利用slide软件分析地下水对露天边坡稳定性的影响

赵 恰,黄炳仁,王 军,杨 柱

(长沙矿山研究院有限责任公司 金属矿山安全技术国家重点实验室, 湖南 长沙 410012)

滑坡是坡体因多种因素耦合变形,最终被某些诱发因素激发失稳,产生滑动的一种灾害地质现象,统计表明,大量滑坡灾害的发生都与边坡岩体中地下水的活动有关,因此,地下水是影响边坡稳定性的重要诱发因素之一。研究表明地下水的不利影响一般可使边坡角的计算值减小5°～7°,有部分学者认为,如果能有效地降低水位,一般可以使边坡的安全系数增加40%[1-3]。

1 矿区水文地质条件

矿区内分布第四系松散堆积物孔隙含水层、基岩风化带裂隙水和石英岩、长英角岩裂隙水,上部以孔隙－裂隙含水为主,分布于沟谷和斜坡地带,自然状态下沿基岩风化裂隙带或基岩接触面向沟谷方向运移,以泉水形式排出地表;深部以微裂隙、破碎带含水为主,沿断裂构造呈带状、网络状分布。详查期间部分钻孔在施工过程中,有不同程度的自然涌水现象,水头高度高出自然地面6.37～16.0 m,经过抽水试验后认为,其涌水程度受断裂构造控制,单位涌水量0.003～0.224 L/s·m,富水性极不均一。

2 地下水对矿区岩石力学性质的影响

矿区构造裂隙发育,大气降水易通过构造裂隙转化为地下水,使构造裂隙及附近岩体、破碎带、结构面、节理裂隙的容水性、持水性增加,加速破碎带泥化、增大岩体滑力,降低岩体抗剪强度;同时地下水通过润滑作用、软化作用和水楔作用降低了岩体的力学性能,影响了岩石的抗拉强度和抗压强度指标,一般含水量越大,其对应指标越低[4-6]。

2.1 地下水对完整岩体内聚力与内摩擦角影响

在实验室针对矿山边坡的几种主要岩样进行了浸泡饱和状态和干燥状态的力学试验,试验结果如表1所示。通过表1可以看出,内聚力随含水量的增加而逐渐降低,且下降幅度较大,岩石饱和条件与干燥条件下相比,内聚力c下降幅度达到87.03%。

表1 边坡典型岩样在干燥和饱和状态下的抗剪强度

2.2 地下水对岩体结构面内聚力与内摩擦角影响

矿区内压扭断裂构造发育,在矿区范围内形成Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ－Ⅴ3个级别的结构面。Ⅱ级结构面有F1、F6、F8、F9、F17、F21、F22、F24 8条断层;Ⅲ级结构面F25、F16、F18 3条断层;矿区Ⅳ－Ⅴ级结构面主要指各类岩矿石的节理裂隙和岩体与围岩的接触面,其主导优势节理裂隙发育方向为NWW和NE向,裂隙多为微张型,宽度一般为1～5 mm,长度0.3～1 m,裂隙面较光滑,切割岩体成块状或碎块状。在地下水的作用下,结构面软化,并出现溶滤现象,抗剪强度大幅度降低。根据相关试验,结构面在不同历时水浸泡条件下,地下水对结构面的力学参数影响如图1、图2所示。

图1 岩体结构面内聚力随浸泡时间的关系

图2 岩体结构面内摩擦角随浸泡时间的关系

从岩体结构面粘聚力及内摩擦角随浸泡时间的关系曲线可以看出,地下水对岩体结构面粘聚力和内摩擦角影响较大,在浸泡40 d后,岩体结构面粘聚力已由天然状态下的55 k Pa下降到15 k Pa,下降幅度高达63%;内摩擦角由天然状态下的26.5°下降到20.30°,下降幅度23%。

2.3 地下水对岩体的抗拉强度和抗压强度影响

在实验室进行了矿区主要岩石试块干燥和饱和条件下抗压强度和抗拉强度试验,试验结果如表2所示。从表2可以看出,含水量对矿区主要岩石的影响较大,其中抗拉强度最大下降65.46%,抗压强度最大下降57.85%。

表2 边坡典型岩样在干燥和饱和状态下的抗拉强度和抗压强度

3 含水条件下边坡稳定性分析

3.1 地下水边界

根据矿山地下水实测资料,矿区外围地下水位在1360 m标高,矿坑水位1270 m标高。

3.2 岩石物理力学参数

地下水位线以下的岩石物理力学参数取实验室饱和状态下各岩石试块实验数据;地下水位线以上的岩石物理力学参数取实验室干燥状态下各岩石试块实验数据,详见表1、表2。

3.3 稳定性模拟分析

针对矿山北部边坡地质剖面,分别采用毕肖普法,瑞典条分法,简布法和Spencer法对边坡含水条件下的稳定性进行了分析计算,其稳定性安全系数K值变化结果如表3、图3所示。

(1)通过4种方法计算,含水条件下北部典型地质剖面的边坡稳定安全系数K的平均值为0.887。根据《煤炭工业露天矿设计规范》(GB50197－2005),非工作帮边坡稳定系数可取1.10～1.20,临时工作帮边坡稳定系数可取1.00～1.20。显然含水条件下边坡的安全系数不满足强度储备系数要求,边坡在地下水渗流影响下,将处于滑坡状态。

(2)从图3可以看出,含水条件下边坡浅部以橙色为主,随深度增加逐步转变为黄色,意味着浅部边坡强度储备系数K均小于1,因此浅部滑动破坏的可能性很大。

表3 不同分析方法计算的含水条件下的边坡安全系数

图3 瑞典条带法边坡稳定性分析

4 疏干后边坡稳定性分析

根据矿山地下水实测资料,矿区外围地下水位在1360 m标高。依据矿山疏干计算,疏干后矿坑水位将下降至1150 m标高。

疏干后针对北部边坡典型地质剖面,同样分别采用毕肖普法,瑞典条分法,简布法和Spencer法分析边坡疏干后的稳定性,其稳定性安全系数K值计算结果如表4、图4所示。

(1)通过4种方法计算,疏干后北部典型地质剖面的边坡稳定安全系数K的平均值为1.454。疏干后与含水条件下相比边坡稳定安全系数K提高了63.9%,满足露天矿边坡强度储备系数要求,边坡稳定;

(2)从图4可以看出,疏干之后浅部边坡以黄色为主,深部逐渐转变为绿色,意味着浅部边坡强度储备系数K均大于1,深部绿色部分为边坡强度储备系数K均大于2,故疏干后滑坡的可能性很小。从两者的对比可以看出,疏干后边坡的稳定性大幅提高,边坡发生整体滑动的可能性明显降低。

表4 不同分析方法计算的疏干后的边坡安全系数

图4 瑞典条带法边坡稳定性分析

5 结 论

实验室岩石力学相关试验表明,地下水使矿山岩体物理力学和岩体结构面抗剪性能大幅下降。基于上述试验数据,采用slide软件模拟分析疏干前后的矿山边坡稳定性,模拟结果表明,疏干之前矿山露天边坡在含水状态下处于滑坡状态,浅部滑动破坏的可能性很大,疏干后矿山露天边坡的稳定安全系数K达到1.454,疏干后与含水条件下相比边坡稳定安全系数K提高了63.9%,满足露天矿边坡强度储备系数要求。