露天矿边坡岩体强度参数确定及稳定性分析

2022-02-18李学锋宋勇军李和群梁莉向进伟李坤光

广西大学学报（自然科学版） 2022年6期

李学锋, 宋勇军, 李和群, 梁莉, 向进伟, 李坤光

(广西大学资源环境与材料学院, 广西南宁 530004)

0 引言

在露天开采过程中,采场边坡管理是安全工作重中之重,随着开采工作的进行,边坡相对高度增大,必须对采场边坡进行稳定性分析。高岭土属于软弱岩,风化后结构松散,遇水易分散,强度低,具有吸水性。针对软岩边坡,曹硕鹏等[1]研究红黏土边坡的裂隙发育和降雨强度对降雨入渗及冲刷模式的影响,证明降雨强度大和裂隙发育对红黏土边坡入渗特征和冲刷模式有负面影响。付宏渊等[2]总结现有成果,从微观角度研究软岩在湿、热、力作用下的破坏规律,探讨软岩边坡的稳定性分析发展方向。目前边坡稳定性评价方法主要分为定性分析和定量分析[3],定量分析方法有极限平衡法、有限元法、边界元法和离散元法等[4]。杨奎斌等[5]为解决传统极限平衡法难以考虑土体应力状态,提出坡面应力等效方法,坡面以半无限边界考虑,按弹性力学方法计算坡内应力并求解安全系数,计算结果与有限元法基本一致。Zienkiewicz等[6]最早提出强度折减法并用于边坡稳定性分析中,刘佳等[7]通过RFPA软件研究露天矿高边坡的破坏机理,结果表明安全系数会随着边坡变高、变陡而逐渐减小。林姗等[8]基于增量法弹塑性原理和双线性投影算子,结合强度折减法和φ-v不等式,创新性地提出虚单元强度折减技术。林杭等[9]把Hoek-Brown强度准则运用于强度折减法中,并与Mohr-Coulomb准则计算结果对比发现相差甚微,验证了该方法的可靠性。Tao等[10]通过现场滑坡调查总结边坡滑坡模式,运用Flac3D软件计算边坡位移、剪应变,判断边坡稳定性,最后根据3DEC软件计算露天矿安全开采深度。为获取可靠的岩体强度参数,专家学者已提出的强度准则中最有价值之一的为Hoek-Brown半经验强度准则[11]。在边坡稳定性分析中多数工程实例运用Mohr-Coulomb强度折减法。鉴于此,为研究广西藤县宏伟联兴高岭土露天矿边坡的稳定性,基于广义Hoek-Brown强度准则估算岩体强度参数,采用Slide软件和Midas/GTS软件对边坡进行稳定性计算,其计算结果对该高岭土露天矿边坡防治工作有指导意义。

1 矿山边坡概况

该高岭土矿山总体地势为南高北低,采场标高为+238～+80 m,台阶高度10 m,矿段由北往南,现已形成多个开采平台。采场地表境界最长1 620 m,最宽650 m,现状边坡主要集中在采场南部和西南部,坡度在35 °～55 °不等,最终边坡角25 °～45 °,现状边坡和终了边坡最大高度分别为50 m和80 m。该高岭土矿西南帮边坡长期自然暴露,受风化作用、雨水冲刷等地质营力和开采活动等因素影响,边坡岩体强度降低,结构变得松散,矿山急需开展边坡稳定性研究。工程勘探判断矿区水文地质条件简单,露天采场未发现有地下水涌出现象,地质勘查钻孔均未见地下水,开采设计最低标高比侵蚀基准面高约50 m,开采活动不受地下水的影响。

2 边坡岩体质量分级和强度参数确定

2.1 边坡岩体RMR分级

岩体质量分级是评价工程岩体的基本手段,地质力学分类是实际工程中运用最为广泛的方法之一。RMR[12]系统采用岩块抗压强度、岩体RQD值、节理间距和节理的状态、地下水赋存情况等5大评价指标对岩体进行质量评价。该露天矿地质条件简单,矿段内及矿段外分布有晚白垩世霏细岩体,岩性单一,风化后形成高岭土。根据边坡岩体的风化程度和节理发育情况,把岩体划分为强风化霏细岩、半风化霏细岩、微风化霏细岩,采用RMR法对以上3组岩体进行评价。为求得可靠的岩体力学参数,岩体RQD值通过岩体的现场测线法调查结果和结构面分析获得到[13],岩石抗压强度可通过室内试验确定,其他指标通过现场地质调查获得。根据所划分的岩组,RMR 分级见表1。

表1 岩体RMR分级表Tab.1 RMR grading table for rock masses

2.2 边坡岩体强度参数确定

为获得可靠的边坡岩体强度参数,基于广义 Hoek-Brown 强度准则计算边坡岩体强度[14]。霍克等总结大量的实验结果和工程实际经验,并且经过不断的修正,广义 Hoek-Brown 强度准则[15]于2002年被提出，

(1)

式中mb、s、a均是反应岩体的特征参数,在实际应用中可通过地质强度指标GSI求得

(2)

式中：D是岩体的扰动系数,取值在0～1；mi是岩石的材料常数,由完整岩石的三轴实验获取；s反应岩体破碎程度。同时Hoek提出Mohr-Coulomb的强度参数确定式:

(3)

(4)

Roclab 软件运用最新Generalized Hoek-Brown failure标准,根据现场调查结果和实验测得岩石力学参数,在软件中输入岩石单轴抗压强度、GSI、材料常数mi、扰动系数D,可自动计算岩体强度,输入参数见表2,其中,D的取值根据Hoek[15]等人工程经验给出不同情况下的建议值。经Roclab软件计算,得到岩体强度参数见表3。

表2 岩体Hoek-Brown准则参数取值Tab.2 Hoek-Brown criterion parameter values for rock mass

表3 边坡岩体力学参数Tab.3 Mechanical parameters of slope rock mass

3 边坡稳定性分析

目前,计算边坡稳定性的方法众多,极限平衡法和有限元法应用较广,极限平衡法中同时满足力和力矩平衡的计算方法结果最精确[16],对边坡进行二维稳定性分析时采用Spencer法,对边坡进行三维稳定性分析时采用有限元强度折减法,岩体强度准则都采用摩尔-库伦准则。在确定岩体强度参数基础上结合矿山提供的地质资料,在Slide软件中对矿山现状边坡和终了边坡进行二维稳定性计算；然后通过3DMine软件建立矿山地质模型,如图1所示,提取高程信息导入Midas/GTS中建立三维稳定性计算模型,计算现状边坡和终了边坡稳定性。

(a) 采场现状边坡

3.1 边坡二维稳定性分析

矿山水文地质条件简单,计算不需要考虑地下水的影响。选取剖面A和剖面B进行二维稳定性分析,剖面位置如图2所示。对边坡3种不同的工况进行稳定性分析:工况Ⅰ,边坡在自重作用下的天然工况；工况Ⅱ,受到自重和地震作用,广西藤县地震基本烈度为Ⅵ,地震动峰值加速度取为0.05 g；工况Ⅲ,同时受到自重和持续降雨的影响,强风化霏细岩、半风化霏细岩和微风化霏细岩饱和容重分别为14.1、24.0、24.7 kN/m3。根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB 51016—2014)[17],该露天矿边坡危害等级和安全等级划分为Ⅲ级,规定工况Ⅰ安全系数为1.15,规定工况Ⅱ、工况Ⅲ的安全系数为1.10,Slide 计算结果见表4。

图2 剖面线布置图Fig.2 Profile line layout

表4 边坡二维稳定性计算结果Tab.4 Calculation results of two-dimensional stability of slope

经 Slide 软件计算,在3种工况下2个坡面均处于稳定状态,在暴雨或地震影响下边坡稳定性都有不同程度的降低。剖面A和剖面B的潜在滑动面在各个工况下基本相似,剖面A计算结果如图3、4所示,剖面B计算结果如图5、6所示。结果表明，搜索的滑动面都出现在边坡的强风化岩层中,主要是强风化岩层风化严重,结构松散,在外载荷下容易发生垮塌,需要加强采场的排水工作和适当降低强风化岩层的坡面角。

(a) 工况Ⅰ

3.2 边坡三维稳定性分析

由于地形地貌的复杂性,边坡二维稳定性分析对于边坡的整体稳定性分析存在局限性,为此建立符合矿山实际的三维边坡稳定性计算模型,通过 3DMine-Midas/GTS 耦合建模建立边坡稳定性计算模型,对边坡的应变和位移进行分析,查看边坡潜在的滑移面,判断边坡滑移趋势。强度折减理论是通过降低岩土强度的方法来计算安全系数[18],其计算公式为

(5)

式中:

τfF=CF+σtanφF

边坡三维稳定性计算中,模拟工况同二维边坡稳定性计算一致,暴雨工况中降雨边界条件设置为137 mm/d,持续降雨1 d,强风化霏细岩、半风化霏细岩和微风化霏细岩的渗透系数分别为6.22×10-5、5.3×10-6、9.08×10-7cm/s,各工况计算的安全系数见表5。

表5 边坡三维稳定性计算结果Tab.5 Calculation results of three-dimensional stability of slope

① 从计算结果可知,现状边坡和终了边坡在各种工况下安全系数都符合要求,现状边坡受持续暴雨影响最明显,主要是强风化岩体结构松散,岩体强度低,容易在雨水冲刷下失稳；终了边坡在地震载荷下安全系数最低,主要原因是随着开采活动进行地表高程降低,边坡高度相对增加,在地震惯性力作用下边坡更容易垮塌。

② 现状边坡的应变分布如图7所示,终了边坡的应变分布如图8所示。从图中看出，边坡变形破坏区基本位于强风化岩层中,变形的区域与Slide搜索的滑动面基本一致,说明三维边坡稳定性计算结果正确。终了边坡变形区域比现状边坡变形区域大,主要是因为随着开采活动进行采场高程下降,边坡高度相对增加，但现状边坡应变集中更明显,主要是坡面角较大,坡脚处应力集中,从而更容易发生剪切破坏。建议后期开采过程中减小坡面角,保证边坡稳定。

③ 边坡采用非线性静力分析,对比现状边坡和和终了边坡在自然工况下的位移情况,如图9所示。从图中可以看出，现状边坡和终了边坡的滑移都集中在强风化层,现状边坡最大位移为9.75×10-5,终了边坡最大位移为4.81×10-5,位移都趋势不大,说明现状边坡和终了边坡处于稳定状态。

④ 采用极限平衡法和有限元强度折减法计算边坡的潜在滑面基本一致,但边坡三维稳定性系数比二维稳定性系数高0.10～0.28。该矿山现状边坡高约50 m,潜在滑面长约80 m,长高比为1.60；终了边坡高约80 m,潜在滑面长220 m,长高比为2.75；根据文献[19],当边坡长高比小于5时,边坡二维稳定性计算结果误差在5%～50%。分析结果存在差异主要是矿山边坡地形复杂,二维稳定性分析不能充分考虑复杂边坡的侧向端部效应,计算结果偏低。边坡的二维稳定性分析考虑边坡的局部稳定性,不能用于评价复杂边坡的整体稳定性,评价复杂边坡稳定性宜采用三维稳定性分析。

(a) 工况Ⅰ

(b) 工况Ⅱ

(a) 工况Ⅰ

(b) 工况Ⅱ

(a) 现状边坡

(b) 终了边坡

4 边坡防治措施建议

① 计算结果表明，降雨对边坡稳定性影响较大,高岭土矿属于遇水易软化矿种,且边坡强风化岩体松散破碎,应加强采场排水措施建设。采场外围排水建设主要是修筑混凝土截水沟避免雨水汇集冲刷采场,截水沟走向应该根据地形呈东西布置；边坡坡面和各级台阶面应保持平整,采场边坡台阶形成坡度不小于3‰的反坡,台阶向矿山公路的排水沟形成3‰的坡度,将采场积水汇集后排至开采境界外。

② 从边坡稳定性分析结果可知,边坡变形区基本位于强风化岩层中,在开采过程中应严格控制强风化岩体坡面角,自上而下开采,禁止掏挖开采或崩落下部台阶形成“一面墙”的高陡坡。

③ 加强露天矿边坡的监测和巡视,对边坡进行位移监测和对采场进行降雨量监测,掌握边坡的滑移状态并结合雨量监测对灾害进行预警；矿山应安排专职工作人员对边坡定期巡视,发现险情及时汇报,停止生产和采取安全处理措施。

④ 为防止高岭土边坡进一步风化和雨水对边坡的侵蚀,降低干湿循环作用效应,对开挖后的坡体进行植被护坡或覆盖土工膜。