露天煤矿帮边坡在地震荷载作用下稳定性分析

2020-09-24李晓鹏白建华张江伟

河北地质大学学报 2020年4期

李晓鹏，白建华，张江伟

河北地质大学勘查技术与工程学院，河北石家庄 050031

0 引言

露天开采一般都存在边坡稳定性问题，边坡的安全性对于煤矿具有非常重要意义。边坡的稳定性受到多种因素的影响，地质地貌、水文条件、气候条件、地层岩性以及构造活动等，由于构造活动引起的地震活动会大大降低边坡的安全稳定性，而且地震具有突发性强、破坏性大、影响深远、防御难度大的特点，对于大型工程场地的地震稳定性研究是非常有必要的。崔铁军等[1]对海州露天煤矿的边坡进行地震作用下的稳定性研究；周浩等[2]对新疆某露天煤矿爆破振动作用下边坡稳定性分析；刘思杰等[3]对地震荷载下双面边坡进行了稳定性分析；张江伟等[4]在采用有限元强度折减法的基础上，综合考虑了等效塑性变形区贯通率，进行土坡稳定性评价；张金贵等[5]通过位移特征、应力应变等对大型露天煤矿边坡破坏模式进行了分析；郑颖人等[6-7]分析了静力法、安全系数时程分析两种方法的局限性，提出了基于拉-剪破坏的动力时程分析法和强度折减动力分析法。叶海林等[8]通过拟静力安全系数、动力时程分析、动力时程折减分析三种方法对地震作用下边坡稳定性进行了研究，得出折减法能更准确地对边坡稳定性状态做出评价；李海军等[9]运用强度折减法对边坡在地震和采耦合作用下的辽宁某露天煤矿边坡稳定性进行了研究。陈国庆等[10]通过进行动态和静态下的强度折减计算边坡稳定性，发现动态折减计算更加适用于非均质边坡稳定性分析。李得建等[11]通过极限分析上限法以及拟静力分析法，得到地震效应下裂缝边坡的安全系数的相关方程。徐康等[12]运用有限元数值应力时程分析，得到边坡中部土层一级中上交界处是薄弱区域。袁维等[13]通过对传统折减计算进行改进，采用不同参数进行折减，得到的滑动面以及潜在滑动面更大。张春生[14]等对白鹤滩水电站进行三维动力模型试验来检验抗震性能，在强震中边坡块体后院最先开始残余破坏。杨正玉等[15-17]在进行稳定性计算时，将有限元和强度折减计算有效地结合起来，结果更加符合实际要求。冯娟[18]将有限元分析和极限平衡法计算相结合，将两种方法的优点进行了整合。

目前抗震分析多采用拟静力法、Newmark滑块分析法、模拟试验法等方法。静力法计算简单、要求低，但是地震作为动态的过程，静力法所得到的结果准确性很难保证，多作为工程经验使用；对于Newmark法其主要通过分析最大滑动破坏面的永久性的位移，并不是连续的过程，地震作用是一个连续的过程，其研究的稳定性，可作为发生永久性破坏的边坡，对于整个作用过程的分析，还是不准确的；郑颖人等[6-7]将有限元强度折减与时程分析综合起来，较上面两种方法更能反映动力作用的过程。

将采用有限元强度折减理论，通过有限元分析软件模拟地震动力荷载工况下，边坡体位移、速度、折减系数以及剪切应变的变化等并且通过拟静力法和有限元时程分析进行对比，对露天煤矿边坡稳定性进行分析研究。

1 工程概况

该露天煤矿区位于新疆哈密市西南，矿区面积约总面积240.73 km2。区域地形地貌的基本轮廓是：北为天山褶皱带，中部为吐鲁番—哈密坳陷带，西南为库鲁塔格复背斜，相应形成了三大地貌单元：北部山地、中部平原和南部剥蚀残丘台地。区域上形成一个向西半闭合的断陷盆地。

2 拟静力法理论和强度折减理论

地震动是时刻在发生着变化，是一个变动的荷载，传统方法上常常将地震动等效为静力作用进行分析，这种方法计算简单，对边坡稳定性评价有着丰富的经验。

边坡稳定性计算中常常使用到折减法[19]，使用强度折减法时假定理想弹塑性体，在数值分析中按照一定比例降低材料参数(同比例降低c和φ)或者增大荷载，使其达到破坏状态。这种方法不用提前假定破坏面，当结构体达到破坏时的强度折减系数便可作为稳定安全系数，具体到实际操作中是将土体的抗剪强度指标c和φ，用一个折减系数ω，然后用折减后的抗剪强度指标c′和φ′。

c、φ、ω为折减前岩土体粘聚力、内摩檫角、抗拉强度；ω为折减系数；c′、φ′、σt′为折减后的岩土体粘聚力、内摩擦角、抗拉强度。

由于动力荷载下的边坡计算是一个动态的过程，折减系数是一个瞬值，对于单纯考虑折减系数并不能完全表示边坡的稳定性，需考虑多种因素共同评判稳定性。郑颖人以及李海波等[6-8]提出边坡地震动力失稳破坏判定应从破裂贯通、位移以及应力3个方面考量。论文通过MIDAS GTS NX软件采用非线性时程分析+srm对该边坡进行分析，综合对监测点的位移，应力以及安全系数和剪切应变云图的变化来判别边坡在地震作用下的稳定性。

3 有限元模型的建立

3.1 模型参数

本文中采用了一处剖面进行有限元稳定性分析。在进行建立模型中，视将岩土层均假设为弹塑性材料，采用摩尔库伦(MC)本构关系建模，相关岩土的力学性质如表1。露天煤矿隔水煤柱区域剖面进行分析，采用MIDAS GTS NX软件建立模型，在二维平面上建模，取三处剖面(图1)，皆设定模型长(x方向)926 m、高(y方向)150 m，并且规定x轴正向为正，负向为负。对于模型的边界，本文中设置两类边界：(1)考虑到在实际详细勘察了三处边坡的地质条件，为了简化计算分析程序，本文中通过选择其中最不利的边坡进行分析。首先进行在自然状态下，边坡稳定性计算，所以需要设置静力状态下的边界条件，左右限制x方向、下部限制x、y方向。(2)考虑到边界对于地震波的反射，在模型的左右设置自由边界，下部采用固定约束。该模型边界采用左右自由场边界，下部限制x、y方向。除了动力荷载外，增加了在重力条件下边坡的折减计算，比较三处剖面得出安全性最弱的坡面，然后对其进行稳定性评价。

表1 力学性质指标

图1 剖面位置图

通过建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)查得该地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1 g，属于设计地震第二组。对于地震动的选择，本文采用软件中的地震记录库中的1 940，EICentro Site,180°，其加速度峰值为0.104 g，对该地震动进行修改，将地震持续时间截取10 s来进行分析，并且取初始和结束加速度为 0 m/s2。地震作用加速度时程曲线如图2。

3.2 网格建立及筛选

通过有限元软件分别建立了如图3三处的剖面的网格单元，通过三处剖面进行重力条件下强度折减计算，得到安全系数：2.3、4.66、3。

剖面1处的边坡在静力条件下安全性是最低的一个，在剖面存在多处大坡度，地震作用下同条件下坡度越大稳定性越差[20],故剖面1在地震荷载作用下的变形可以很大程度上代表整个边坡体。在模型中取5个位置进行监测分析其位置具体位置如图4所示。

图2 加速度时程曲线图

图3 剖面网格图Fig.3 Section grid

图4 剖面1边坡体监测点位置图Fig.4 Profile 1 slope monitoring point location map

4 结果分析

4.1 边坡体位移时程

在边坡设置的5个监测点的位移变化如图5、图6所示，在2.2 s时到达负方向的最大位移0.148 m，而后向着相反方向运动，在 9.6 s处达到最大位移，位移约为 0.488 m在10 s处位移曲线的斜率并未减小，所以会继续变形。在图7中可以看出在最大位移处，形成拉剪贯通破裂面。

地震对y方向产生最大变形为3.9×10-3m，水平地震作用对于变形相对水平位移较小，其对整体的稳定性产生影响很小。

图5 水平位移时程曲线图

图6 竖直位移时程曲线图

图7 最大位移时剪切应变图Fig.7 Shear strain diagram at maximum displacement

4.2 边坡体速度时程

水平方向各监测的速度趋势大体相同，在1.8 s时达到最大速度0.28 m/s(图8)；竖直方向在6.7 s时达到最大速度约为0.046 m/s(图9)。在10 s时水平速度和竖直方向速度并没有减小为0，说明在地震作用下边坡还在发生变形，此时监测处边坡体还没出现永久破坏，整个边坡还在处于变形中。

4.3 安全系数和剪切应变分析

通过动力折减计算得到了安全系数时程图形(图10)，整个安全系数曲线是呈现了下降的趋势，0.1 s时最大为5.1，在地震波加速度图中可以看出，地震波首先是朝着负方向传播的，对边坡产生一定的加固效果，所以安全系数增大，对于动力折减系数，是一个瞬时值，大小并不能完全代表此时刻边坡的安全程度，需要综合考虑才能反应边坡的安全程度。经过两种不同荷载的情况下，动力荷载下安全系数为1.677，静力荷载下安全系数为2.89，说明在动力荷载下安全系数较静力折减下更加符合要求。动力分析下，边坡体在5 s、7 s、10 s时安全系数最低，并且这三个图都出现贯通区，说明存在着剪-拉破坏，存在着滑动的破坏。对应的最大剪切应变图如图11。从其中可以得出其中的变形小的位置大致为325 m的安全宽度，保证在安全生成的前提。通过比较这三种情况得出顶部向下深度为49 m的开挖深度，安全性适宜。