碟子沟风井边坡变形破坏机制及稳定性分析

2021-01-05李雅阁吴海军

露天采矿技术 2020年6期

李雅阁，吴海军

（1.中国中煤能源集团有限公司，北京 100011；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013）

边坡是人类工程活动中不可避免的问题之一，可分为天然斜坡和人工边坡2 类[1]。边坡稳定性是指边坡岩、土体在一定坡高和坡角条件下的稳定程度[2]。对于边坡稳定性的分析和研究由来已久，从简单的工程类比法到数值模拟、相似模拟、稳定性监测预警等，都有了较为成熟的技术和设备[3-5]。分析边坡稳定性问题有3 类基本方法，即分析计算、模拟试验和岩体分级方法[6-7]。模拟试验方法主要是采用地质力学模拟试验、离心机模拟试验或现场开挖测试等方法，通过仪表或影像来观察边坡的变形和破坏过程[8]。工程岩体分级方法来源于工程实践，是在大量工程实测资料的统计分析和调查研究的基础上编制出来的，然后又返回去指导工程实践[9]。边坡稳定性分析和评价是研究边坡问题的核心，目前常用的边坡稳定性分析计算评价方法有：极限平衡分析法，极限分析法，滑移线法，数值模拟试验法和可靠性分析方法等[10]。条分法是工程实践中应用很广的极限分析法，它只考虑静力平衡条件，将滑坡体看成刚体在假设的滑面上采用Mohr-Coulomb 破坏准则，根据处于极限平衡状态时滑坡体的力的平衡来求得问题的解[11]。条分法包括简化Bishop 法，Morgstern-Price法，简化Janbu 法，剩余推力法和Sarma 法等[12]。在实际工程中，首先需要研究边坡变形破坏的机理和特征，而后对边坡稳定性进行分析和评价。

1 工程概况

中煤华晋集团王家岭煤矿碟子沟风井工业场地位于碟子沟村西北的碟子沟内，地处吕梁山脉南麓，地形复杂，沟壑纵横，场地自然地形坡度较大，南高北低。工业广场内的综合服务楼、电锅炉房及进风斜井周边的部分建构筑物属于填方区域。其中3 层综合服务楼自建成投入使用后，1 层西南侧墙体出现轻微裂缝，随着时间的推移，综合服务楼2 层、3 层西南侧墙体也出现了同样的裂缝，对建筑物的正常使用造成了一定了影响，存在极大的安全隐患。据调查，该风井工业场地建在古滑坡体上，从目前现场的表观特征分析，古滑坡体未出现滑动迹象，但边坡变形破坏机理、稳定状态和发展趋势不明。为了掌握场地边坡变形破坏机制、弄清裂缝发生发展的真正原因，开展了分析研究。

2 场地岩土力学参数

王家岭矿在矿山建设、生产过程中，对碟子沟风井场地的各类岩土体的物理力学性质进行了比较全面的试验研究，积累了比较丰富的成果和资料，为本次研究提供了有力的参考。在收集和整理王家岭矿碟子沟风井场地已有岩土体试验研究成果的基础上，结合现场取样实测、经过对比分析得到的本次研究中各岩土体的物理力学性质参数见表1。

3 剖面选取与边坡变形破坏机理

3.1 模型计算

结合现场实际情况，本次边坡变形破坏机理分析研究有针对性的选取了王家岭碟子沟风井工业场地东侧古滑坡体边坡、西侧古滑坡体边坡和北侧矸石边坡各1 个剖面。分别建立计算模型，在此基础上分析边坡岩土体的位移、变形和应力情况[13-15]。古滑体及矸石边坡模型图如图1，古滑体及矸石边坡总位移云图如图2，古滑体及矸石边坡剪切应变增量云图如图3。

表1 物理力学性质指标推荐表

图1 古滑体及矸石边坡模型图

由图2 可以看出，东侧和西侧古滑坡体边坡总位移较大的地段出现在边坡顶部靠里的区域（非边坡外缘），而北侧矸石边坡的总位移较大的地段则出现在边坡顶部的外缘，最大位移量在1.905 2×10-2～1.654 3 m。

由图3 可知，东侧古滑坡体和西侧古滑坡体边坡剪切应变的最大增量值（1.000 0×10-3～5.018 3×10-3）均发生在上部第四系边坡的内部，距离坡面有一定的距离，不会造成明显滑动；北侧矸石边坡剪切应变的最大增量值（1.337 5×10-1）发生在矸石边坡的表面，稳定性相对较差，相应地导致了图2 中矸石边坡顶部表面发生较大位移，后期需要加强观测。

图2 古滑体及矸石边坡总位移云图

图3 古滑体及矸石边坡剪切应变增量云图

3.2 破坏机理

根据以上对王家岭碟子沟风井工业场地东侧古滑坡、西侧古滑坡和北侧矸石边坡数值模拟可知，工业场地内边坡主要变形为剥挖活动引起应力释放造成的位移变形，各边坡均未形成明显的滑动模式。东侧古滑坡体边坡的变形，主要在原始地表风化及后期开挖取土形成的边坡区域，以水平方向变形为主，东侧古滑坡体边坡滑动模式为：沿基底岩层滑动。西侧古滑坡体边坡的变形，主要在剥离形成的裸露边坡区域，以水平方向变形为主，指向边坡临空面，在现状边坡与预测边坡中未形成整体滑动变形趋势，在边坡内部存在黄土层内部滑动趋势。北侧矸石回填边坡的变形，主要在水力作用下形成的松散边坡区域，主要以竖直方向变形为主，边坡向临空面有局部水平位移，在现状边坡与预测边坡中未形成整体滑动变形趋势。

4 边坡稳定性分析

为了对碟子沟风井工业场地内各边坡的稳定性进行分析评价，本次在工业场地内选取了8 个具有代表性的典型剖面，分别记为剖面1～剖面8，其中剖面1 和剖面2 位于西侧古滑坡体上，剖面3～剖面5分布于东侧古滑坡体上，剖面6～剖面8 位于北部的矸石回填边坡上。

依据《露天煤矿岩土工程勘察规范》及《建筑边坡工程技术规范》，结合目前对王家岭矿碟子沟风井区域地质条件、构造条件、建筑设施及边坡重要程度等资料的掌握情况，稳定计算的安全储备系数的选取充分考虑边坡稳定的时空效应：东侧古滑坡体主要受取土开挖、机械、人员影响，安全系数取1.3；西侧古滑坡体主要受工程建设、机械、人员影响，也作为运输干道，其安全系数取1.3；北部矸石回填边坡是主要建筑场地，有运输干道，安全系数取1.5。按照边坡的实际形状和地层情况运用Geo-slope 软件分别建立各剖面的地质模型，对各地层的物理力学性质等特征参数取值进行赋值，而后进行边坡整体稳定性的分析计算。碟子沟风井工业场地边坡整体稳定性系数曲线图如图4。

图4 碟子沟风井工业场地边坡整体稳定性系数曲线图

由图4 的计算分析可知：西侧滑坡体上的2 个典型剖面中，剖面1 的稳定系数为1.103，相对来说稳定性差一些，因该处边坡为场地建设时开挖切坡造成，坡度很大，坡面植被覆盖不够，后期风化、取土加上大气降水等因素造成坡体稳定性降低，存在局部滑塌失稳的可能，需要加强监测监控，及时做好应急预警，防止灾害发生造成严重影响；剖面2 的稳定系数为2.551，整体稳定性好。东侧古滑坡体上的剖面4 为通风机房建设时开挖原山体形成，坡度较大，边坡周围的排水系统不够完善，东侧又有持续性的开挖取土活动，降低了坡体的稳定性，其稳定系数为1.227，边坡处于欠稳定状态；后期需要规范取土，做好排水和坡面防护，其整体稳定性可以得到保证。另外的剖面3 和剖面5 的稳定系数分别为2.737 和2.006，整体稳定性均较好。北部矸石回填边坡上的3 个剖面（剖面6～剖面8），稳定系数分别为2.442、3.279、2.395，目前稳定性均较好，不会发生大的变形。

综上分析，场地内各边坡目前的稳定性较好，局部存在软弱区域，但整体稳定性尚能满足安全储备要求。从分析结果来看，2 处古滑坡体目前均处于稳定状态，没有滑坡体复活滑动的迹象，在不发生地震等自然灾害或极端天气的情况下，边坡体稳定，短期内不会对场地现有建筑物及后续规划建设造成破坏性影响。