临界收敛时的等效塑性应变如图8所示。