新疆南露天矿南帮内排压脚稳定性动态变化规律研究

杨孝新，董蒙蒙，张传伟，沈建明，田 涯，刘福明，朱晓寒

（1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.新疆天池能源有限责任公司 南露天煤矿，新疆 昌吉 831100）

目前，关于边坡危害的治理防治技术的发展已经较为成熟，不同的防治手段对应不同的边坡破坏模式[1]。国内外现存多种治理手段，例如通过改善边坡形态的削坡减重和回填压脚技术，通过物理施加外力方法加固边坡的锚杆或锚索、格构以及柔性防护网的技术，通过设置抗滑挡土墙阻止滑坡的技术[2]。当边坡潜在滑动面的剪出口位置较低、距离坡脚较近、坡脚前缘地形较为平坦或者是反倾地形，且在坡脚处一定宽度范围内时，通过回填压脚工程防治此种类型的边坡最为简单有效[3]。

在我国，边坡回填压脚技术是防治大型潜在滑坡的最有效手段，这项技术在各种工程建设中发挥着重要作用[4-5]：机场的地基填方工程，需要进行反压护坡处理；公路路基的稳定同样需要进行反压处理，保护道路不被破坏；露天采矿中对内排边坡进行压脚处理，提高其边坡稳定性。在过往边坡治理案例中，许多边坡工程均采用回填压脚的治理方案，治理效果良好。例如我国内蒙呼伦贝尔地区的宝日希勒露天煤矿与山西朔州安家岭露天煤矿，均通过内排压脚技术，对开采煤层形成的边坡进行加固支护[6-7]；云南省思茅市对戈兰滩水电站公路边坡采用削坡压脚为主，锚固和坡面防护为辅的方案进行边坡防护治理[8]；广西省天峨县龙滩水电站采用排水为主，压脚为辅的方案，对正在发生蠕变的岩体进行加固等[9]。正因如此，合理利用边坡回填压脚技术，能够有效对露天矿边坡进行防治，降低施工时发生边坡滑坡的概率，对保障人民生命财产安全，具有十分重要的意义。但由于边坡岩体力学参数、水文地质条件的不同，每个边坡都是特殊的存在[10-11]。在进行边坡稳定性分析与滑坡治理的时，应综合考虑边坡实际情况，针对不同边坡潜在滑面具体问题具体分析，着重考虑主要影响因素，以次要影响因素为辅，切不可一概而论，更不能以一种边坡治理方法防治所有边坡破坏情形[12]。因此，每个露天矿边坡的稳定性分析与边坡滑坡的治理都有着独特的验算过程，是多道程序的综合结果，只有针对具体工况，全方位，多角度，深层次的考虑分析，才能得出安全、经济、合理的适用于具体露天矿边坡的治理方案。

1 模型建立

1）地质条件概况。南帮主要是由泥岩、泥质粉砂岩互层结构组成的端帮边坡，坡面角度按岩层倾角设计，扩帮剥离后岩层层面出露较为明显。通过实地测量确定南帮岩层南北方向岩层与水平面夹角为8°，为无含水层、无明显软弱层的逆倾层状边坡，因此在分析是忽略水的影响。经实验测得的南帮各岩体力学参数见表1。

表1 岩体力学参数Table 1 Mechanical parameters of rock mass

2）计算模型。为了对南帮内排压脚这一过程进行细致的数值模拟分析，建立了南帮内排压脚计算模型。其中南帮高度为250 m，边坡角为33°，台阶坡面角为70°，内排土场边坡角为33°。模拟时将内排土场划分为若干组，通过调整各分组的回填顺序，实现各种不同内排压脚顺序的模拟。内排压脚计算模型如图1。

图1 内排压脚计算模型Fig.1 Calculation model of inner dumping presser foot

2 结果分析

内排过程中，根据潜在滑移面位置的变化，可将内排过程划分为3 个阶段、6 个关键状态。其中第1阶段为内排高度在15 m 以下时，第2 阶段为自内排高度超过15 m 开始，到内排高4 5m 宽40 m 时，第3 阶段为内排物料在第2 阶段的基础上继续增高或加宽。经强度折减法求得的端帮稳定性系数与不同内排几何参数的关系见表2。内排不同关键状态的剪应变增量云图如图2～图7。

图2 无内排时剪应变增量图Fig.2 Shear strain increment diagram without inner dumping

图3 内排高15 m 宽100 m 时剪应变增量图Fig.3 Shear strain increment diagram of inner dumping height 15 m and width 100 m

图4 内排高45 m 宽40 m 时剪应变增量图Fig.4 Shear strain increment diagram of inner dumping height 45 m and width 40 m

图5 内排高60 m 宽60 m 时剪应变增量图Fig.5 Shear strain increment diagram of inner dumping height 60 m and width 60 m

图6 内排高45 m 宽80 m 时剪应变增量图Fig.6 Shear strain increment diagram of inner row height 45 m and width 80 m

图7 内排高45 m 宽100 m 时剪应变增量图Fig.7 Shear strain increment diagram of inner dumping height 45 m and width 100 m

表2 不同内排几何参数下南帮稳定性系数计算结果Table 2 Calculation results of stability coefficient of south slope under different inner dumping geometric parameters

处于剪切破坏面上的岩土强度是逐渐发挥的，非均匀变形的发展也使得整体上表现岩土的软化性状是与剪切带产生的结构破坏直接相关。大量的实例分析证明，岩体的破坏都是沿着剪应变最大的部位发生[13]。利用数值模拟得到的剪应变增量，结合台阶变形特征分析台阶的稳定性，可以将台阶破坏的发生和发展过程、岩体内部应力应变关系及应力对边坡的影响等因素考虑进去，因此剪应变增量分布云图可直接反应坡体最薄弱部位，是判断坡体破坏模式的重要参考因素。

南帮未进行内排时，潜在滑移面剪出口位于坡脚以上15 m 处，因此内排压脚高度在15 m 以内时，增加内排宽度几乎对边坡稳定性系数没有影响（图3）。当内排高度大于15 m 时，此时内排进入第2 阶段，随着内排高度的提升，内排物料渐渐没过潜在滑移面剪出口，内排物料的压脚作用得以发挥。当内排至第2、第3 阶段临界点（图4）时，潜在滑移面从内排物料以近水平角度剪出，以内排物料的潜在剪切破坏面为界，将内排物料分为上下2 部分。其中，剪切破坏面上半部分为阻滑体，是此阶段内内排物料发挥压脚作用的的主要部分。继续增加内排量，这时内排进入第3 阶段，潜在滑面不再穿过内排物料，而是从内排物料上方某一位置剪出。

不同内排高度下南帮稳定性系数与内排宽度的关系如图8，不同内排宽度下南帮稳定性系数与内排高度的关系如图9。

图8 不同内排高度下南帮稳定性系数与内排宽度的关系Fig.8 Relationship between stability coefficient of south slope and inner dumping width under different inner dumping height

图9 同内排宽度下南帮稳定性系数与内排高度的关系Fig.9 Relationship between stability coefficient of south slope and inner row height under different inner dumping width

内排高度在15 m 及以下时，内排宽度对端帮稳定性系数基本没有影响；内排宽度超过15 m 时，端帮稳定性随内排宽度的增加而升高，最终达到此内排高度下端帮稳定性能达到的最大值；内排高度越高，内排宽度增的加对端帮稳定性的提升越明显，且端帮稳定性系数最大值也越高；稳定性系数达到最大值所需内排宽度随内排高度的增加而增加；内排高度越高，南帮稳定性越高，内排高度在15～45 m 内时，南帮稳定性随内排高度的增高提升最为明显；根据图8 可知，内排宽度超过40 m 时，内排宽度的变化对端帮稳定性的影响不再明显。因此在南帮内排压脚过程中，内排至高45 m 宽40 m 的内排物料几何参数是内排物料发挥最大压脚效率的最优值。

3 内排过程中南帮稳定性变化机理

3.1 潜在滑移面位置变化机理

为了探明南帮在压脚内排过程中稳定性变化的机理，现以极限平衡角度利用条分法对南帮内排压脚过程进行二维稳定性分析，南帮内排压脚作用机理图10。图中，A 为内排第1 阶段时的滑移面位置；C 为内排物料；L1为内排第1 阶段时内排物料的剪切破坏面长度，此时内排物料起压脚作用的区域主要为剪切破坏面以上的阻滑体；B 为内排至第2 阶段时的滑移面位置。

图10 南帮内排压脚作用机理Fig.10 Mechanism of action of pressure foot in south slope

利用条分法分析其受力状态。取内排各阶段某一分条进行受力分析, 条块受力状态如图11。图中，a 为滑面A 上任一未受内排物料压覆的分条，又表示滑面B 上任一分条；b 为A 滑面中受内排物料压覆部分的任一分条。

图11 条块受力状态Fig.11 Force state of the block

内排第2 阶段内，潜在滑移面完全穿过内排物料，此阶段内南帮稳定性受潜在滑体及内排物料参数共同决定。对于滑面A，各条块的受力平衡状态为：

式中：Wi为条块的重力，kN；Ti、Ti+1为竖直界面上的剪切反力，kN；Si、Ni为底滑面上的剪切及垂直反力，kN；Ui为底滑面上的平均压强，kPa；li为条块底斜面长度，m；αi为条块底面中点处的倾角，（°）；m为起始受压覆滑体条块；n 为末端受压覆滑体条块（最大条块数目）。

忽略不计分界面上的剪力，即令（Ti-Ti+1）=0；取分条沿垂直方向合力为0，即（Ei-Ei+1）=0，同时忽略水压力Ui则有：

此阶段内排物料有一部分是直接压覆在潜在滑体上的，设受内排物料压覆的滑体条块范围为Am～An，同时对压覆在这部分滑体上的内排物料进行条分，范围为Cm～Cn。由条块b 的受力状态可知，压覆在滑体上的内排物料在起到压脚作用的（为滑体提供抗滑力）同时，还起到增加了滑体下滑力的作用。

内排压覆部分滑体增加的抗滑力为：

式中：φ 为滑面上的内摩擦角，（°）；FsA为滑面A对应的稳定性系数。

内排压覆部分滑体增加的下滑力为：

式中：c 为滑面上的单位黏聚力，kPa；Fs为滑面的稳定性系数。

联立以上方程得到滑面A 对应的稳定性系数FsA的Bishop 简化表达式：

在内排第2 阶段的基础上，继续增加内排宽度和高度均会使端帮稳定性增加，潜在滑面也会向上偏移，直至潜在滑面移至阻滑体以上，即滑面B 对应的稳定性系数FsB＜FsA，潜在滑动面不再穿过内排物料，内排进入第3 阶段，此时南帮稳定性主要受潜在滑体参数决定。对于滑面B，易得出安全系数FsB的Bishop 简化表达式为：

3.2 内排压脚作用效果分析

极限平衡法虽然可以从静力平衡和力矩平衡的角度直观明了地阐述内排物料发挥压脚能力的机理，由于极限平衡法的固有缺陷，仅从极限平衡角度讨论南帮内排物料的作用机理是极不全面的。为了研究南帮内排压脚后内排物料的作用范围和作用机理，对南帮设置监测线，并以南帮未进行内排时的初始状态与最优内排物料几何参数为内排压脚的最终状态对南帮内排物料的压脚作用进行数值分析。监测线布置示意图如图12。水平位移与距坡脚距离的关系如图13，剪应变增量与距坡脚距离的关系如图14。剪应力与距坡脚距离的关系如图15，水平应力与距坡脚距离的关系如图16。

图12 监测线布置示意图Fig.12 Schematic diagram of monitoring line layout

图13 水平位移与距坡脚距离的关系Fig.13 Relationship between horizontal displacement and distance from slope foot

图14 剪应变增量与距坡脚距离的关系Fig.14 Relationship between shear strain increment and distance from slope foot

图15 剪应力与距坡脚距离的关系Fig.15 Relationship between shear stress and distance from foot of slope

图16 水平应力与距坡脚距离的关系Fig.16 Relationship between horizontal stress and distance from foot of slope

由图13 可知，内排压脚后的南帮位移明显小于压脚前的南帮，越靠近坡脚，内排物料对坡体的位移约束作用越明显。剪应变增量可直接反映岩体受剪应力影响的程度，对于以剪切破坏为主的南帮来说，坡体内岩体的破坏状态可由剪应变增量大小来表征。由图14 可知，南帮内排压脚后的剪应变增量整体下降的同时，其峰值向后移动，此时潜在滑动面向高处转移，说明内排压脚极大的减弱了剪应力对坡脚处岩体的作用效果。且由南帮内排压脚前后坡脚处剪应变增量大小判断，压脚后坡脚附近岩体的安全性较于压脚前的初始状态提高4 倍以上。

由图15 和图16 可知，距坡脚距离越远的位置，坡体剪应力和水平应力越小。南帮内排压脚后，在距离坡脚0～160 m 范围内，坡体剪应力较压脚前明显下降，水平应力的绝对值明显上升，说明坡脚处岩体在内排物料的作用下受压最为明显，越靠近坡脚，坡体剪应力下降越明显。随着坡内岩体与坡脚距离的增加，剪应力下降幅度越来越小，水平应力下降幅度越来越大，说明内排物料的压脚作用随坡内岩体与坡脚距离的增大而减弱。坡内岩体与坡脚距离超过160 m 后，内排物料对坡体剪应力及水平应力的影响基本消失。

因此，新疆南露天矿南帮内排物料主要通过减小坡脚附近剪应力、增大水平应力的方式控制南帮坡体内剪切应变增量的发展及位移的增大，从而发挥内排物料的压脚作用。

4 结 语

利用FLAC3D强度折减法对南帮内排压脚过程进行了数值模拟分析，得到了内排压脚过程中南帮潜在滑动面位置及稳定性的变化规律。利用数值模拟得到南帮内排物料发挥压脚作用的最小高度为15 m；内排高度在15～45 m 内时，南帮稳定性随内排高度的增高提升最为明显，内排宽度在40 m 以内时，南帮稳定性随内排宽度的增加提升最明显；在南帮内排压脚过程中，内排至高45 m 宽40 m 是内排物料发挥最大压脚效率的最优几何参数值。基于数值模拟结果建立了南帮内排压脚的极限平衡理论模型，同时推导出了内排压脚过程中南帮稳定性系数的计算公式。阐述了南帮内排过程中坡体应力变化规律及作用效果，揭示了内排压脚过程中南帮潜在滑移面位置变化及稳定性提高的机理。