高陡岩质边坡变形破坏特征及控制研究

2022-08-12王继虎

黑龙江水利科技 2022年7期

王继虎

(济宁市水利工程施工公司，山东济宁 272000)

0 引言

近年来国内外很多学者对边坡的稳定性及边坡的滑动、垮塌等危险状态进行大量的研究，然后对于高陡岩质边坡的应力变形规律却研究的较少。例如：黄小桂[1]等研究了软岩陡倾边坡倾倒变形过程特征，并提出了相应的处置方案，为边坡的稳定性及道路的安全性做出了巨大的贡献；罗健平[2]采用强度折减法和饱和非饱和流固耦合理论研究了降雨条件下边坡的稳定性及不同降雨时长对边坡稳定性的影响，并提出了相应的治理措施；付钊龙[3]采用离散元分析软件PFC，研究了软硬互层顺向岩质边坡失稳变形规律，为工程的安全施工提供了科学依据；党力[4]等通过构建三维有限元模型，分析研究了东庄水库水垫塘高陡边坡施工期变形特性，发现边坡在施工期间存在大量的的变形现象，并为其提供了良好的治理措施，为工程的正常施工提供了安全保证。曾锦绣[5]研究了边坡在受破坏时，边坡的有效治理措施，文中基于上限法的科学理论，研究了抗滑桩的设计，并提出了双排抗滑桩的治理措施。范新宇[6]等研究了某水电站溢洪道边坡在受爆破扰动下的边坡稳定性，并研究了对边坡稳定性影响的主要因素，研究结果显示，爆破振动作用对边坡的稳定性有着举足轻重的作用。

1 工程概况

某矿山为石灰岩矿山，且该矿山属中高山地区，地形较陡，开采过程中形成了约90m高的高陡岩质边坡，且石灰岩属于沉积岩，矿区内岩体节理裂隙发育，岩体局部较为破碎，且随着开采的进行，在爆破扰动的冲击下，边坡时常有浮石冒落现象，且该区域内降雨量丰富，每年5-10月降水集中，且最大降雨量为900mm，由于石灰岩具有较强的水力性质，因此降雨对边坡具有一定的不良影响，为保证矿山的安全生产，需对该矿山高陡岩质边坡进行稳定性分析。

高陡岩质边坡稳定性分析的步骤主要分为：①对该高陡岩质边坡的岩石进行取样，并进行室内岩石力学试验，确定岩石的基本物理力学性质；②通过所得到的岩石的物理力学性质通过Hoek-Brown[7]强度准则，将岩石的物理力学性质转化为岩体的物理力学性质；③采用极限平衡法或强度折减法对边坡的稳定性进行分析，跟根据计算结果分析边坡的应力应变规律及特征(极限平衡法适用于完整岩体的稳定性分析，强度折减法适用于岩体存在大量节理裂隙及岩体局部破碎的边坡稳定性分析，文章工程地质条件中，高陡岩质边坡局部破碎且岩体的节理裂隙极度发育，因此采用强度折减法进行计算)；④提出有效的边坡治理措施。

2 力学试验

由于现场条件有限，无法进行现场岩体测试，因此采用现场钻孔的方式，取具有代表性的岩芯，进行室内岩石力学性质测定。试验前准备的样本，见图1；单轴抗压试验的应力应变曲线(部分图件)，见图2；劈裂抗拉试验曲线(部分图件)，见图3。

图1 试验前准备的样本

图2 单轴抗压试验的应力应变曲线(部分图件)

图3 劈裂抗拉试验曲线(部分图件)

图2和图3基本反映了岩样应力应变过程曲线变形的一般规律，岩块在外荷载作用下，产生变形，并伴随着荷载的不断增加，变形也不断增加，当荷载达到或超过某一定限度时，将导致岩块的破坏。同时根据图2可知该岩石的单轴抗压强度为40.46MPa，弹性模量为11.40GPa，单轴抗拉强度为4.21MPa。

3 岩体的质量评价

根据Hoek-Brown强度准则及非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB 51016-2014)并结合下列公式可以得出可将岩石的物理力学性质转化为岩体的物理力学性质：

σcm=σc·

(1)

式中：Ei为完整岩石的弹性模量；Erm为岩体弹性模量；σcm为岩体抗压强度；σt为岩体的抗拉强度。

将计算得出，岩体的物理力学参数，见表1。

表1 岩体的物理力学参数

4 高陡岩质边坡的变形规律

文章采用FLAC3D数值模拟软件对高陡岩质边坡进行稳定性分析，由于石灰岩的物理力学性质近似于摩尔-库伦弹塑性物理本构模型，因此文章采用摩尔-库伦弹塑性本构模型建立高陡岩质边坡，并采用强度折减法对其边坡的应力应变特征进行分析研究。

4.1 边坡的水平位移分析

根据现场的时间工程地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件建立三维地质边坡计算模型，并对边坡的水平位移和边坡的最大主应力进行计算，研究在自然状态和暴雨两种条件下的边坡的应力应变特征。

1)自然状态的边坡的位移分析：自然状态下边坡水平形变量，见图4。

图4 自然状态下边坡水平形变量

从图4可以看出，露天台阶边坡水平位移方向指向临空面，单位为正，最大水平位移约为1.10mm，主要集中在台阶坡面处，边坡整体未出现大的位移。

2)暴雨条件下边坡的位移分析：暴雨状态下边坡水平形变量，见图5。

图5 暴雨状态下边坡水平形变量

从图5可以看出，边坡开挖结束后，在暴雨工况下，岩体受降雨和渗流作用的影响，力学强度降低，出现水平方向的最大位移量约为1.44mm，方向指向坡外，单位为正，与自然工况相比在暴雨作用下台阶坡面水平位移增加了0.34mm，主要集中在台阶坡面处，边坡整体未出现大的位移。

4.2 边坡的最大主应力分析

根据上述分析可知，暴雨状态下边坡水平形变量高于自然状态下的边坡的水平形变量。由此可暴雨状态下边坡更不稳定。因此，为更接近实际的描述边坡的应力分布状态，确保边坡的稳定性。此次将暴雨状态下的边坡的最大主应力分布状态进行了系统的分析，并根据边坡的高度，由上至下每个平台均设置1个监测点，共设置5个监测点。暴雨状态下最大主应力分布图，见图6。

图6 暴雨状态下最大主应力分布图

图6可以得知暴雨过后边坡最大主应力为0.18MPa未超过岩体的极限抗拉强度；结合最大主应力历史记录图发现，5个监测点中应力最大为0.21MPa，最小为0.20MPa。监测点历史记录最大主应力十分接近岩体的极限抗拉强度但均没有超过，因此综上可以得出，该边坡在暴雨的作用下边坡表面在不同位置产生了不同程度的岩石裂缝，并没有产生滑坡，但是边坡局部会有浮石冒落，边坡产生的明显位移为边坡局部岩体开裂所致。