竹仔岭花岗岩矿边坡稳定性研究.pdf

竹仔岭花岗岩矿边坡稳定性研究彭乐平1,张桂银2,孙鹏1(1.广东省冶金建筑设计研究院有限公司,广东 广州 5 1 0 0 8 0;2.中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙 4 1 0 0 8 3)摘 要:针对某采石场边坡局部崩塌现象,考虑自然工况、爆破工况以及地震工况,基于M i d a sG T S软件,利用两种有限元分析方法(强度折减法、应力分析法)以及两种极限平衡分析法(S p e n c e r法、M o r g e n s t e r n-P r i c e法)对边坡稳定性进行分析并计算边坡安全系数,不同的分析方法相互验证。结果表明,爆破振动力和地震力均使得边坡最小安全系数降低,地震力影响更大。各工况下边坡最小安全系数均符合规范要求,边坡处于稳定状态。同时根据矿山实际情况给出了针对性的防治建议。关键词:边坡稳定性;极限平衡法;有限元法;M i d a sG T S;安全系数0 引言某露天采场内,局部人工边坡坡面发生大气降水诱发的崩塌现象,为避免崩塌和滑坡等地质灾害1,保证工程建设及人员安全,有必要对其边坡稳定性进行分析评估,为滑坡灾害的防治提供依据。极限平衡法是分析边坡稳定性的基本方法23,此外还有学者利用有限元法进行边坡稳定性分析4。何旭等5分析边坡模型的空间几何拓扑并利用有限元方法进行模拟分析,验证了所选取岩体物理力学参数的合理性。张飞等6基于变分理论的极限平衡法对转弯凸型边坡进行了三维稳定性分析。陈朝晖等7建立了一种基于变分原理的有限元极限分析方法并与极限平衡法进行了对比。邓琴等8采用F L A C 3 D软件结合应变软化理论分析了多阶边坡的稳定性。以往的研究均聚焦于一种或几种方法在边坡稳定性分析中的适用性,少有利用几种分析方法对不同工况下边坡稳定性进行分析。为保证分析结果的准确性,本文采用赤平投影法进行定性分析,再基于M i d a sG T S,在几种工况下利用极限平衡法及有限元法对边坡稳定性进行定量分析,结果显示边坡在不同工况下均处于稳定状态。1 采场稳定性分析根据相关地质报告,依据结构面及终了边坡的特征将采场区域划分为A、B、C、D、E5个区,如图1图1 采场区域划分所示。其中D区和E区边坡高度较低,根据现场实际观察,该区域稳定性较好。因此本文将A、B、C区作为研究对象,3个区域边坡倾角均为4 4。根据矿体赋存情况以及矿山生产条件,安全平台以及清扫平台的宽度分别设计为5m、8m,每隔2 3个安全平台设置一个清扫平台。对于风化程度较强的花岗岩及残坡积层,台阶坡角为4 5,台阶高度为9m左右。对于风化程度较低的花岗岩矿体,台阶坡角为6 0,台阶高度大于1 0m。采场范围内未见明显构造断裂带通过。矿区内地下水类型主要为块状岩类裂隙水,采场内出露一处泉点,沿岩体节理裂隙渗出,流量约0.1 5 5L/s。利用R Q D、RMR以及G S I三种岩体分级方法综合对边坡岩体进行质量分级,同时根据已有的工I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 3程勘察报告,采用HO E K-B R OWN破坏准则选取每种岩性的岩体力学参数,得到的结果列于表1。表1 岩土体的物理力学参数岩土名称岩体类型自然容重/(k N/m3)含水量W/%饱水容重s a t/(k N/m3)直剪快剪饱和快剪黏聚力Cq/k P a内摩擦角q/()黏聚力Cq/k P a内摩擦角q/()渗透系数(室内)k/(1 0-4c m/s)泊松比弹性模量E/G P a砾(砂)质黏性土-1 9.02 4.41 9.61 8.82 3.11 1.01 5.03.6 10.3 55.0全风化花岗岩-1 9.02 2.71 9.71 8.62 4.31 1.51 5.43.8 70.3 51 0.5强风化花岗岩类2 0.0*1 5.22 0.7*3 03 52 52 81 20.3 11 2.5中风化花岗岩类2 5.70.3 52 5.92 9 3.53 6.22 3 93 60.8-微风化花岗岩类2 6.20.2 62 6.45 8 24 3.24 7 1.54 30.8-1.1 赤平投影法假设边坡岩体是刚性的,不考虑内部块体之间应变,同时忽略条件力的作用,只考虑块体滑动力与抗滑力的作用。在此前提下,利用赤平投影法对边坡高度较高的A、B、C三个区进行边坡稳定性分析。A、B、C区的赤平投影分析如图2所示。A区中,边坡与层面走向相反,为反向坡,岩层面与坡面相反,属于稳定结构面。节理1与坡面走向相反,倾角比层面大3 4,利于边坡的稳定;节理2(a)A区(b)B区(c)C区图2 A、B、C区赤平投影分析走向与坡面相反,利于边坡稳定;节理3与节理4的边坡走向与坡面相同,但是走向相差角度较大,并且倾角大于坡面,处于稳定状态。所有节理组的交线倾角均大于坡面,而且交线的走向与坡面走向均在2 0 之外,边坡处于稳定状态。用相同的方法分析B区和C区的边坡稳定性,不考虑长期风化、卸荷或人为扰动的情况下,A、B、C区边坡整体均属于稳定边坡。1.2 有限元法如图1所示,在综合考虑边坡基本特征、地形地貌及开采设计方案的情况下,在A、B、C区分别选取A A、B B、C C 3个剖面,最大高程差分别为1 3 5m、2 5 0m及2 0 0m。利用M i d a sG T S进行二维建模。按不同的地层赋予其相应的材料属性并进行网格自由划分,如图3所示。本文采用弹塑性模型中的莫尔 库仑准则,并采用有限元强度折减法(S RM)和有限元应力分析法(S AM)两种方法进行分析计算。首先利用M i d a sG T S的流场分析功能分析边坡开挖后的渗流场分布,从而获得开挖前后的渗流场变化,为后续的分析中孔隙水压力的获取提供35彭乐平,等:竹仔岭花岗岩矿边坡稳定性研究依据。图3 A A 剖面网格划分根据现场实际情况和工程需要,进行模拟分析的时候分自然工况、爆破工况及地震工况3种工况进行分析:自然工况,考虑自重和地下水影响;爆破工况,考虑自重、地下水和爆破振动力影响;地震工况,考虑自重、地下水和地震力影响。对于爆破工况,根据实际爆破方案,孔间时间为2 0m s,排间时间为4 5m s,单次爆破持续时间为0.6 9 5s。对于地震工况,采用拟静力法分析模拟地震工况下边坡内部的应力和位移,本区抗震设防烈度为度,设计地震分组为第一组,设计基本地震峰值加速度为0.1 0g,建筑场地类别类区反应谱特征周期为0.3 5s。1.3 极限平衡法极限平衡法是广泛应用的边坡稳定性计算方法,极限平衡法的基本原理是根据静力平衡原理和莫尔 库伦破坏准则计算多个滑裂面的安全系数,找到最小的安全系数,以最小安全系数作为稳定性评价指标。根据设计边坡情况,本次极限平衡分析采用S p e n c e r法与M o r g e n s t e r n-P r i c e(简称“M-P法”)法进行边坡稳定性分析。S p e n c e r法和M-P法均同时满足力的平衡与力矩平衡9,相对于其他极限平衡算法,计算结果更加精确。篇幅所限,仅列出A A 剖面不同工况下极限平衡法计算结果,如图4所示。(a)自然工况下M-P法 (b)自然工况下S p e n c e r法(c)爆破工况下M-P法 (d)爆破工况下S p e n c e r法(e)地震工况下M-P法 (f)地震工况下S p e n c e r法图4 A A 剖面不同工况下极限平衡法计算结果45采矿技术2 0 2 3,2 3(3)2 结果分析由于篇幅所限,仅列出A A剖面3种工况下S RM法及S AM法模拟结果,如图5所示。在自然工况下,A A剖面采场边坡的潜在滑移面主要出现在边坡上部位置与微风化坡脚位置,有两个潜在滑动面,第一个从粉质黏土开始发展,在强风化岩边坡坡面位置剪出,第二个潜在滑动面从微风化坡脚位置剪出,在边坡地表局部有部分单元受拉破坏。(a)自然工况下S RM法 (b)自然工况下S AM法(c)爆破工况下S RM法(d)地震工况下S RM法 (e)地震工况下S AM法图5 剖面A A不同工况下等效塑性应变云图55彭乐平,等:竹仔岭花岗岩矿边坡稳定性研究 在爆破工况下,爆破荷载施加在最下面的两级台阶上,有一个将动力场计算结果进行强度折减法计算得到的潜在滑动面,从微风化内部开始发展到爆炸的第二级台阶位置剪出。地震工况下的潜在滑动面从粉质黏土与全风化岩相交位置开始发展,从中风化岩与强风化岩相交的台阶位置剪出。根据 非煤露天矿边坡工程技术规范(G B5 1 0 1 62 0 1 4),石场边坡工程安全等级为级,稳定性计算时自然工况设计安全系数取1.2 3,爆破振动工况设计安全系数取1.2 0,地震工况设计安全系数取1.1 5。图6展示了不同边坡剖面安全系数的计算结果,可以看出,对于不同的计算方法,自然工况、爆破工况以及地震工况下的安全系数计算结果依次递减,地震工况下安全系数最低。这说明地震力对边坡稳定性有着较强的威胁,其中B B剖面在地震工况下最小安全系数仅略大于规范许用安全系数。总体来说,各工况下安全系数均高于判定标准,边坡处于稳定状态。图6 不同边坡剖面安全系数计算结果3 结论本文为分析某露天采场边坡稳定性,选取3个代表性边坡剖面,采用M i d a sG T S进行二维建模,基于极限平衡法以及有限元法,分别分析边坡在自重+地下水影响、自重+地下水+爆破振动力影响以及自重+地下水+地震力影响下的稳定性,经过计算分析主要得到以下结论。(1)采用有限元法、赤平投影法以及极限平衡法对边坡稳定性进行分析,3种分析方法相互验证。根据行业规范对分析结果进行评估,采场边坡在自然工况、爆破工况及地震工况下均处于稳定状态。(2)对于3种工况下计算得到的安全系数,总体趋势从大至小依次为:自然工况、爆破工况、地震工况。综合而言,地震力对边坡稳定性影响较大。(3)本次评价边坡整体稳定,但局部仍存在塑性变形,有滑移的倾向。因此,矿山开采过程中应严格按照开采设计要求进行开采,同时还应对边坡进行变形监测工作,尤其是暴雨情况下应加密监测频率。参考文献:1 陈光木,黄春福.大宝山边坡治理实例分析J.采矿技术,2 0 1 5,1 5(0 2):5 6-5 8.2贺云,李爱兵,虎万杰.含软弱夹层露采边坡稳定性分析与治理方案研究J.采矿技术,2 0 2 2,2 2(0 1):5 4-5 7.3陈卫东,王远来,向军,等.基于极限平衡法及数值模拟的废石堆场边坡稳定性分析J.采矿技术,2 0 2 0,2 0(0 4):8 0-8 2.4易露,张华.铜山口铜矿露天边坡稳定性分析J.采矿技术,2 0 2 1,2 1(0 5):7 5-7 8.5何旭,李克钢,秦庆词,等.某磷矿露天边坡稳定性分析J.矿业研究与开发,2 0 2 1,4 1(0 9):2 5-2 8.6张飞,林立曜,舒爽,等.转弯凸型边坡静动力稳定性分析及空间效应研究J.岩土工程学报,2 0 2 2,4 4(0 8):1 5 5 8-1 5 6 6.7陈朝晖,雷坚,黄景华,等.考虑参数空间变异性的边坡稳定可靠性有限元极限分析J.岩土工程学报,2 0 1 8,4 0(0 6):9 8 5-9 9 3.8邓琴,汤华,王东英,等.基于应变软化的多阶边坡稳定分析J.岩土力学,2 0 1 8,3 9(1 1):4 1 0 9-4 1 1 6.9陈凯强.土坡稳定分析S p e n c e r法与M o r g e n s t e r n-P r i c e法的有效应力形式D.天津:天津大学,2 0 1 8.(收稿日期:2 0 2 2-0 9-1 4)作者简介:彭乐平(1 9 7 6),男,江西都昌人,高级工程师,主要从事矿山设计及爆破安全研究,E-m a i l:1 0 1 5 6 4 9 9 4 2 q q.c o m。65采矿技术2 0 2 3,2 3(3)