爆破作用下巖溶對邊坡穩定性的數值模擬研究*

任高峰,王 鑫,周漢紅,鄧德志,廖 兵,向小東,胡世士,張聰瑞,SAMI Kakar,THEONESTE Ndayiragije

(1.武漢理工大學 資源與環境工程學院,武漢 430070;2.武漢市公安局 治安管理局,武漢 430077;3.中交四航局第二工程有限公司,廣州 510230;4.葛洲壩興山水泥有限公司,興山 443000;5.中國葛洲壩集團 水泥有限公司,荊門 448000)

露天金屬礦山大多采用爆破的方式進行開采,但是,在爆炸過程中,炸藥產生的一部分能量會以地震波的形式向外傳播[1],對爆區范圍內的巖體安全、邊坡穩定性造成影響,特別是邊坡處于巖溶發育區時更容易造成邊坡失穩[2]。

數值模擬計算因其成本低、求解速度快備受國內外研究人員青睞,眾多學者也采取數值模擬的方法開展各類研究[3,4]。杜學領等通過建立包含巖溶結構的開采模型[5],研究巖溶結構對開采擾動、開采速度、開采方向等方面造成的影響,得出巖溶結構造成頂板應力突變的位置在巖溶與非巖溶邊界區域更加明顯。黃靜波等運用MIDAS/GTS數值模擬軟件對溶洞圍巖中爆破地震波的傳播規律進行分析[6],得出巖溶隧道受質點振速而產生溶洞圍巖擾動,而避免產生裂隙的安全振速范圍是小于6 cm/s;王少輝等運用MIDAS軟件進行數值模擬得出在爆破荷載作用下[7],隧道溶洞頂壁、隧道拱頂以及拱腳更容易發生應力集中,同時這些部分更容易出現不穩定巖體掉落和圍巖裂隙擴展現象,并且在爆破工藝中,由于工藝所造成的干擾損傷[8],往往會在溶洞頂壁和隧道的輪廓交會處,而爆點受力集中的可能性就越大,巖壁裂隙擴展趨勢也隨著質點振速的增加而增加。

綜上所述,部分學者在研究巖溶區對工程結構造成的影響方面已取得了一系列成果[9,10],在前人研究的基礎上,論文以興山縣塘埡石灰巖礦+1014 m平臺出露巖溶為研究對象,采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析程序進行數值模擬,建立現場炮孔布置方式計算模型,并分別在模型有無溶洞位置設置應力監測單元,重點對比分析了有無溶洞對邊坡應力[11]、爆破振速[12]、邊坡巖體損傷的差異[13],并提出了巖溶處理的措施,為巖溶區的支護設計提供了理論基礎和技術支撐。并提出有效的支護處理措施,增強巖溶區邊坡巖土體的穩定性,保障邊坡的長期穩定[14]。

1 工程概況

塘埡水泥巖礦區位于興山縣城西南約28 km處,屬興山縣昭君鎮青華村管轄,礦區面積16 000 m2。礦山為山坡露天礦山,設計范圍內最高開采標高+1062 m,最低開采標高+880 m,根據礦山地形條件、礦層賦存情況結合礦區開采現狀,設計開采方法為自上而下分層開采,臺段高12 m。如圖1所示。

圖1 塘埡水泥灰巖礦露天邊坡Fig. 1 Open-pit slope of Tangya cement limestone mine

一般礦山地表巖溶裂隙率是0.05%～1.3 %,而塘埡礦山最大達到了9.23 %,塘埡礦山礦區方向的巖溶率0.61%,其巖溶裂隙在深部鉆孔中最大長度達到了7.8 m,礦區平均的巖溶裂隙率2.84%,說明礦區整體巖溶不發育。三峽大學在經過調查評估后,證實前期關于巖溶的結論基本正確。即塘埡礦山巖溶總體不發育,該地區巖溶也為邊坡的滑塌提供了一定的自由面。

礦山從坡腳+1014 m平臺到坡頂+1132 m平臺共發現12個溶洞,呈溶縫或落水洞型,寬度在1 m以上的4個,占30%,寬度在2 m以上的4個,占30%。

坡體內分布有巖溶裂隙和小型溶洞,主要集中于中北部,部分裂隙貫通至地表或坡面,這些裂隙提供了一條通道,使大氣層的降水滲透到補給地下水中,使巖體的力學性能發生了劣化。塘埡石灰巖礦深部擴界開采過程中可能遭遇巖溶較發育地段,存在誘發局部崩陷可能,增加了礦山日常生產可能產生的一系列不安全因素。因此,研究巖溶對爆破地震波的傳播影響,判定隧道爆破過程中空洞效應對圍巖的影響程度以及影響范圍,以指導邊坡穩定性的設計尤為關鍵[15],采用爆破動荷載數值模擬手段,研究在爆破工況下巖溶對邊坡穩定性的影響,為巖溶附近區域的邊坡巖體設計支護提供有效的理論依據。

2 數值計算模型及參數

2.1 模型的構建

根據邊坡的地形平面圖及勘探線地質剖面圖,進行三維坐標變化,建立地質體之間的關系,并按照邊坡開挖順序,采用1∶1的比例處理成三維實體模型如圖2所示,建立該模型重點是基于主要斷層對邊坡穩定性的影響。

圖2 三維實體模型Fig. 2 Three-dimensional solid model

在數值模擬模型的建立過程中,首先對該模型進行以下幾個假設:(1)假定巖石介質具有連續性;(2)假定爆炸產物的膨脹是絕熱工藝;(3)爆轟氣體的滲流效應不在考慮范圍。

為了簡化模型,減少單元數量,提高計算速度,選取高邊坡北側+1026 ～+1040 m平臺結構斷面為原型,并依照ANSYS數值模擬軟件的基本原理,在實際計算中將z方向長度設置為1個單位進行建模,然后在后處理當中設置z方向位移約束。

探究爆破對邊坡的影響,假設z方向無限大。所建立的模型大小為13 800 cm×235 800 cm×1 cm,炮孔半徑為4.5cm,排間距為380 cm,假設溶洞為空氣填充的均質空材料,尺寸為300 cm×300 cm×1 cm數值模型采用單位制。臺階后部,底部和z方向設定無反射邊界。

2.2 爆破荷載

1)爆破介質模型

為了研究爆破荷載作用下的巖石材料變形和破壞機理,本文在LS-DYNA中采用比較具有代表性的*MAT_Johnson_Holmquist_Concret巖石材料模型,簡稱H-J-C模型,其在爆破作用下對巖石與混凝土材料的高應變和大變形的物理性能描述較為準確,巖石物理力學參數如表1所示。

表1 巖石物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock

2)炸藥模型

LS-DYNA中包含兩種炸藥爆轟模型:高能燃燒模型和點火生成模型。本次模擬用到高能燃燒模型(MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)。高能燃燒模型根據炸藥上各點距起爆點的距離和炸藥爆速來確定每點的起爆時間。炸藥參數如表2所示。

表2 炸藥參數Table 2 Explosives parameters

3)狀態方程

在高壓狀態下,固體通常會表現出流體特性,故更新靜水壓力需要引入狀態方程。用狀態方程來表述壓強、內能和密度等參數之間的關聯。材料模型只給出塑性階段材料的本構,狀態方程給出了高壓狀態下彈性材料的本構。本次模擬選用JWL方程,該狀態方程是目前模擬計算中使用最為廣泛的一類,屬于不顯含產物組成的狀態方程。

1956年,美國工程師Lee根據H Jones和M L Wilkins的研究理論上提出了一種新的狀態方程,即JWL方程,該方程是一種半經驗狀態方程。JWL等熵方程形式如下

Ps=Ae-R1V+Be-R2V+CV-(ω+1)

(1)

式中:V=v/v0=ρ0/σ為相對比容,其中v代表現時比容,v0代表初始比容;A、B、C以及R1、R2、ω分別為材料參數,在計算中材料參數根據實際情況進行取值。炸藥狀態方程(JWL)的參數如表3所示。

表3 炸藥狀態方程(JWL)的參數Table 3 Parameters of the Explosives Equation of State(JWL)

模擬所用參數的數據,一部分來自于礦山的地質資料,還有一部分來自于具體的推演計算。在進行下一步工作,即將各項參數在后處理中賦值的過程前要進行單位換算,將原單位換算至cm-g-μs單位制中,便于之后讀取數據。

2.3 監測點的布置

將監控點布置在LS-Prepost后處理軟件中,是得出數值模擬結果的一種常用方法,在選定監測點后,輸出各監測點的數據進行理論分析,由局部分析總體,從而達到理論分析的目的。監測點的布置要遵守一定的原則,使其能夠更好地反映總體的模擬結果。

在考慮距離炮孔方面,監測點要選擇距離炮孔位置適當的地方,由于爆破模擬屬于大應力模擬,故在距離炮孔過近或者較遠的地方布置監測點都不能反映較好的模擬結果。

在考慮自由面方面,監測點不應選在自由面附近,由于自由面會對應力波產生折射和反射,因此,靠近自由面的地方可能會發生較大的震蕩。

本次模擬主要是為了驗證邊坡爆破過程中,溶洞對附近邊坡造成的影響,因此考慮上述選點原則,應將監測點設置在溶洞附近,遠離自由面的地方,具體選點位置如邊坡模型構建如圖3、圖4所示。

圖3 有溶洞和無溶洞模型建立Fig. 3 Establishment of model with and without karst cave

圖4 有溶洞和無溶洞邊坡監測點提取單元位置示意圖Fig. 4 Extraction unit location diagram of slope monitoring points with and without karst cave

3 模擬結果及分析

3.1 巖溶對邊坡應力影響分析

應力云圖表示的是不同時刻下應力的分布,為了使云圖顯示更清楚,在后處理中設置顯示的最大值為7 MPa,即在上圖顯示中應力最小值在紅色區域處,為7 MPa。

由圖5可知,在11 ms時應力波傳到了溶洞附近,并在溶洞尖端位置產生了應力集中現象,而同一時刻的無溶洞邊坡中,應力的傳播是規律的,在同位置處并沒有產生上述的應力集中現象。

圖5 第11 ms時邊坡應力云圖Fig. 5 Slope stress nephogram at 11 ms

從無溶洞第11 ms時邊坡應力云圖中可以看出,在無溶洞邊坡中,第一次爆破產生的應力波已經穿過了觀察區域,而在有溶洞第11 ms時邊坡應力云圖中,由于溶洞的存在,溶洞尖端再次出現了應力集中現象,且應力值不小于7.6 MPa。

由圖6可知,觀察溶洞區域邊坡受力情況,在15 ms時刻,在完整邊坡第二次爆破產生的應力波到達觀察區域之前,含溶洞邊坡已經在溶洞附近產生了應力集中區,且應力值已經達到的所設置的顯示閾值。通過觀察后續云圖,該區域應力仍然在不斷增加。

圖6 第15 ms時邊坡應力云圖Fig. 6 Slope stress nephogram at 15 ms

綜上所述,溶洞的存在,使得臺階出現受力改變,出現應力集中,根據前期開展的巖石單軸抗壓強度實驗,所取巖樣平均單軸抗壓強度是94.71 MPa,所以臺階受力產生的應力值較小,仍不足以破壞局部邊坡巖體。

3.2 巖溶對爆破振速影響分析

選取的監測點在空間位置上兩兩近似相同,根據其是否穿過溶洞對其進行編號,含溶洞邊坡三個監測點分別為A1、B1、C1,完整邊坡相對應位置的三個監測點分別為A0、B0、C0。

為方便描述以相同空間位置的兩個監測點為一組,分為第一組(A1、A0)、第二組(B1、B0)、第三組(C1、C0),并通過計算,分別提取其在x和y方向上的振速時程曲線,如圖7～圖12所示。

圖7 A點x方向振動速度Fig. 7 Vibration velocity of point A in x direction

圖8 A點y方向振動速度Fig. 8 A point y direction vibration velocit

圖9 B點x方向振動速度Fig. 9 Vibration velocity of point B in x direction

圖10 B點y方向振動速度Fig. 10 B point y direction vibration velocity

圖11 C點x方向振動速度Fig. 11 C point x direction vibration velocity

圖12 C點y方向振動速度Fig. 12 C point y direction vibration velocity

三組監測點的x方向最大振動速度在2.2 cm/s上下,且有無溶洞情況下并沒有明顯差別。其中第一組和第三組在完整邊坡下的x方向振動速度略大于含溶洞邊坡,比較第一組和第三組數據發現,A0和C0之間的振動速度相差約為0.15 cm/s,而A1和C1兩監測點之間的振動速度差值約0.1 cm/s,分析空間位置關系,可以認為,溶洞的存在阻礙了震動波的傳播,導致上述振動速度差值的變化。

就y方向振動速度而言,組內比較第一二組,振動速度差值約為0.3 cm/s,第三組的差值約為0.7 cm/s,含溶洞邊坡監測點的振動速度均大于同監測點完整邊坡的振動速度。溶洞的存在增加了新的自由面,尤其是y向上,空間位置上本來就存在較近的臺階坡面,振動速度明顯高于x方向因此,溶洞對振動速度的影響,在y方向的表達更為明顯。第一三組的A1與C1的差值為1.01 cm/s,而A0和C0點的差值為0.63 cm/s,這可能是由于溶洞的存在,增加了自由面,使得前者的空間位置不同導致的振動速度差值明顯增加。

綜上所述,有無溶洞的存在,對相同空間位置監測點x方向爆破振動速度的影響較小,但不同空間位置的振動速度,仍然受到影響,具體表現為,溶洞的存在使得空間位置的不同的監測點之間的振動差值變大。而y方向振動速度受溶洞存在的影響則表現更加明顯,具體表現為,同一空間位置的監測點,由于溶洞的存在,產生了新自由面,加劇了該點的震動;不同空間位置的監測點,由于溶洞的存在,振動速度的差值變大,尤其是空間位置靠近邊坡坡面的監測點,對這種情況的反應更加明顯。

溶洞的存在,使溶洞兩側的爆破振動速度出現差異,具體分析結果:表明溶洞的存在,較無溶洞的同一空間位置監測點振速會出現差異,其中y方向振動速度受溶洞存在的影響則表現更加明顯;由于振速的差值較小,故對邊坡的穩定性影響不大,在距離爆源相對較遠的情況下,按照《爆破安全規程》(GB6722—2014)規程,該邊坡爆破振動安全允許質點振動速度是8～12,將模擬結果與上述安全范圍相對比,能夠看出所有數據顯示的振速峰值均在安全允許振速的范圍以內。

3.3 巖溶對邊坡巖體損傷影響分析

在ls-prepost軟件中,損傷云圖是描述巖石破壞最直接的表示方式。由于巖石成巖的是一個復雜的過程,初期破壞是不可避免的。含有初始損傷的脆性巖石在沖擊載荷的作用下將會產生兩方面的影響:一方面會導致材料剛度的劣化(等效模量的降低);另一方面也會使應力波能量耗散。

根據應變等價理論和能量理論,一般認為初始破壞為零,從而分析巖體破壞特征。但是對于相對完整的巖石而言,由于天然裂隙的存在,裂隙巖體實際上是具有初始損傷的材料,對其進行損傷演化規律研究時需考慮初始損傷。因此將損傷顯示上限設置為0.1,得到不同時刻下模型的損傷云圖如圖13、圖14所示,由于設置了損傷上限為0.1,故圖中紅色部分表達的意義是,該區域最小損傷為0.1。

圖13 邊坡巖石19 ms的損傷情況Fig. 13 Damage of slope rock in 19 ms

圖14 邊坡巖石22 ms的損傷情況Fig. 14 The damage of slope rock in 22 ms

從圖13和圖14可以看出,在爆破次數不斷增加的過程中,巖體內部的損傷也在逐步加劇,且損傷在有溶洞的影響下更為明顯,巖溶區半徑越大,爆破次數越多,損傷就更為嚴重,且在實際模擬過程中發現,有溶洞區域爆破可能會導致臨近巖石區域產生空洞,加劇巖體損傷。

3.4 巖溶對邊坡有效應力影響分析

依照模擬方案,在分析有效應力時,利用后處理器Ls-prepost在模型中設置的監測點與振動速度的分析相同,以相同空間位置的兩個監測點為一組,分為第一組(A1、A0)、第二組(B1、B0)、第三組(C1、C0),分別分析完整邊坡和含溶洞邊坡有效應力變化情況,如圖15～17所示。

圖15 溶洞邊坡監測點有效應力(第一組)Fig. 15 Effective stress of karst cave slope monitoring points(first group)

圖16 溶洞邊坡監測點有效應力(第二組)Fig. 16 Effective stress of karst cave slope monitoring points(second group)

圖17 溶洞邊坡監測點有效應力(第三組)Fig. 17 Effective stress at monitoring points of karst cave slope(third group)

由于自由面的存在,有效應力的分布也顯現出震蕩,這種震蕩在含溶洞邊坡的B1和C1監測點表現得更為明顯,分別讀出各監測點的最大有效應力值,列表如表4。

表4 不同監測點有效應力峰值Table 4 Effective stress peaks at different monitoring points

根據表4中數據,有溶洞邊坡模型的A1、B1、C1單元處的有效應力峰值均大于同組的無溶洞邊坡模型的監測點的值,產生的應力差值大于7.6 MPa,原因是由于溶洞的存在,溶洞尖端會出現多次應力集中現象,根據前期開展的巖石單軸抗壓強度實驗,所取巖樣單軸抗壓強度平均值為94.71 MPa,因此模擬得出的有效應力峰值總體均低于巖體的單軸抗壓強度。

4 巖溶支護處理措施分析

為保障邊坡的長期穩定,消除安全隱患,必須根據實際情況,結合溶洞對邊坡穩定性的影響,通過有針對性的支護處理措施,增強巖溶區邊坡巖土體的穩定性,常用的措施有[16]:

(1)在巖溶邊坡開挖施工過程中,為了降低坡體的承載能力,可以對坡體進行削減,將坡體的高度和坡度降低,并且在施工過程中,削減的原則是對相對穩定的坡體進行保留,對不穩定的坡體進行削減。

(2)對于巖溶邊坡不穩定的巖體,可以通過修建擋土墻、護墻等人工加固邊坡方式,從而提高邊坡的穩定性。對于低抗滑性能的巖體,可用鋼筋水泥防滑樁進行加固巖體。

(3)對于有裂隙和結構面軟弱的巖質邊坡,可采用預應力錨桿或者錨索和裂縫注漿等方法對其進行加固處理,從而增強裂縫的抗剪強度。

根據本論文數值模擬結果,對巖溶邊坡進行有針對性的治理,在溶洞尖端產生應力集中的地方采用噴錨網支護,即“錨桿(錨索)+鋼筋網+噴射混凝土”。利用錨桿(錨索)錨固于溶洞尖端部分,用于巖體整體穩定性的加固;利用鋼筋網和噴射混凝土對溶洞邊坡表層松動的巖塊進行加固,該聯合支護方法對增強整個巖土體的穩定性比單獨使用錨桿(錨索)支護、噴射混凝土支護效果更好[17],從而確保工程安全。

5 結論

采用ANSYS/LS-DYNA數值模擬軟件,建立現場炮孔布置方式計算模型,分別對有無溶洞的爆破過程進行數值模擬計算,研究爆破作用下巖溶對邊坡應力、爆破振速,邊坡巖體損傷,邊坡有效應力的影響,得出以下結論:

(1)在爆破作用下,巖溶區的巖體受力發生改變,產生應力集中,這種現象在溶洞尖端部位表現得更為明顯。

(2)溶洞的存在,會產生新的自由面,加劇巖體的震動,且溶洞對振動速度的影響,在垂直方向的表達遠超水平方向。

(3)巖體損傷范圍與巖溶區尺寸變化規律相同,巖溶區半徑越大,損傷就更為嚴重。因此在實際施工中,可適當填充溶洞以減小巖溶區域的范圍來削弱安全隱患。

(4)為保證溶洞作業安全,可采用“錨桿(錨索)+鋼筋網+噴射混凝土”建立溶洞作業安全防護體系從而確保工程安全。