劣化擾動因素下尾礦庫邊坡地質災害預警及邊坡穩定性分析

盧許佳，楊潤基，高 慶，譚維佳

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，成都 611730； 2.中鐵三局集團有限公司，成都 611730； 3.長安大學 地質工程與測繪學院，西安 710054)

尾礦庫邊坡的穩定性直接影響尾礦庫的安全，是尾礦庫最重要的地質災害之一，近年來國內外許多學者對尾礦庫邊坡和初期壩進行了穩定性分析。方小明[1]從實踐的角度出發，落實到尾礦庫擋墻和排水溝的治理方面，修復了尾礦庫的邊坡，對尾礦庫的邊坡進行了設計修復；蘇振寧[2]基于三維極限平衡原理從材料的破壞程度出發，分析了三維邊坡的穩定性，并根據滑動面和安全系數等參數計算出了邊坡的穩定性；李元奇等[3]通過分析尾礦庫邊坡的病害機理研究了尾礦庫邊坡的失穩原因，并提出了治理措施；張紅[4]采用離散元法和極限平衡法對尾礦壩邊坡進行了三維數值模擬分析，并研究了尾礦壩的失穩致災因素，為今后的尾礦壩維護提供了科學的指導意見；李娜等[5]采用理正數值分析軟件對尾礦庫現階段和將來增高的尾礦壩進行了數值分析，從安全系數的角度出發研究了尾礦庫邊坡的穩定性；徐嘉辰等[6]采用Geo-studio軟件中的SLOPE/W模塊對東山鐵礦露天采場改建尾礦庫邊坡進行了穩定性分析；全超[7]采用MIDAS/GTS有限元軟件研究了降雨工況下尾礦庫滲流場作用下邊坡的穩定性。目前研究邊坡穩定的方法以極限平衡法和強度折減法[8-10]最為常見。本文在總結前人研究的基礎上，采用3DMine，FLAC3D數值模擬軟件、Origin后處理軟件以及室內巖石力學試驗等方法對擬建尾礦庫3面邊坡在自然和降雨條件下的穩定性進行分析，旨在為今后尾礦庫的建設提供科學依據，并為今后尾礦庫邊坡的治理提供指導意見。

1 模擬方案

某擬建尾礦庫位于一山坳中，三面環山，一面修筑初期壩，除初期壩外，其余三面均為山體邊坡，其中有兩處在此之前被人工開挖過，形成一小部分的人工邊坡。為了保證尾礦庫的正常修建，需對三面山體邊坡的穩定性進行分析。已知尾礦庫北側邊坡高208 m，其中自然邊坡高188 m，人工開挖邊坡為20 m，且在10 m高的位置設置有安全平臺，寬度為4 m；尾礦庫西側邊坡高124 m，其中自然邊坡高109 m，人工開挖邊坡高15 m，未設置安全平臺；尾礦庫東側邊坡高138 m，均為自然邊坡，沒有人工開挖。根據現場實際，為分析該尾礦庫三面邊坡的穩定性，設置3個剖面分別進行分析，即北側邊坡剖面設計為Ⅰ-Ⅰ剖面，西側邊坡剖面設計為Ⅱ-Ⅱ剖面，東側邊坡設計為Ⅲ-Ⅲ剖面。具體如圖1所示。

圖1 尾礦庫邊坡位置模型圖Fig.1 Model diagram of tailings pond slope position

模擬方案主要為：1)將選擇的3個剖面分別建立三維模型；2)設置約束條件；3)對該處的巖石進行取樣，并進行室內巖石力學試驗；4)根據巖石試件的試驗結果，分析巖體的質量；5)對模型賦參數；6)設置工況(根據該處的地質報告可知，該區域內無地震影響，且年降水量相對較大，因此模擬工況設置為：自然工況和自然+降雨工況)；7)進行數值計算；8)分析計算結果，判斷邊坡的穩定性。

2 模型的建立

根據模擬方案尾礦庫三面山體邊坡的形態以及3個剖面邊坡的高度和特點建立三維數值計算模型。計算采用強度折減法對3個剖面的邊坡進行分析，研究結果通過邊坡的安全系數、邊坡位移及最大主應力分布三個方面來綜合進行分析。建立的模型尺寸分別為：Ⅰ-Ⅰ剖面長×寬×高=423 m×2 m×258 m，Ⅱ-Ⅱ剖面長×寬×高=313 m×2 m×174 m，Ⅲ-Ⅲ剖面長×寬×高=396 m×2 m×188 m。模型建立2 772個節點，1 716個單元。同時在Ⅰ-Ⅰ剖面和Ⅱ-Ⅱ剖面人工開挖邊坡位置網格進行了加密處理，旨在重點監測人工開挖邊坡的變形及穩定性。同時為保證模擬的正確性需對模型做出如下假設[11]：

1)各巖層均為各向同性的均質體；2)符合摩爾-庫倫彈塑性理論模型；3)模擬自然工況不考慮地下水的影響，模擬降雨工況考慮降雨滲流的影響。

由于尾礦庫邊坡基本為自然邊坡，因此模擬過程中不考慮水平應力的影響，模型僅受重力影響且重力加速度即g取9.8 m/s2。三維數值模型如圖2所示。

圖2 模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the model

2.1 巖石力學參數的確定

通過對尾礦庫庫內人工開挖過的邊坡進行地質勘察可知，該區域內地質條件復雜，節理裂隙發育，巖體多呈破碎狀。為更加準確的得出巖體的力學性質，對人工開挖邊坡附近的巖石進行取樣分析。

將現場取回的巖石樣本進行切割、編號，而后進行室內巖石力學試驗，本次試驗主要包括：巖石的單軸抗壓試驗、巖石的密度及吸水率試驗(由于試驗結果圖件居多，因此這里只展示部分圖件用以說明問題)。試驗結果具體如下：

1)巖石的單軸抗壓強度

巖石的單軸抗壓強度應力-應變曲線圖如圖3所示。根據圖3可知巖石的單軸抗壓強度約為46.55 MPa，彈性模量約為12.41 GPa。

圖3 巖石單軸應力-應變曲線(部分圖件)Fig.3 Rock uniaxial stress-strain curve(partial drawings)

2)巖石的密度、吸水率試驗

試驗步驟如下：

(1)將選取的巖樣置于烘箱內，保持烘箱的溫度集中在105～110 ℃，如此條件下將巖樣烘24 h，而后取出冷卻至室溫后稱量。

(2)采用煮沸法對巖樣進行煮沸，經6 h后將巖樣取出，分別進行冷卻后的巖樣稱量和置于水中稱量，以得出其在水中的質量。

(3)稱量精度應為0.01 g。

稱量結束后，通過巖石自然密度和飽和密度的計算公式可以計算得出巖石的自然密度為2.66 g/cm3，飽和密度約為2.70 g/cm3，巖石的吸水率為11%(此數值用于后續降雨模擬)。

2.2 巖體的質量評價

巖體的質量指標通過巖體的質量指標RMR和節理巖體地質強度指標GSI來綜合判斷，RMR指標和GSI指標的取值根據現場實際并參照《非煤露天礦邊坡工程技術規范》(GB 51016-2014)中巖體的單軸抗壓強度、RQD值、節理間距、節理條件及巖體結構綜合判定，通過對現場地質勘察可以得出邊坡的巖體質量指標RMR值為39，節理巖體地質強度指標GSI值為34。

因為巖石的力學試驗參數與實際巖體的質量參數具有較大的差異，因此模擬過程中，應將巖石的力學參數轉化為巖體質量參數以滿足模擬的正確性和科學性。根據Hoek-Brown[12]強度準則及《非煤露天礦邊坡工程技術規范》(GB 51016-2014)將巖石的力學參數轉化為巖體的質量參數，計算公式為式(1)～(7)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，σt為巖體的單軸抗拉強度；φ為巖體內摩擦角；c為巖體的內聚力；Ei為完整巖石的彈性模量；Erm為巖體彈性模量；D為爆破影響系數，本次研究取D=0.9；mb、s和α均為巖體的材料參數；K為體積模量，G為切變模量，E為彈性模量，v為泊松比。

經計算可以得出巖體的力學參數，如表1所示。

表1 巖體力學參數Table 1 Rock mass mechanical parameters

2.3 邊界條件

由圖1可知，尾礦庫邊坡3個剖面的左右兩側均有山體。因此模型計算時，由圖2所示，邊坡的左側和內外邊界的位移、應力和加速度均需采用FLAC3D內置命令Fix進行約束，邊坡的底部與大地相連，因此模型的底部也需進行約束，邊坡坡面和頂部為自由邊界，無需施加加速度、應力和位移的約束。但模擬降雨對邊坡的影響時，需采用FLAC3D的內置命令Config fluid進行約束。

3 結果分析

3.1 模擬結果

模擬中采用摩爾-庫倫本構模型[13]，根據模擬方案及巖體力學參數計算得到尾礦庫三面山體邊坡各剖面在自然和降雨工況下邊坡的安全系數、最大剪應變、最大水平位移以及各剖面邊坡的最大主應力。安全系數和最大剪應變如圖4和圖5所示，最大水平位移如圖6所示，最大主應力如圖7所示。

圖4 自然工況下邊坡各剖面安全系數及剪應變云圖Fig.4 Safety factor and shear strain cloud diagram of slope sections under natural conditions

圖5 降雨工況下邊坡各剖面安全系數及剪應變云圖Fig.5 Safety factor and shear strain cloud diagram of slope sections under rainfall condition

將FLAC3D數值計算結果得到的數據導入Origin后處理軟件，分別得到尾礦庫3個剖面在自然和降雨兩種工況下邊坡的水平最大位移如圖6所示，邊坡的最大主應力如圖7所示。

圖6 自然和降雨工況下邊坡各剖面最大水平位移Fig.6 Maximum horizontal displacement of each section of slope under natural and rainfall conditions

圖7 自然和降雨工況下邊坡各剖面最大主應力Fig.7 Maximum principal stress of each section of slope under natural and rainfall conditions

3.2 數據分析

根據圖4可知，尾礦庫在自然工況下3個剖面的邊坡安全系數和剪應變，其中Ⅰ-Ⅰ剖面的安全系數為1.28，最大剪應變位置出現在邊坡的底部位置，即人工開挖邊坡處，且最大剪應變約為49 mm；Ⅱ-Ⅱ剖面的安全系數為1.72，最大剪應變的位置同樣出現在邊坡的底部位置及人工開挖邊坡處，且最大剪應變約為12 mm；Ⅲ-Ⅲ剖面的安全系數為1.81，且邊坡整體沒有出現明顯的剪應變，相對于Ⅰ-Ⅰ剖面和Ⅱ-Ⅱ剖面而言，Ⅲ-Ⅲ剖面沒有人工開挖過，因此邊坡整體呈現穩定的性質。

根據圖5可知，尾礦庫在降雨工況下3個剖面的邊坡安全系數和剪應變，其中Ⅰ-Ⅰ剖面的安全系數為1.26，最大剪應變位置出現在邊坡的底部位置，即人工開挖邊坡處，且最大剪應變約為56 mm；Ⅱ-Ⅱ剖面的安全系數為1.70，最大剪應變的位置同樣出現在邊坡的底部位置及人工開挖邊坡處，且最大剪應變約為51 mm；Ⅲ-Ⅲ剖面的安全系數為1.79，由圖5可知，在降雨工況下，Ⅲ-Ⅲ剖面依舊沒有產生明顯的剪應變。邊坡處于穩定狀態。

根據圖6可知，無論在自然工況下還是降雨工況下Ⅰ-Ⅰ剖面的水平位移最大，Ⅲ-Ⅲ剖面次之，Ⅱ-Ⅱ剖面最小。其中在降雨工況下邊坡的位移均有所上升。根據圖7可知，無論在自然工況下還是降雨工況下3個剖面邊坡的最大主應力均為拉應力，且3個剖面的最大主應力大小相差不大，均維持在0.1 MPa左右。

4 結論

本文通過對某擬建尾礦庫3個剖面的邊坡進行分析可以得出以下結論：

1)通過現場取樣和室內巖石力學試驗可以得出，巖石的單軸抗壓強度約為46.55 MPa，彈性模量約為12.41 GPa，并以此為基礎計算得到了巖體的質量。

2)通過巖石的密度吸水率試驗可以得出巖石的自然密度為2.66 g/cm3，飽和密度約為2.70 g/cm3，巖石的吸水率為11%。

3)通過三維數值分析得出3個剖面的邊坡均處于穩定狀態。Ⅰ-Ⅰ剖面和Ⅱ-Ⅱ剖面雖然邊坡底部存在最大剪應變，但其安全系數均滿足規范要求，其邊坡處于穩定狀態，且其邊坡表面的最大主應力均分布在0.1 MPa左右，不會產生明顯的應力變化。