论文案例实践-降雨条件下含软弱夹层岩质边坡稳定性研究-CNKI知网查重网站

论文案例实践-降雨条件下含软弱夹层岩质边坡稳定性研究

2021-06-22 10:32:05
作者:杭州千明

论文案例大全-降雨条件下含软弱夹层岩质边坡稳定性研究

  降雨是边坡失稳破坏最常见的诱发因素,特别是当边坡内含有软弱夹层时,在降雨的影响下,将极有可能顺着软弱夹层发生滑移。分析软弱夹层在水软化作用下边坡的稳定性,降雨对边坡内部渗流场的影响规律及稳定性的变化,对边坡防治具有重要意义。本文研究内容主要如下:

  (1)水对软弱夹层岩质边坡影响机理分析。分析了软弱夹层的物质组成及软弱夹层遇水软化对边坡稳定性的影响;分析了水对岩质边坡产生的力学作用。

  (2)含软弱夹层岩质边坡稳定性极限平衡分析。采用极限平衡法计算不同软弱夹层遇水软化后对边坡稳定性的影响,探讨软化和未软化的软弱夹层在边坡中的赋存位置和抗剪强度对边坡的稳定性、滑动模式的影响规律。

  (3)含软弱夹层岩质边坡滑动模式相似模型试验。以相似理论为基础,采用底摩擦试验方法,探究了软弱夹层的倾角及埋深对边坡稳定性及滑动模式的影响规律。验证了极限平衡法的计算结果。

  (4)降雨对含软弱夹层岩质边坡稳定性影响数值分析。基于饱和—非饱和渗流理论。利用Geo-Studio软件SEEP/W模块探究不同降雨工况下边坡渗流场的变化规律。再采用SLOPE/W模块分析降雨对边坡稳定性的影响。最后对抚顺西南帮边坡提出加固防治建议。

  1.1选题背景及意义

  随着露天开采技术的不断发展,露天开采的规模和深度日益增大,一些大型露天矿的开采深度己达400~500m,有的甚至转入地下开采,其稳定性状况,往往对整个工程的安全性、可行性和经济性起着控制性的作用[1]。若不能正确的认识这些边坡的地质条件,弄清岩体变形破坏机理,分析其可能的失稳模式并提出合理的处置措施,将可能导致边坡变形失稳,造成崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害,引起不必要的经济损失与人员伤亡。

  边坡滑坡是三大自然灾害之一,不同的边坡工程滑坡成因不同。

  滑坡的诱发因素主要有降雨、地震动作用和人类的工程活动等[1]。其中降雨是边坡失稳破坏最常见的诱发因素,特别是当边坡内含有软弱夹层时,在降雨的影响下,软弱夹层抗剪强度降低,边坡岩体吸水导致自重加大,将极有可能顺着软弱夹层发生滑移,最后致使整个边坡产生失稳破坏。据不完全统计,我国每年因降雨诱发的边坡失稳案例已经高达5万起左右,其中边坡内含有软弱夹层的就有3.5万起,占边坡失稳案例的70%左右,给国家和人民的生命及财产安全带来了严重的威胁[2,3]。

  软弱夹层作为一种层状或带状的软弱结构层存在于岩石边坡或者风化的岩土边坡内,其厚度、力学性能以及变形模量相对于临近岩土体较小,特别是在降雨过程中,软弱夹层在雨水的浸润下,其结构层的饱和抗压强度不足干抗压强度的二分之一;软弱夹层含水量增加后,其抗剪强度也会降低,边坡岩体极易出现变形失稳。可见,由软弱夹层分布特征所形成的边坡岩体结构的特殊性,使边坡失稳破坏更易发生,边坡破坏模式也与软弱夹层有关。因此,在边坡稳定性分析研究中,应特别重视软弱夹层的影响。

  降雨对边坡稳定性的影响比较复杂,但总体可分为以下3个方面:第一,降低边坡岩土体结构层强度。对于含软弱夹层边坡,降雨先在软弱夹层内部快速入渗,继而再由夹层内向边坡内部渗流,大大缩短了边坡入渗至边坡内部的时间,从而加速了边坡各结构层由于雨水入渗而软化的速率,导致边坡出现滑坡和崩塌等各种失稳现象;第二,抬高地下水位。降雨入渗至边坡内部后,由于重力的作用,雨水会继续向下入渗至地下水内,从而与地下水形成汇流,引起边坡地下水位的抬高。第三,边坡基质吸力的重分布。边坡在自然状态下由于基质吸力的作用处于一种饱和~不饱和的稳定状态,降雨入渗后,边坡内的饱和、非饱和区会重新划分,并逐渐形成暂态饱和区,从而引起边坡内基质吸力的重分布,这会打破边坡原有的自然平衡条件,致使边坡发生失稳的几率大大增加。

  降雨过程中边坡渗流场和稳定性分析方面还有许多有价值的工作可以展开,尤其是当边坡存在软弱夹层时,如何真实的反应降雨过程中边坡内部渗流场的变化特征,软弱夹层遇水软化后对边坡的稳定性有何影响,不同降雨条件对渗流场变化的影响。这些方面的都值得深入研究。本文采用极限平衡法分析含软弱夹层岩质边坡在水软化作用下对边坡稳定性的影响,并采用相似模型试验验证极限平衡法的计算结果。用数值模拟的方法分析降雨过程中边坡体积含水率和孔隙水压力的变化规律,再结合极限平衡法计算边坡稳定性系数的动态变化,这能使人们更清晰地认识降雨入渗过程中边坡的变形机理。为今后含软弱夹层的边坡的降雨入渗研究与建设工程设计优化提供理论依据。

  1.2国内外研究现状

  1.2.1软弱夹层对岩质边坡稳定性影响研究

  软弱夹层是岩土工程中经常出现的重大工程地质问题之一。软弱夹层实质上就是岩体中所存在的相对其它岩层较软的结构面,由于其内部颗粒比较细,力学强度十分低,而且遇水之后很容易软化或泥化,因此称之为软弱夹层,也可以称为软弱结构面。软弱夹层的分布十分普遍,涉及的地区和岩层范围十分广泛,大部分地区和岩层都有软弱夹层的出现。因为软弱夹层的力学强度比上覆、下覆岩层低,所以它也成为了岩体抗滑稳定的决定性因素。因此,在铁路、公路和露天矿等大型岩土工程的建设中,前期的地质勘测是极其重要的环节,并且在实地勘测中,应该把软弱夹层作为着重点进行勘测。

  软弱夹层易软化、膨胀、崩解,遇水后力学性质急剧降低,容易导致岩体力学性能下降,对工程的安全构成威胁。含软弱夹层边坡在施工过程当中,容易产生滑坡、滑塌等事故。因此,不可忽视水对软弱夹层的影响。关于水对软弱夹层的影响,国内学者也做了大量的实验研究:刘长武等对泥岩遇水软化崩解机理进行了分析;吴益平等经过大量地质调查及对不同饱水状态下的泥岩进行崩解试验,结果表明紫红色泥岩有较强的崩解性;黄宏伟、周翠英使用x射线仪和扫描电镜等方式分别对华北中生代煤系地层泥岩及华南地区的红层软岩的物质组成和微观结构进行了分析,并且研究了泥岩遇水软化微观机理。综上,水对软弱夹层的影响研究,国内学者的研究集中在微观层面,从软弱夹层的物质组成和微观结构进行分析;然而软弱夹层在边坡中的赋存位置对边坡稳定性及滑动模式的影响,却少有人探讨。本文探讨了未软化和不同软化程度下软弱夹层的赋存位置对边坡稳定性及滑动模式的影响。

  1.2.2降雨入渗条件下边坡稳定性研究

  1.2.2.1饱和—非饱和渗流基本理论

  (1)饱和土理论

  早期降雨对边坡稳定性影响的研究主要是应用饱和土理论,尽管当时的理论水平有限,但是同样解决了很多实际问题,并且提出了很多理论模型。例如,20世纪60年代,开始运用数值方法依据饱和渗流模型来模拟降雨作用边坡体内的渗流场。20世纪70年代以后,这种方法逐渐成熟地应用到降雨入渗对边坡稳定性的影响分析中,并得到一系列有指导性的结论。在针对降雨入渗对边坡稳定性分析的研究中,饱和土体的渗流固结理论的应用,又为有效分析饱和土体渗流过程中土体结构性等复杂因素的影响提供了重要依据[4]。饱和土理论的应用解决了不少实际问题,同样也准确揭示了降雨入渗过程中坡内含水量的变化对边坡土体力学性质的影响。针对这一问题,很多学者开始应用非饱和土理论研究降雨对边坡稳定性的影响。

  (2)非饱和土理论

  降雨对边坡最直接的影响是引起边坡渗流场变化,渗流场的动态变化是一个相对复杂的过程。根据Coleman等的研究结果:降雨入渗可按照含水率分布划分为如图3所示的四个区域:饱和区、过渡区、传导区和湿润区,其含水率随着入渗深度逐渐减小[5]。

  图1.1含水率剖面示意图

  Figure 1.1 Schematic map of water content profile

  非饱和土的工程特性与基质吸力密切相关,而基质吸力与土含水率有直接关系[5-11]。一旦土中含水率升高(降雨入渗或地下水位升高),基质吸力就会迅速降低,导致土体的抗剪强度降低,而导致边坡发生失稳滑坡现象。现在非饱和边坡稳定性分析主要是基于Bishop等和Fredlund(1993)等提出的非饱和土强度理论公式开展的[9-11]。综上所述,降雨入渗渗流理论己经得到了长足的发展,国内外学者也针对渗流理论进行了深入研究,揭示了降雨入渗在边坡内的渗流特性,为边坡稳定性的计算提供了理论指导。本文基于这一基本理论展开研究。

  1.2.2.2降雨对边坡稳定性影响研究

  降雨引起的渗流与边坡的稳定性有着密切的联系。主要有以下几个方面:①在降雨期间,边坡土体的含水率因降雨引起雨水的入渗而增大,增大了土体的重度,以致使增大了边坡的下滑力,降低了稳定性[31];②因降雨导致的雨水入渗会引起地下水位的上升,致使土体的有效自重应力减少,在坡体内部会产生一定的渗透力,使得土体的抗滑力减小,相应的下滑力增大,边坡的稳定性降低;③降雨使土体的含水率增加,导致非饱和土的吸力下降,吸力对土体强度的约束减弱,从而导致土体强度降低,也就是降雨对土体的强度起了软化作用。在降雨停止后,上部边坡的自重会随着雨水的蒸发而减少,但在下部裂隙中存在的浮力仍保持不变,导致边坡的抗滑力减小,边坡稳定性降低[32]。

  冯杭建[33]以信息系统、遥感、空间数据库、概率统计和计算机编程方法为主要技术手段,以西淳安县降雨型滑坡为研究对象,建立适合我国东南地区的区域滑坡定量危险性评价方法和技术流程为目的,开展了发育规律分析、野外详细调查、时空数据库构建、降雨阀值价方法对比、时间频率和滑坡强度分析等方面的研究工作。

  J.S.L'Heureux[34]针对挪威的Vesteralen边坡进行稳定性研究,该大陆坡叠加的冰川海相粘土层,覆盖了一个明确的地震层位。这些粘土与周围土壤(砂质粘土)相比,具有更高的可塑性和含水量,并且它们表现出在三轴试验中适度的应变软化行为。结果表明,孔隙压力的产生主要发生在顶部10m处的土壤,这些山体滑坡的位移距离是有限的,并且强烈依赖于岩土的体积和倾斜角度。

  Akira Mori[35]研究了在寒冷地区,由于融雪和降雨的渗透作用对边坡稳定性的影响,并对2015年1月日本北海道的高速公路边坡失稳事故进行分析,通过使用稳定性评估方法,考虑非等温耦合渗流模拟,接着进行极限平衡斜率稳定性分析。得出该起事故的致因是在冰雪融化期,边坡的稳定性受到降雨和融雪水渗透影响而导致的土壤饱和度增加,由于排水沟溢水而发生失稳。

  雷坚[36]基于随机场理论和非饱和渗流理论,进行了不同降雨条件下边坡的稳定性分析,结果表明,临界降雨强度与边坡的渗透系数有关。

  Ram Krishna Regmi[37]利用人工降雨研究边坡失稳机理。通过研究边坡滑动起始时间和滑动起始头部的位置。结果表明有可能找到边坡滑动萌生时间和其滑动起始头部位于自然边坡失稳倾向区之间的关系。

  Seboong Oh[38]等人研究了在非饱和条件下降雨引起的边坡失稳。通过记录的降雨量,测量的抗剪强度参数和SWRC,以及进行现场地质学特征分析、瞬态边坡稳定性分析,模拟重建了边坡失稳现场,研究表明,在有效应力下的流体框架下可以观察到失稳时间。

  Dey,N[39]等对印度马林发生的降雨引发的滑坡进行了研究,利用二维数值模型量化了由于降雨入渗引起的对坡面的渗流以及马林边坡的相应安全系数。研究表明,连续降雨入渗在坡面附近形成一个栖息水位,导致饱和度、正孔隙水压力在浅层积聚。随着强度和降雨持续时间的增加,饱和带的深度迅速增加。

  综上所述,国内外相关学者在基于渗流理论的基础上,对降雨条件下的边坡失稳过程进行了深入分析,并提出了相应的滑坡机理及发展方式,对降雨入渗条件下的边坡稳定性研究具有指导意义。

  1.2.3降雨入渗条件下边坡防治技术研究

  “治坡先治水”是边坡防治的重要核心思想。近年来,随着交通行业的迅速发展,以及大型工程建设项目的增多,边坡防治技术的研究显的尤为重要。特别是在我国南方地区,每年因降雨而发生边坡失稳的案例屡见不鲜。因此,相关学者对降雨入渗条件下的边坡加固技术进行了大量的研究。

  李宁等人采用数值分析软件,对降雨入渗条件下的坡体渗流特性进行了计算,分析了降雨影响下的边坡失稳过程,并针对实例边坡进行抗滑桩加固处治,运用数值软件计算了抗滑桩的加固效果,与未加固边坡相比,抗滑桩虽然在一定程度上提高了边坡的整体稳定性,但在降雨入渗条件下,抗滑桩的存在阻碍的边坡内渗流雨水的消散路径,从而导致雨水未能快速从边坡内出渗。因此采用抗滑桩加固边坡时应充分考虑边坡排水设施的合理布设。

  庞林祥等人针对苗尾水电站岩质边坡进行降雨入渗模拟分析,探讨了岩质边坡的破坏模式,并提出失稳岩质边坡应“底部先行填渣护脚,锚拉板或框梁+预应力锚索”的加固方式,利用该加固方式对苗尾水电站岩质边坡进行加固数值模拟,与为加固前进行对比分析,可以看出:该加固方式明显提高了岩质边坡的整体抗滑性,是较为经济且适用的岩质边坡加固处治技术。

  康厚荣基于有限元软件,对锚杆加固的公路路堑边坡进行了数值分析,较为真实的模拟了锚杆加固边坡在降雨入渗条件下的渗流特性及变形特征,深刻探讨了锚杆加固边坡的稳定机理,并提出了理想的锚杆加固方案,对边坡加固技术的研究给予了重要参考,为工程实践提供理论指导。

  综合现有研究成果,不难看出,现有土坡的加固处治技术主要是:挡土墙、土钉支护、预应力锚固、锚杆及抗滑桩等技术手段。本研究首先采用极限平衡法计算得出影响边坡稳定性的关键层,再对关键层进行注浆加固,提高关键层的力学参数,从而增加边坡的稳定性。

  1.3论文主要研究内容

  本文选取抚顺西露天矿南帮边坡为工程背景,在国内外相关研究的基础上,采用现场调研、理论分析、数值模拟、室内试验等研究方法开展本次研究。本文的研究内容如下:

  (1)水对含软弱夹层岩质边坡影响机理分析

  查阅国内外相关文献,对前人的研究进行总结分析:分析了软弱夹层的物质组成及软弱夹层遇水软化对边坡稳定性的影响;分析了水对岩质边坡产生的力学作用。

  (2)含软弱夹层岩质边坡稳定性极限平衡分析

  1)以抚顺西南帮典型剖面E1200为例,采用极限平衡法计算不同软弱夹层遇水软化后对边坡稳定性的影响,探讨软化和未软化的软弱夹层在边坡中的赋存位置和抗剪强度对边坡的稳定性、滑动模式的影响规律。

  2)含软弱夹层岩质边坡滑动模式模型试验。以相似理论为基础,采用底摩擦试验方法,探究了软弱夹层的倾角及埋深对岩质边坡稳定性及滑动模式的影响规律。验证了极限平衡法的计算结果。

  (3)降雨对含软弱夹层岩质边坡稳定性影响数值分析

  确定材料参数及降雨模拟方案,选取典型断面,建立数值模型。基于饱和非饱和渗流理论。利用二维有限元软件Geo-Studio里SEEP/W模块对降雨条件下抚顺西露天矿南帮边坡渗流场进行模拟计算,探究不同降雨条件下边坡渗流场的变化规律。再将渗流场数据导入SLOPE/W模块,分析降雨对边坡稳定性的影响。最后对抚顺西南帮边坡提出加固防治建议。

  1.4研究技术路线

  图1.2技术路线图

  Figure 1.2 Technology Roadmap

  2水对含软弱夹层岩质边坡影响机理分析

  2.1引言

  边坡中的水通常是地下水或者降雨补给的,而地下水与降雨一般都与边坡失稳有关联。水不仅可以降低边坡岩石的强度指标,也可以产生动静水压力,增大下滑力,从而降低了边坡的稳定性,导致边坡失稳;对于含有软弱夹层的边坡,由于软弱夹层易软化、膨胀、崩解,遇水后力学性质急剧降低,容易导致岩体力学性能下降,对工程的安全构成威胁,因此,更不能忽视水对软弱夹层的影响。

  2.2水对软弱夹层的影响

  2.2.1软弱夹层的物质组成

  软弱夹层是岩石中含有的带状或层状的软弱薄层,通常指的是存在于两层坚硬岩层之间的、力学性质较差的特殊的薄岩层,包含岩体结构中的软弱结构面、裂隙破碎带。其组成成分一般为:粘土岩、粘土、水云母、石膏、绿化矿物、有机碳、盐类矿物、伊利石、高岭石、绿泥石以及蒙脱石等。而这些组分里对软弱夹层工程特性影响比较大的多数是绿泥石、蒙脱石以及有机碳。根据软弱夹层的物质组成分类,我们可以将其归为一下三类:

  (一)根据成因划分

  按照成因划分,物质组成通常有三种:原生物质、次生物质、构造物质。

  原生物质指软弱夹层里那些依旧含有母岩态式与矿物类别且结构以及构造保存较好的物质。

  次生物质指在外力作用下所形成的次生类矿物,通常含有水铝硅酸盐,全部命名为黏土类矿物。

  构造物质指经过动力作用而形成的如岩层之间夹杂的软弱带中的泥、块状岩、糜棱岩、碎屑岩以及片状岩等。

  (二)根据化学构成划分

  软弱夹层的化学成分,主要为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、Na2O、K2O以及MgO等,其他成分所占含量比较低,虽然软弱夹层的化学构成比率各有不同,但以SiO2、Al2O3、Fe2O3三种物质为主,这三种化学成分占比总和约占全部成分的70%以上。

  (三)根据软弱夹层吸水时饱和情况划分

  根据软弱夹层的含水多少,我们可以将其分成四类:流塑、软塑、半硬塑状及硬塑状。大多数情况下,其表层在受到风化作用或者卸荷时含水率会大大增加,某些部位会达到饱和乃至超饱和。夹层的含水量影响因素一般有,产状结构、埋藏深度以及应力状态,当软弱夹层的埋藏深度增加时,其含水量也会随之减少,边坡也会越稳定。一般而言,次生物质构成的软弱带水含量都会偏高。然而,迄今为止对于夹层含水情况相关方面的理论大部分集中在探讨其含水率和抗剪强度之间的关联,对于像软弱夹层其他方面跟含水量之间的研究依然不够或者不够深入。

  2.2.2软弱夹层遇水软化对边坡稳定性的影响

  水对软弱夹层的软化作用主要体现在水对抗剪强度的削弱作用,主要与软弱夹层的含水量有关。根据非饱和土强度理论,土体抗剪强度与基质吸力有关:

  式(2-1)

  式中,是抗剪强度,C'是有效粘聚力,是正应力,是,是孔隙水压力,是基质吸力,是饱和状态摩擦角,是强度随吸力变化的内摩擦角。

  由式(2-1)可知,抗剪强度与基质吸力成正比。而基质吸力随含水量的增加而减小,饱和时的基质吸力接近于零。因此软弱夹层抗剪强度随着含水量的增加而减小,边坡稳定性降低,当软弱夹层为饱和状态时,边坡稳定性最差。

  2.3水对岩质边坡的力学作用

  2.3.1静水压力作用

  作用于边坡上的静水压力主要有以下三种形式:第一种形式为当边坡被水淹没时作用在坡面上的静水压力;第二种形式为张裂隙充水时的静水压力;其三是作用于滑体底部滑动面(或软弱结构面)上的静水压力。取一岩土体块体单元作为研究对象,地下水位线如图。

  图2.1岩体单元受力简图

  Figure 2.1 Schematic map of the stress of rock unit

  上图中,该岩土体块三个侧面上均受到静水压力作用。两个竖直侧面上,水压力方向水平,其的差值为:

  式(2-2)

  滑动面上,水对岩土体块面的压力与滑面呈垂直,其值为:

  式(2-3)

  该滑体的所受到的浮力大小为体力,方向竖直向上,其值为:

  式(2-4)

  其中:——水的重度;

  浮托力对边坡稳定性有两方面的影响。由于浮托力减小了滑体的有效重量,一方面,它降低了滑面的阻滑力,给边坡的稳定性带来不利的影响,另一方面,滑体重量的减小,使其下滑力减小,有助于边坡的稳定,因而,不能简单的评价浮托力对边坡稳定性的利弊,而应根据具体的工程地质条件和岩土体的力学参数进行综合评判。

  2.3.2动水压力作用

  由于滑坡体的透水性岩土体中存在水头差,导致水在岩土体中渗流而产生的体力,这种体力被称之为动水压力,又称渗透力。由于水渗透作用的存在,会使边坡体中的应力与变形发生变化,特别是在高边坡在地下水位大幅度下降时,由于浮托力和地下水渗流运动共同作用下,使地下水下降部位的岩土体的有效重度增加,岩土体内产生渗透力,容易造成边坡失稳。同样取一岩土体块体单元作为研究对象,由于滑坡中动水压力是一个变化的矢量,为计算简便,假定每块段动水压力为常量,方向平行于滑面。该段块的动水压力为:

  式(2-5)

  在计算渗透力时采用平均水力坡降,即浸润线与滑体交点间的连线坡比,故取水力梯度:

  式(2-6)

  则该岩土体块单元动水压力可按公式(2-5)近似计算

  式(2-7)

  地下水对滑坡岩土体的力学作用中的渗压作用主要是通过降低有效应力来降低结构面的抗剪强度的。

  设天然状态下,滑带抗剪强度为:

  式(2-8)

  式中:——结构面抗剪强度,单位为Kpa;

  ——结构面摩擦系数;

  ——结构面上的法向应力,单位为Kpa;

  ——结构面上的粘聚力,单位为Kpa;

  大量水渗入坡体后,孔隙水压力升高至:

  式(2-9)

  其中:

  ——水的重度,单位为KN/m;

  ——水头高度,单位为m。

  滑面上有效正应力降低为:

  式(2-10)

  设孔隙水压力与法向应力的比值为即:,则有:

  式(2-11)

  滑块土体饱和后,其内聚力及内摩擦角均下降为:

  式(2-12)

  式(2-13)

  此时则滑块的实际抗剪强度为:

  式(2-14)

  很明显,由于水的作用,岩土的抗剪强度、内摩擦角及内聚力会有明显地降低。大部分岩土体的抗剪强度都随含水量的增加而显著减小。随着地下水量的增加,不仅使岩土体的含水量增加即岩土体的重度随之增加,还减小了滑动面上的抗滑力;地下水位上升,浸湿范围加大,浸湿程度加剧,造成孔隙水压力升高,削弱了强度指标,有效应力减小;地下水流速过大,会加大潜蚀作用,破坏坡的整体稳定性而失稳。

  通过以上水对边坡的影响机理分析表明,水对边坡稳定性的影响是非常显著的,大部分岩土体由于水的冲刷、渗入、潜蚀等作用,会使边坡内部岩土的抗剪强度、内聚力及内摩擦角等参数发生大幅度的降低,并且随着含水量的增加而明显降低,造成边坡体内的岩土体重度的增加,抗剪强度的减小,坡脚发生应变破坏,最终将导致边坡失稳的发生。在充分认识到水造成边坡失稳的原因、条件、影响等因素,利用工程实地的水文地质条件进行合理、有效、系统的防渗排水工程,减少水对边坡稳定造成的不利影响,在今后的露天矿高边坡工程中就显得十分的重要。

  2.4本章小结

  (1)分析了水对含软弱夹层岩质边坡的影响机理:

  分析了水对软弱夹层的影响,从软弱夹层的物质组成出发,分析了软弱夹层遇水力学指标降低的原因,其次分析了软弱夹层遇水软化,其抗剪强度降低,导致边坡稳定性降低;

  (2)分析了水对岩质边坡的力学作用,由于地下水的存在,边坡会受到静水压力和动水压力。静水压力的存在会对边坡产生浮托力,一方面减小了边坡的下滑力,另一方面也降低了阻滑力,因此,并不能不能简单的评价静水压力产生的浮托力对边坡稳定性的利弊;动水压力的存在降低了滑面上的有效正应力,降低了滑块的抗剪强度。从整体来看,水对边坡稳定性的影响是非常显著的,水的冲刷、渗入、潜蚀等作用会使边坡内部岩土的抗剪强度、内聚力及内摩擦角等参数发生大幅度的降低,并且随着含水量的增加而明显降低,造成边坡体内的岩土体重度的增加,抗剪强度的减小,最终将导致边坡失稳的发生。

  3含软弱夹层岩质边坡稳定性极限平衡分析

  3.1极限平衡法

  极限平衡法在工程中应用最为广泛,这个方法以摩尔—库仑强度理论为基础,将滑坡体划分为若干条块,建立作用在这些条块上的力的平衡方程,求解安全系数。这个方法,没有像传统的弹、塑性力学那样引入应力—应变关系来求解本质上为静不定的问题,而是直接对某些多余未知量作假定,使得方程式的数量和未知数的数量相等,因而使问题变得静定可解。根据边坡破坏的边界条件,应用力学分析的方法,对可能发生的滑动面,在各种荷载作用下进行理论计算和抗滑强度的力学分析。通过反复计算和分析比较,对可能的滑动面给出稳定性系数。刚体极限平衡分析方法很多,在处理上,各种条分法还在以下几个方面引入简化条件:

  (1)对滑裂面的形状作出假定,如假定滑裂面形状为折线、圆弧、对数螺旋线等;

  (2)放松静力平衡要求,求解过程中仅满足部分力和力矩的平衡要求;

  (3)对多余未知数的数值和分布形状做假定。该方法比较直观、简单,对大多数边坡的评价结果比较令人满意。该方法的关键在于对滑体的范围和滑面的形态进行分析,正确选用的滑面计算参数,正确地分析滑体的各种荷载。

  基于极限平衡理论基础上的边坡稳定性分析方法,从起初应用的“简化方法”到后来发展起来的“通用方法”,历经数十年,经过众多专家学者的努力,理论已比较完善。各种分析方法根据条间力作用点和作用方向的不同假定,得到相应的安全系数表达式,其各自的特点如表3.1。

  表3.1极限平衡理论边坡稳定性分析方法基本条件的比较

  Table 3.1 Comparison of basic conditions of limit equilibrium theory slope stability analysis method

  方法特点

  费勒纽斯法忽略了条带间的作用力。低估了安全系数,当孔隙水压力较高、滑面位置深时,误差更大。安全系数定义为抗滑力矩与滑动力矩之比,只适用于圆弧滑坡,计算简便,不用迭代

  毕绍普简化法忽略了各条带间的剪力,计算结果准确,只适用于圆弧滑坡,需要迭代,但收敛很快。但滑面位置不合理时,会引起计算错误。

  简步法考虑了条带间的作用力,适用于任何形状的滑面,通常收敛很快

  简步简化法忽略了条带间的剪力作用,利用了修正系数,适用于任何形状的滑面,结果可信

  摩根斯坦法满足力与矩平衡条件的一种精确方法,对条带间的作用力进行了假设,适用于任何形状的滑面

  斯盼舍法假设条带间作用力都是平行的,适用于任何形状滑面

  萨尔玛法考虑了条带间的强度,采用倾斜分条,结果精确,适用于任何滑面

  该方法的关键在于对滑体的范围和滑面的形态进行分析,正确选用的滑面计算参数,正确地分析滑体的各种荷载。该方法比较直观、简单,对大多数边坡的评价结果比较令人满意。

  3.2不同软弱夹层软化下对边坡稳定性影响

  降雨后,随着水的入渗,含水量不断增大,这使得软弱夹层的抗剪强度急剧下降。软弱夹层在水的浸润下,其物理力学性质变化会非常大,尤其是本身含水量较少的软弱夹层,遇水后抗剪强度大大降低。软弱夹层在地下水的作用下可能发生的软化或泥化作用,使其物质状态完全改变且岩体强度明显降低是诱发滑坡的一个重要因素,因此,正确分析与研究软弱夹层与水的作用问题是边坡稳定性分析的关键。

  (1)研究区地质概况

  根据工程地质测绘、钻(物)探等资料可知,抚顺西露天矿南帮边坡地层组成主要是:太古界花岗片麻岩、强风化玄武岩、弱风化玄武岩。可探明的软弱夹层有3条。根据钻探结果显示,E1200剖面处地质资料最为详实。E1200剖面边坡最终边坡角为28°。对比其他地质剖面图发现,E1200剖面处边坡高差最大,最终边坡角最陡,为南帮最不稳定的剖面。因此,本文将E1200剖面作为本次研究的典型地质模型图。E1200地质剖面图如下:

  图3.1 E1200地质剖面图

  Figure 3.1 E1200 geological profile

  本次研究选取E1200剖面为研究对象,E1200剖面简化后如图所示,边坡最终边坡角为28°,基岩为花岗岩,上覆玄武岩及三条破碎带。

  图3.2 E1200地质剖面简化图

  Figure 3.2 Simplified diagram of E1200 geological section

  通过对以往项目的岩土体试验研究成果进行收集、归纳、分析,得出本次计算所需的岩石力学参数如下表所示:

  表3.2各岩层岩石力学参数

  Table 3.2 Rock mechanical parameters of each rock layer

  弹性模量

  E/Mpa粘聚力C/Kpa内摩擦角

  Φ/°泊松比

  v容重

  ρ/g.cm-3

  花岗岩50000 30000 50 0.32 2.8

  弱风化玄武岩11892 1810 37.2 0.28 2.6

  强风化玄武岩7824 1690 36.7 0.23 2.43

  弱层1 1076 220 21.6 0.3 2.4

  弱层2 1506 330 25.1 0.32 2.35

  弱层3 2500 450 30 0.28 2.0

  (2)运用极限平衡法,计算不同软弱夹层遇水软化后的边坡稳定性系数,列表如下:

  表3.3不同弱层软化后的边坡稳定性系数

  Table 3.3 Slope stability coefficient after softening of different weak layers

  稳定性系数

  Ordinary Bishop Janbu Janbu Generalized

  边坡干燥状态1.068 1.100 1.068 1.109

  弱层1软化0.689 0.613 0.607 0.713

  弱层2软化0.950 0.971 0.912 1.048

  弱层3软化1.068 1.100 1.068 1.109

  弱层1、2软化0.689 0.613 0.607 0.713

  弱层1、3软化0.689 0.613 0.607 0.713

  弱层2、3软化0.950 0.971 0.912 1.048

  弱层1、2、3软化0.689 0.613 0.607 0.713

  表3.4不同软弱夹层软化后的稳定性系数减小比率

  Table 3.4 Reduction ratio of stability coefficient of different weak interlayers after softening

  稳定性系数减小比率

  Ordinary Bishop Janbu Janbu Generalized

  弱层1软化35.48%44.27%43.16%35.71%

  弱层2软化11.05%11.73%14.61%5.5%

  弱层3软化0%0%0%0%

  弱层1、2软化35.48%44.27%43.16%35.71%

  弱层1、3软化35.48%44.27%43.16%35.71%

  弱层2、3软化11.05%11.73%14.61%5.5%

  弱层1、2、3软化35.48%44.27%43.16%35.71%

  从不同软弱夹层软化减小比率可以知道:

  (1)弱层1在水软化下稳定性系数减小比率在35%~45%之间;弱层2在水软化下稳定性系数减小比率在0%~9%之间;弱层3在水软化下对边坡稳定性系数无影响。由此可知,弱层1在水软化下对边坡稳定性的影响最大,弱层2次之,弱层3最弱。

  (2)弱层1、2遇水软化与弱层1、3遇水软化,边坡稳定性系数的减小比率均与弱层1软化后的减小率相同,均在35%~45%之间。可见,相对于弱层1来说,弱层2与弱层3遇水软化对边坡稳定性的影响微弱;弱层2、3遇水软化后,边坡稳定性系数降低比率为0%~9%之间,降低比率与弱层2遇水软化后相同,相对于弱层2来说弱层3遇水软化对边坡稳定性的影响微弱。弱层1、2、3一起软化,边坡稳定性系数的减小比率与弱层1软化后相同,由此可知,与弱层1相比,弱层2和弱层3无论是否软化,都对边坡稳定性影响微弱,可忽略不计。因此,弱层1对边坡稳定性起关键作用。

  三条软弱夹层对边坡的影响程度不同,究其原因,三条软弱夹层在边坡中的赋存位置不同,其倾角、埋深影响了软弱夹层对边坡稳定性的程度;三条软弱夹层软化后的抗剪强度不同,造成了三条弱层强度变化对该边坡的影响程度不同。

  3.3弱层(未软化)的赋存位置对边坡稳定性影响

  从三条弱层赋存在边坡中的位置来看,三条弱层的埋深、倾角均不同,造成了三条弱层强度变化对该边坡的影响程度不同。本文采用极限平衡法计算边坡的安全系数来探究软弱夹层的埋深及倾角对该边坡稳定性有何程度的影响。

  (1)软弱夹层的埋深对边坡稳定性的影响

  软弱夹层赋存在边坡中,由于倾角及坡面的关系,弱层的埋深并无确定值,本研究将弱层距坡脚以下的垂直距离定为软弱夹层的埋深。将E1200剖面简化后,弱层1处于原位的埋深为40m,弱层下方为基岩,不滑动,弱层上方为风化玄武岩,将埋深的增量设置为20m,通过极限平衡法计算边坡的稳定性系数及滑面的变化趋势。如下表所示:

  表3.5软弱夹层埋深与边坡稳定性的关系

  Table 3.5 Relationship between buried depth of weak interlayer and slope stability

  埋深稳定性系数滑动模式

  40 1.069沿弱层滑动

  60 1.185沿弱层滑动

  80 1.314沿弱层滑动

  95 1.422沿弱层滑动

  97 1.447沿弱层滑动

  99 1.460坡面浅层滑动

  100 1.460坡面浅层滑动

  120 1.461坡面浅层滑动

  由上表可知,当软弱夹层的埋深增加而其他因素不变时,边坡的稳定性系数逐渐增大。当软弱夹层的埋深从原位的40m增大到97m,边坡的滑动模式为沿着弱层滑动,当软弱夹层的埋深大于99m时,边坡稳定性系数仍在增大,但其滑动模式发生改变,此时的滑动模式变为沿着坡面浅层滑动。所以,倾角23°时,埋深99m是边坡滑动模式改变的临界值。

  (2)软弱夹层的倾角对边坡稳定性的影响

  将E1200剖面简化后,弱层1处于原位的倾角为23°,同样将弱层下方设置为基岩,不滑动,弱层上方为强风化玄武岩,将倾角的增量设置为3°,通过极限平衡法计算边坡的稳定性系数及滑面的变化趋势。如下表所示:

  表3.6软弱夹层倾角与边坡稳定性的关系

  Table 3.6 Relationship between slope angle of weak interlayer and slope stability

  倾角稳定性系数滑动模式

  23°1.069沿弱层滑动

  20°1.158沿弱层滑动

  17°1.232沿弱层滑动

  14°1.307沿弱层滑动

  11°1.394沿弱层滑动

  9°1.439沿弱层滑动

  8°1.460坡面浅层滑动

  7°1.460坡面浅层滑动

  由上表可知,当软弱夹层倾角减小而其他因素不变时,边坡的稳定性系数逐渐增大。当软弱夹层的倾角从原位的23°减小到9°,边坡的滑动模式为沿着弱层滑动,当软弱夹层的倾角小于8°时,边坡稳定性系数仍在增大,但其滑动模式发生改变,此时的滑动模式变为沿着坡面浅层滑动。当倾角小于8°时,边坡的滑动模式由沿着弱层滑动变成沿着坡面浅层的滑动。即当埋深为40m时,倾角为8°是滑动模式改变的临界值。

  (3)弱层的赋存位置影响边坡滑动模式的一般规律

  再次选取埋深为10m、70m、140m,当边坡的滑动模式为沿着坡面浅层滑动时,倾角的变化趋势如下表所示:

  表3.7弱层的赋存位置影响边坡滑动模式的一般规律

  Table 3.7 The general law of the location of the weak layer affecting the slope sliding mode

  埋深10 40 70 99 140

  倾角0 8 16 23 32

  稳定性系数1.460 1.460 1.460 1.460 1.460

  滑动模式坡面浅层滑动坡面浅层滑动坡面浅层滑动坡面浅层滑动坡面浅层滑动

  将埋深取为横轴,倾角取为纵轴,由上表中得到的结果进行线性拟合,边坡的破坏模式的规律如下图所示。

  图3.3弱层的赋存位置影响边坡滑动模式的一般规律

  Figure 3.3 The general law of the location of the weak layer affecting the slope sliding mode

  由上图可知,当边坡弱层未软化时,埋深与倾角之间的变化关系拟合呈线性关系,将埋深作为自变量x,倾角作为因变量y,倾角与埋深的线性关系为y=0.75994+0.0312x,相关性系数R2=0.99524。该拟合直线将第一坐标系分为两部分,在直线左上方取倾角埋深的值,边坡将沿着弱层滑动,在直线右下方取倾角埋深的值,边坡将沿着坡面浅层滑动,其分界线即为线性拟合得到的直线。

  3.4弱层(软化)的赋存位置对边坡稳定性影响

  (1)当弱层1遇水软化,软化系数为0.75时,弱层的赋存位置影响边坡滑动模式的一般规律如下表所示:

  表3.8弱层的赋存位置影响边坡滑动模式的一般规律(软化系数为0.75)

  Table 3.8 The general law that the location of the weak layer affects the slope sliding mode(softening coefficient is 0.75)

  埋深32 60 90 120 150

  倾角0 8 15 21 25

  稳定性系数1.460 1.460 1.460 1.460 1.460

  滑动模式坡面浅层滑动坡面浅层滑动坡面浅层滑动坡面浅层滑动坡面浅层滑动

  将埋深取为横轴,倾角取为纵轴,由上表中得到的结果进行线性拟合,当软化系数为0.75时,边坡破坏模式的规律如下图所示。

  图3.4弱层的赋存位置影响边坡滑动模式的一般规律(软化系数为0.75)

  Figure 3.4 The general law of the location of the weak layer affecting the slope sliding mode(softening coefficient is 0.75)

  由上图可知,当边坡弱层软化系数为0.75时,埋深与倾角之间的变化关系拟合呈线性关系,将埋深作为自变量x,倾角作为因变量y,倾角与埋深的线性关系为y=-5.41227+0.21253x,相关性系数R2=0.98264。该拟合直线将第一坐标系分为两部分,在直线左上方取倾角埋深的值,边坡将沿着弱层滑动,在直线右下方取倾角埋深的值,边坡将沿着坡面浅层滑动,其分界线即为线性拟合得到的直线。

  当弱层1遇水软化,软化系数为0.5时,弱层的赋存位置影响边坡滑动模式的一般规律如下表所示:

  表3.9弱层的赋存位置影响边坡滑动模式的一般规律(软化系数为0.5)

  Table 3.9 The general law of the occurrence position of weak layer affecting the slope sliding mode(softening coefficient is 0.5)

  埋深46 80 110 140 170

  倾角0 8 14 26 30

  稳定性系数1.460 1.460 1.460 1.460 1.460

  滑动模式坡面浅层滑动坡面浅层滑动坡面浅层滑动坡面浅层滑动坡面浅层滑动

  将埋深取为横轴,倾角取为纵轴,由上表中得到的结果进行线性拟合,当软化系数为0.5时,边坡破坏模式的规律如下图所示。

  图3.5弱层的赋存位置影响边坡滑动模式的一般规律(软化系数为0.5)

  Figure 3.5 The general law of the location of weak layers affecting the slope sliding mode(softening coefficient is 0.5)

  由上图可知,当边坡弱层软化系数为0.5时,埋深与倾角之间的变化关系拟合呈线性关系,将埋深作为自变量x,倾角作为因变量y,倾角与埋深的线性关系为y=-12.0359+0.25308x,相关性系数R2=0.9819。该拟合直线将第一坐标系分为两部分,在直线左上方取倾角埋深的值,边坡将沿着弱层滑动,在直线右下方取倾角埋深的值,边坡将沿着坡面浅层滑动,其分界线即为线性拟合得到的直线。

  当弱层1遇水软化,软化系数为0.25时,弱层的赋存位置影响边坡滑动模式的一般规律如下表所示:

  表3.10弱层的赋存位置影响边坡滑动模式的一般规律(软化系数为0.25)

  Table 3.10 The general law that the location of the weak layer affects the slope sliding mode(softening coefficient is 0.25)

  埋深61 78 92 106 129

  倾角0 5 10 15 20

  稳定性系数1.460 1.460 1.460 1.460 1.460

  滑动模式坡面浅层滑动坡面浅层滑动坡面浅层滑动坡面浅层滑动坡面浅层滑动

  将埋深取为横轴,倾角取为纵轴,由上表中得到的结果进行线性拟合,当软化系数为0.25时,边坡破坏模式的规律如下图所示。

  图3.6弱层的赋存位置影响边坡滑动模式的一般规律(软化系数为0.25)

  Figure 3.6 The general law of the weak layer's location affects the slope sliding mode(softening coefficient is 0.25)

  由上图可知,当边坡弱层软化系数为0.25时,埋深与倾角之间的变化关系拟合呈线性关系,将埋深作为自变量x,倾角作为因变量y,倾角与埋深的线性关系为y=-18.15088+0.30205x,相关性系数R2=0.99072。该拟合直线将第一坐标系分为两部分,在直线左上方取倾角埋深的值,边坡将沿着弱层滑动,在直线右下方取倾角埋深的值,边坡将沿着坡面浅层滑动,其分界线即为线性拟合得到的直线。

  将弱层未软化与软化后边坡破坏模式一般规律对比可以得出,当软化系数逐渐减小(弱层未软化可认为软化系数为1),通过线性拟合的直线其斜率变化无明显规律,其截距的值在逐渐减小,绝对值逐渐增大。可见当软弱夹层在逐渐被软化时,拟合直线在坐标系上向右移动,探究其原因,当弱层吸水软化,弱层的抗剪强度逐渐降低,将会降低边坡整体的稳定性。而边坡若继续保持稳定,不沿着弱层滑动,就需要使软弱夹层的埋深更大,倾角更小,通过前文的叙述可知,弱层的埋深增大或者倾角减小,均可提高边坡整体的稳定性。因此,拟合直线向横坐标正方向移动。弱层的埋深取更大值,倾角取更小值,边坡才可以保持稳定,不会沿着弱层整体滑移。

  3.5弱层的抗剪强度对边坡稳定性的影响

  在前文叙述中,不同弱层软化后对边坡稳定性的影响不同。其中,弱层1软化后对边坡稳定性影响最大,弱层2次之,弱层3软化后对边坡稳定性的影响可忽略不计。以下将分别探讨弱层1与弱层2的抗剪强度对边坡稳定性的影响。

  (1)弱层1

  弱层1的粘聚力为220Kpa,内摩擦角为21.6°。

  1)粘聚力

  弱层1的粘聚力从0Kpa增加到220Kpa,增量设置为50Kpa。弱层1的粘聚力与边坡稳定性系数及边坡滑动模式的关系如下表:

  表3.11弱层1的粘聚力与边坡稳定性系数及边坡滑动模式的关系

  Table 3.11 Relationship between the cohesive force of weak layer 1 and the slope stability coefficient and slope sliding mode

  粘聚力稳定性系数滑动模式

  0 1.068沿弱层滑动

  50 1.068沿弱层滑动

  100 1.069沿弱层滑动

  150 1.069沿弱层滑动

  200 1.069沿弱层滑动

  220 1.069沿弱层滑动

  上表中,弱层1的粘聚力从0Kpa增加到220Kpa,边坡稳定性系数保持在1.068和1.069,变化量非常小;滑动模式均为沿着弱层滑动。由此可见,弱层1的粘聚力变化对边坡稳定性影响微弱,粘聚力变化不会影响边坡的滑动模式。

  2)内摩擦角

  弱层1的内摩擦角从0°增加到21.6°,增量设置为5°。弱层1的内摩擦角与边坡稳定性系数及边坡滑动模式的关系如下表:

  表3.12弱层1的内摩擦角与边坡稳定性系数及边坡滑动模式的关系

  Table 3.12 Relationship between the internal friction angle of weak layer 1 and the slope stability coefficient and slope sliding mode

  内摩擦角稳定性系数滑动模式

  0 0.241沿弱层滑动

  5 0.403沿弱层滑动

  10 0.599沿弱层滑动

  15 0.801沿弱层滑动

  20 1.002沿弱层滑动

  21.6 1.069沿弱层滑动

  上表中,弱层1的内摩擦角从0°逐步增加到21.6°,边坡稳定性系数随着弱层1的内摩擦角增加而逐渐增加,从0.241增加到1.069;边坡滑动模式均为沿着弱层滑动。由此可见,弱层1的内摩擦角对边坡稳定性影响巨大,内摩擦角的变化对边坡滑动模式无影响。

  将内摩擦角设为横轴,稳定性系数设置为纵轴,将上表中得到的数据进行线性拟合,得到内摩擦角与边坡稳定性系数的关系如下:

  图3.7内摩擦角与边坡稳定性系数的关系

  Figure 3.7 Relationship between internal friction angle and slope stability coefficient

  由上图可知,内摩擦角与边坡稳定性系数之间的变化关系拟合呈线性关系,将内摩擦角作为自变量x,边坡稳定性系数作为因变量y,内摩擦角与边坡稳定性系数的线性关系为y=0.22302+0.03878x,相关性系数R2=0.99862。由图可以看出,边坡稳定性系数与弱层内摩擦角之间呈正相关。边坡稳定性系数随弱层内摩擦角增加而增大。

  (2)弱层2

  弱层2的粘聚力为330Kpa,内摩擦角为25.1°。

  1)粘聚力

  粘聚力从0Kpa增加到330Kpa,增量设置为50Kpa。粘聚力与边坡稳定性系数及滑动模式的关系如下表:

  表3.13弱层2的粘聚力与边坡稳定性系数及边坡滑动模式的关系

  Table 3.13 Relationship between the cohesive force of weak layer 2 and slope stability coefficient and slope sliding mode

  粘聚力稳定性系数滑动模式

  0 1.461沿弱层滑动

  50 1.461沿弱层滑动

  100 1.461沿弱层滑动

  150 1.461沿弱层滑动

  200 1.461沿弱层滑动

  250 1.461沿弱层滑动

  300 1.461沿弱层滑动

  330 1.461沿弱层滑动

  上表中,弱层2的粘聚力从从0增加到330Kpa,边坡稳定性系数均为1.461,保持不变。滑动模式均为沿着弱层滑动。由此可见,弱层2的粘聚力对边坡稳定性无影响,对边坡滑动模式无影响。

  2)内摩擦角

  弱层2的内摩擦角从2°增加到25.1°,增量设置为2°,内摩擦角与边坡稳定性系数及滑动模式的关系如下表:

  表3.14弱层2的内摩擦角与边坡稳定性系数及边坡滑动模式的关系

  Table 3.14 Relationship between the internal friction angle of weak layer 2 and the slope stability coefficient and slope sliding mode

  内摩擦角稳定性系数滑动模式

  2 0.624沿弱层滑动

  4 0.796沿弱层滑动

  6 0.891沿弱层滑动

  8 0.972沿弱层滑动

  10 1.042沿弱层滑动

  12 1.120沿弱层滑动

  15 1.223沿弱层滑动

  20 1.383沿弱层滑动

  24 1.461沿坡面滑动

  25.1 1.461沿坡面滑动

  上表中,弱层2的内摩擦角从2°增加到25.1°,边坡稳定性系数从0.624增加到1.461;当弱层2的内摩擦角从2°~20°,边坡的滑动模式为沿着弱层滑动,从24°开始,边坡滑动模式为沿着坡面滑动。由此可见,弱层2的内摩擦角也对边坡稳定性影响也较大,对边坡得分滑动模式也有影响。

  将内摩擦角设为横轴,稳定性系数设置为纵轴,将上表中得到的数据进行线性拟合,得到内摩擦角与边坡稳定性系数的关系如下:

  图3.8内摩擦角与边坡稳定性系数的关系

  Figure 3.8 Relationship between internal friction angle and slope stability coefficient

  由上图可知,内摩擦角与边坡稳定性系数之间的变化关系拟合呈二次函数关系,将内摩擦角作为自变量x,边坡稳定性系数作为因变量y,内摩擦角与边坡稳定性系数的函数关系为y=-9.45395E-4x2+0.06071x+0.53922,相关性系数R2=0.99585。由图可以看出,边坡稳定性系数随弱层内摩擦角增加而增大。

  3.6本章小结

  采用了常用极限平衡法计算了不同弱层软化后边坡稳定性系数,通过计算稳定性系数减小的比率,得出弱层1软化对边坡稳定性影响最大,弱层2次之,弱层3最弱。不同弱层软化后对边坡稳定性影响程度不同,是因为弱层的赋存位置及软化后的抗剪强度不同。通过对比未软化弱层与软化程度不同的弱层对边坡稳定性影响,可以得出:

  (1)弱层的赋存位置对边坡稳定性影响强烈:

  弱层的埋深越大,边坡稳定性越高;弱层的倾角越小,边坡稳定性越高。

  弱层的赋存位置影响边坡的滑动模式。倾角和埋深共同决定边坡的滑动模式,通过极限平衡法计算得出边坡有两种滑动模式,一种是沿弱层滑动,一种是沿坡面浅层滑动。区分两种滑动模式的分界线是由埋深为自变量,倾角为因变量,经过线性拟合得出的直线。在直线左侧取倾角和埋深的值,边坡的滑坡模式为沿着弱层滑动;在直线右侧取值,边坡的滑坡模式为沿着坡面浅层滑动。

  将弱层未软化与软化后边坡破坏模式一般规律对比可以得出,当软弱夹层在逐渐被软化时,拟合直线在坐标系上向右移动,由于弱层吸水软化,弱层的抗剪强度逐渐降低,将会降低边坡整体的稳定性。而边坡若继续保持稳定,不沿着弱层滑动,弱层的埋深需要取更大值,倾角取更小值。

  弱层的抗剪强度对边坡稳定性影响强烈:

  弱层1的粘聚力对边坡稳定性影响微弱;边坡稳定性系数与弱层1的内摩擦角之间存在线性函数关系,边坡稳定性系数随弱层内摩擦角增加而增大。

  (2)弱层2的粘聚力对边坡稳定性影响微弱;边坡稳定性系数与弱层2的内摩擦角之间存在二次函数关系,边坡稳定性系数随弱层内摩擦角增加而增大。

  4含软弱夹层岩质边坡滑动模式模型试验

  4.1试验目的

  为了验证软弱夹层的倾角及埋深对岩质边坡稳定性及滑动模式的影响规律,本次试验选取抚顺西露天矿南帮典型剖面E1200为原型进行相似模型试验,模型试验采用底摩擦试验台,可以动态揭示边坡的变形发展过程。

  4.2试验原理

  4.2.1相似理论

  地质力学模型试验是结构模型试验的一种,它们是采用物理模拟的方法来研究结构及地基的问题。这种物理模型必须是根据原体结构的具体情况,按照相似理论来确定模型的各项物理量,这样才可以通过所模拟的物理量的变化规律来推断或预测原体结构的相应物理量将出现的结果。换句话说,即模型与原体结构(包括基础)之间,必须满足相似律的要求,故可以认为,相似理论是模型试验的理论基础。

  通常把原型和模型间相同的物理量i之比叫做“相似系数Ci”,即

  式(4-1)

  i为任一种物理量,下标“p”和“M”分别代表原型和模型。通常采用的Cl,C,C,,CE,C,C,C,C相应为原型和模型的几何长度、应力、应变、位移、弹性模量、泊松比、体积力、材料密度、材料容重之比例,亦即上列各物理量的相似系数。

  在进行模型试验设计时,模型的几何比例、力学参数、荷载强度、应力、应变和位移等各项参数均需满足相似的要求,具体如下:

  应变比例尺为

  式(4-2)

  泊松比比例尺为

  式(4-3)

  摩擦因数比例尺为

  式(4-4)

  满足上述要求就能确保应力–应变关系全过程相似,如为线弹性材料,还可以推导得到以下相似关系式

  式(4-5)

  式(4-6)

  由于试验中坡体可能会沿软弱滑带发生剪切破坏,所以对于岩土体材料而言,其抗剪强度也应满足一定的相似比的要求,即要求满足下列关系式:

  式(4-7)

  本次试验几何相似系数Cl=1000:1,为重点考虑边坡在自重应力场作用下产生滑坡推力的作用,试验中边坡容重相似系数取,边坡其它相似系数随之而定,可知本次模型试验中坡体材料的相似条件为

  式(4-8)

  式(4-9)

  其中为位移相似比。

  4.2.2底摩擦试验原理

  根据圣维南原理,当模型足够薄时,可认为摩擦力均匀作用在整个厚度上,这相当于模型材料在天然条件下受到重力作用的状态。底摩擦试验是将模型平铺或者倾斜放置在可以转动的皮带之上,如图4.1所示。当皮带向模型下方转动时,因下方有横杠阻挡模型下移,使模型和皮带之间产生摩擦力作用在模型底面上。这是利用摩擦力模拟岩土体重力的一种相似模拟方法,但仅适用于厚度不大的平面模型,模型厚度一般小于2.0 cm。试验平台示意图如下。

  图4.1试验平台示意图

  Figure 4.1 Schematic diagram of the test platform

  4.3模型试验设计

  4.3.1原型选取

  选取计算原型E1200剖面如图所示,最终边坡角为28°,边坡可探明的软弱夹层有3条,经过第三章数值模拟结果得出,坡体内软弱夹层及不整合接触带遇水软化,不同层位的软弱夹层软化后对边坡的影响程度不同。本次试验探究软弱夹层处于不同倾角埋深时对坡体稳定性及滑动模式的影响。

  将地质原型进行概化,概化后的原型长1000米,高450米,结合底摩擦试验台尺寸:长×宽×厚=1.0m×1.0m×0.05m的实际情况,确定模拟试验的几何相似比为Cl=1000:1,模拟范围包括了原型坡体的主要地层及相应边界条件,因此能满足本项试验要求。

  图4.2 E1200概化模型剖面图

  Figure 4.2 E1200 generalized model section view

  4.3.2试验设计

  为了验证软弱夹层的倾角及埋深对岩质边坡稳定性及滑动模式的影响规律,一共设计四组试验:

  (1)试验一:软弱层处于原位(23°、40mm);

  (2)实验二:软弱层倾角变小(8°、40mm);

  (3)实验三:软弱层埋深变大(23°、120mm);

  (4)实验四:软弱层倾角埋深均变大(29°、100mm)。

  4.4相似材料的选择与配比

  (1)对材料的基本要求

  在利用相似理论进行相似模拟试验研究,制造的模型不仅要求在几何形状上与原型相似,更要求在试验过程中包含的各个物理量与原型相似,在进行模拟实验前,要对制作模型的材料进行分析研究,以便找出合适的相似材料。从而使制作的模型能够与原型相似,能够满足工程实际。

  (2)相似材料配比研究

  相似材料的配比是进行相似模拟实验的第一步。使模型与原型在物理性质上相似,才能成功进行物理模拟实验。多年来,相似材料配比只能在摸索中前进,材料配比没有成例可循,只能在前人的研究成果中找寻大致适合目前所研究工程的材料进行不断试验,经过不断调整配比,得到制造相似模型的最佳配比。因此,前人的成果难以推动现在的研究进展。

  原型地层中的各物理力学参数如下表所示,

  表4.1岩土体的物理力学参数

  Table 4.1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

  岩层名称弹性模量粘聚力内摩擦角泊松比容重

  花岗岩50000 30000 50 0.32 2.8

  玄武岩7824 1690 36.7 0.23 2.43

  弱层1 1076 220 21.6 0.3 2.4

  本次试验采用混合材料模拟原型,基岩和上部玄武岩采用不同比例的砂子、石灰、石膏的混合物模拟。经过反复试验,确定各材料质量百分比如下表所示:

  表4.2各材料质量百分比

  Table 4.2 The mass percentage of each material

  岩层名称砂子石灰石膏

  基岩80 12 8

  软弱夹层———

  玄武岩80 16 4

  各模型所用配比如下表所示:

  表4.3软弱层处于原位材料配比表

  Table 4.3 Proportion of materials with weak layer in situ

  岩层名称砂子石灰石膏

  基岩8304 1246 830

  软弱夹层350——

  玄武岩1266 253 63

  表4.4软弱层倾角变小材料配比表

  Table 4.4 Ratio of materials with weaker inclination angle

  岩层名称砂子石灰石膏

  基岩6892 1033 689

  软弱夹层406——

  玄武岩3411 682 170

  表4.5软弱层埋深变大材料配比表

  Table 4.5 Proportion of materials with large buried depth of weak layer

  岩层名称砂子石灰石膏

  基岩5521 828 552

  软弱夹层428——

  玄武岩3988 798 199

  表4.6软弱层倾角埋深均变大材料配比表

  Table 4.6 The ratio of materials in which the inclination depth of the weak layer becomes larger

  岩层名称砂子石灰石膏

  基岩6837 1025 684

  软弱夹层367——

  玄武岩2757 551 138

  4.5试验方法及测量过程

  4.5.1试验方法

  本次试验采用中国矿业大学(北京)的底摩擦机(图4.3),该试验台长1.9m,宽1.4m,高0.7m,试验台上方的模型框架长1.0m,宽1.0m,高0.05m。该试验台主要由无级调速电机、转筒、钢制平台托底、无缝胶带和木质框架等组成,试验机的转筒的转速限制在1.5—12.0 r/min,皮带运行的动摩擦系数为0.70。

  图4.3底摩擦试验机

  Figure 4.3 Bottom friction test machine

  试验台上方设置GoProHERO7Black运动摄像机(图4.4),该摄像机可以拍摄4K 30帧/秒、2.7K 60帧/秒,1080p 120帧/秒1200万像素视频,语音控制,电子防抖,内置无限网络Wi-Fi+蓝牙,与手机GoProApp兼容,可以采用手机控制摄像机。

  图4.4 GoPro HERO7 Black运动防抖数码相机

  Figure 4.4 GoPro HERO7 Black sports image stabilization digital camera

  在试验过程中,将相似材料均匀平摊在模型框架内并击实,按设计的模型尺寸和形状进行削减,形成试验所需的模型,如图4.5所示。待模型完全干燥后,在完成模型的表面粘帖不干胶白色标签以作标记点。模型准备好后,开启相机录像,打开试验台电源开关,皮带匀速转动,直到模型破坏,试验终止。

  图4.5铺设完成的模型

  Figure 4.5 The completed model

  4.5.2测量过程

  1)底摩擦试验采用圆形不干胶白色标签在被测模型上放置标志点,该标志点直径为10mm,粘性适中,能很好的附着在模型表面。

  2)将GoPro运动摄像机固定在试验台上方,调节好视频拍摄角度,采用录像模式拍摄试验从开始到终止全过程。

  3)将摄像的高清视频通过Adobe Premiere Pro CS6软件按照每一帧导出,根据试验模型的破坏情况选取若干张照片,选取的照片按照时间进行排序,最后分析模型的变形破坏过程。

  4.6试验结果及分析

  4.6.1试验一:软弱层处于原位

  当软弱夹层处于原始位置时,模型铺筑如图(a)所示,将模型两侧及底部取为约束边界。选取不同时刻的试验照片分析边坡的破坏方式,如下图所示:

  (a)开始运行

  (a)Start operation

  (b)运行21s

  (b)Run for 21s

  (c)运行23s

  (c)Run for 23s

  (d)运行26s

  (d)Run for 26s

  (e)运行33s

  (e)Run for 33s

  (f)运行结束

  (f)End of operation

  图4.6试验一模型破坏过程

  Figure 4.6 Test 1 model destruction process

  启动底摩擦试验机,当皮带运行21秒时,模型最上方的玄武岩层坡脚处出现第一道裂缝L1,裂缝宽约1mm,该裂缝沿着玄武岩下层的软弱夹层贯通;当皮带运行23秒时,玄武岩坡脚处出现新裂缝L2,坡面处出现裂缝L3,这两条裂缝同样与软弱夹层贯通;在皮带运行26秒时,坡面出现裂缝L4,L5,L6,此时,边坡上部玄武岩坡脚处整体破坏;当皮带运行33秒时,玄武岩层坡体在失去坡脚的支撑下,整体发生破坏,裂缝密布,沿着弱层倾斜向下滑动;在皮带运行结束后,边坡上部玄武岩层较基岩下沉5cm,在水平方向整体产生10cm的位移,该边坡最终破坏。

  从边坡的破坏过程来看,首先在坡脚处发生破坏,分析其原因为坡脚处是应力集中区,坡脚受上部岩层的挤压发生剪切破坏;其次是坡面处出现裂缝,裂缝自边坡中下部逐渐向上传递,最终边坡整体出现滑坡,究其原因是坡脚处破坏后,坡面处的岩层失去了坡脚处的支撑,中下部的玄武岩层在重力的作用下拉断了与中上部的岩层之间的连接,从而产生破坏,总之,边坡上部岩层在失去坡脚支撑后,在重力的作用下逐级拉断破坏。该边坡最终沿着软弱夹层整体失稳,其破坏模式与极限平衡法的结果吻合较好。

  4.6.2试验二:软弱层倾角变小

  当软弱层的位置发生改变,软弱夹层的倾角由原来的23°变成8°,不改变其余的参数,模型铺筑如图(a)所示,将模型两侧及底部取为约束边界。选取边坡在不同时刻的照片,如下图所示:

  (a)开始运行

  (a)Start operation

  (b)运行15s

  (b)Run for 15s

  (c)运行23s

  (c)Run for 23s

  (d)运行27s

  (d)Run for 27s

  (e)运行结束

  (e)End of operation

  图4.7试验二模型破坏过程

  Figure 4.7 Test two model destruction process

  (1)边坡破坏形式分析

  启动底摩擦机,当皮带运行15秒时,边坡开始发生破坏,坡顶浅层区域产生破坏;当皮带运行23秒时,坡顶破坏的范围变大,浅层区域的破坏向中部发展,同时在坡面处出现两条裂缝,裂缝L1为弧形,入口在坡顶处,出口在坡面中间,将玄武岩分为上部滑体与下部滑床,裂缝L2长约7cm,沿着坡面倾斜向上,该裂缝将滑体分为两个部分;当皮带运行27秒时,在滑体上出现了新的裂缝L3,该裂缝为竖向裂缝,长约5cm,与裂缝L2将滑体分为3个部分;当皮带运行结束时,坡顶处浅层破坏已经发展到中层,破坏范围变大,同时,在上部滑体上出现了新的裂缝L4,该裂缝与L1、L4相连接,将滑体一分为四。

  从上述边坡的破坏过程来看,边坡的破坏首先发生在坡顶处,坡顶在自重应力的作用下挤压破坏,随着皮带的转动,破坏逐渐向坡面发展,坡面处的裂缝逐渐增加,但裂缝并未向坡体内部延伸,边坡只是出现局部破坏,整体保持稳定;当皮带停止转动,边坡坡顶处的破坏范围较开始时变大,坡面处裂缝增加,总体来看,其破坏是浅层的、局部的破坏,边坡并未沿着软弱夹层发生整体滑移。该边坡整体保持稳定。

  (2)软弱夹层倾角变小对边坡稳定性的影响

  将试验二结果与试验一结果对比分析,两组模型改变的因素是软弱夹层的倾角,软弱夹层的倾角由原来的23°减小到8°。从实验结果可以看出,两组试验中边坡的滑动模式有着明显的区别,当软弱夹层倾角为23°时,边坡破坏时先剪断坡脚,沿着软弱夹层向下滑动,边坡整体发生破坏;当软弱夹层倾角减小为8°时,边坡的破坏发生在坡顶及坡面处,其破坏是浅层的、局部的破坏,边坡整体并未滑动。因此当软弱夹层的倾角减小后,边坡的稳定性有显著的提高,软弱夹层倾角为8°时,边坡破坏模式有显著的改变。本组试验结果验证了极限平衡法的计算结果。

  4.6.3试验三:软弱层埋深变大

  当软弱层的位置发生改变,软弱夹层的埋深由原来的40mm变成120mm,不改变其余的参数,模型铺筑如图(a)所示,将模型两侧及底部取为约束边界。选取边坡在不同时刻的照片,如下图所示:

  (a)试验开始

  (a)Start operation

  (b)运行20s

  (b)Run for 20s

  (c)运行26s

  (c)Run for 26s

  (d)运行结束

  (d)End of operation

  图4.8试验三模型破坏过程

  Figure 4.8 Test three model destruction process

  (1)边坡破坏形式分析

  启动底摩擦机,试验开始,当试验进行到20秒时,模型开始破坏,第一条裂缝L1出现在坡面中间,裂缝呈交叉状,在坡面破坏处形成一个小的三角形,破坏区域较小;当试验进行到26秒时,边坡出现两条裂缝L2、L3,裂缝L2呈弧状,与裂缝L1相连,裂缝L2入口处在坡顶中央,出口处在坡面中央,将边坡切割出现一个弧状的滑面,裂缝L3出现在L1切割的小区域中间,将小区域一分为二;当皮带运行结束时,滑面中间出现新的裂缝L4、L5,两条裂缝均呈竖直状,L4长度大约为8cm,L5长度大约为4cm,将滑体分割成多个块体。

  从上述边坡的破坏过程来看,边坡的破坏最开始出现在坡面处,坡面处首先产生微小的裂缝,当小三角破坏区域产生后,边坡坡面处破坏区域支撑力减弱,在边坡坡面处出现了弧形破坏面,底摩擦机继续运行直至结束,弧形破坏面区域右侧的支撑力减弱,在重力的作用下,滑体失去了右侧的支撑,出现两条新的裂缝,将滑体分为四块。从破坏过程看,边坡的破坏属于局部小范围的破坏,坡面上的滑体并未整体滑移,边坡也没有发生大范围的破坏。

  (2)软弱夹层埋深变大对边坡稳定性的影响

  将试验三与试验一进行对比,改变的因素是,软弱夹层由埋深40mm增大到埋深120mm。分析试验结果得出,两组试验的边坡破坏模式有明显的区别,软弱夹层埋深为40mm时,边坡的破坏从坡脚处开始,边坡坡脚处剪断,边坡沿着软弱夹层整体向下滑动;当软弱夹层的埋深增大到120mm时,边坡的破坏方式是,坡面处先出现三角形的破坏区域,随后坡面处出现较大的弧形破坏面,随着试验进行,弧形破坏面上的裂缝在逐渐发展,但并未延伸到边坡其他区域,边坡整体保持稳定。可以看出,当软弱夹层的埋深增大超过100mm时,边坡的破坏方式发生改变,边坡的整体稳定性显著提高。本组试验结果验证了极限平衡法的计算结果。

  4.6.4试验四:软弱层倾角和埋深均变大

  同时改变软弱夹层的埋深及倾角,软弱夹层的埋深由原来的40mm变成100mm,软弱夹层的倾角由原来的23°变成29°,模型铺筑如图(a)所示,将模型两侧及底部取为约束边界。选取边坡在不同时刻的照片,如下图所示:

  (a)试验开始

  (a)Start operation

  (b)运行25s

  (b)Run for 25s

  (c)运行32s

  (c)Run for 32s

  (d)运行37s

  (d)Run for 37s

  (e)运行结束

  (e)End of operation

  图4.9试验四模型破坏过程

  Figure 4.9 Test 4 model destruction process

  (1)边坡破坏形式分析:

  启动底摩擦机,试验开始。当试验进行到25秒时,坡脚区域最先出现小范围的破坏;当皮带运行到32秒时,坡脚处浅层的破坏范围变大,同时在坡脚及坡面处出现3条贯穿裂缝,裂缝L1出现在坡脚处,呈竖直状,长约17cm,与最先破坏的区域相连,一直延伸到软弱夹层,软弱夹层与上层岩层相连的坡脚处也有小范围的破坏,裂缝L2出现在坡面中央,呈竖直状,长约15cm,该裂缝将上层岩层完全贯穿,直至与下层软弱夹层相连,裂缝L3出现在坡面中上部,倾斜向左上方延伸,长约22cm,该裂缝也将上部岩层完全贯穿,与软弱夹层相连;当皮带运行至37秒时,坡脚处裂缝已将坡脚破坏处上下区域完全贯通,破坏范围变大,上部岩层出现三条新的贯通裂缝,裂缝L4出现在坡面中间,呈竖直状,与裂缝L3相连,该裂缝将上部岩层完全贯穿与软弱夹层相连,裂缝L5出现在裂缝L3左上方,呈竖直状,将上部岩层完全贯穿与软弱夹层相连,裂缝L6出现在坡顶处,弯曲向上,与软弱夹层相连,此时,边坡上部岩层已有挤压软弱夹层趋势,上部岩层在竖直方向上已有大约3cm的位移;当皮带运行结束,坡脚处已完全破碎,坡体裂缝密布,边坡整体沿着软弱夹层向坡脚滑动,该边坡最终破坏。

  从以上边坡的破坏过程来看,边坡最开始破坏的地方在坡脚处,坡脚处最先出现大面积破坏,随后坡面处产生裂缝,可以看出坡脚处的破坏是由于下部软弱夹层不均匀沉降,导致坡脚处出现竖直的裂缝,随后在重力的作用下,坡面处的岩层被拉断,在重力作用下沿着软弱夹层向下滑动。该边坡的破坏时整体的向下滑动,其破坏方式与极限平衡法的计算结果吻合较好。

  4.7本章小结

  采用底摩擦试验探究了软弱夹层的倾角及埋深对岩质边坡稳定性的影响,通过改变软弱夹层的倾角及埋深得出以下规律:

  (1)软弱夹层在边坡中存在的位置对边坡的稳定性有着重要的影响。软弱夹层的倾角越小,边坡的稳定性越高;软弱夹层的埋深越大,边坡的稳定性越高。

  (2)验证了极限平衡法的计算结果:

  1)在试验一中,当软弱夹层的倾角为23°、埋深为40mm时,倾角及埋深均超过了临界值,根据极限平衡法的计算结果,该边坡的破坏将会沿着软弱夹层整体滑动,试验一验证了极限平衡法的计算结果;

  2)只改变软弱夹层的倾角时,对比试验一与试验二的结果,试验一边坡的破坏是沿着软弱夹层破坏,边坡整体失稳,试验二边坡的破坏是浅层的局部的破坏,从试验一与试验二的边坡破坏模式可以看出,当软弱夹层的倾角越过临界值时,边坡破坏模式将会发生显著的改变,试验二的结果与极限平衡法的计算结果相吻合。

  3)只改变软弱夹层的埋深时,对比试验一与试验三的结果,试验一边坡沿着软弱夹层整体滑动,实验三边坡属于局部小范围的破坏,坡面上的滑体并未整体滑移,边坡也没有发生大范围的破坏。从试验一与试验三的边坡破坏模式可以看出,当软弱夹层的埋深越过临界值时,边坡的破坏模式将会发生显著改变,该实验的结果与极限平衡法的计算结果相吻合。

  4)同时改变软弱夹层的埋深及倾角,对比试验一与试验四的结果,边坡均沿着软弱夹层整体滑动。实验四的埋深、倾角均越过了临界值,根据极限平衡法的计算结果,该边坡最终将沿着软弱夹层滑动,实验四验证了极限平衡法的计算结果。

  5降雨对含软弱夹层岩质边坡稳定性影响数值分析

  5.1引言

  我国是世界上滑坡灾害最为严重的国家之一,在过去十几年中,相继发生了许多严重的滑坡灾害,造成了重大的人员伤亡、经济损失,并对环境造成了重大影响。降雨是诱发边坡失稳最频繁的环境因素,受环境因素的影响,自然界存在的边坡大多都是非饱和状态,雨水入渗导致边坡土体中渗流场发生变化,土体中负孔隙水压力(基质吸力)降低,从而导致可能的滑动面上土体的抗剪强度降低,引起边坡的抗滑力下降,导致边坡失稳。当岩质边坡中存在软弱夹层时,岩质边坡的滑动模式受弱层控制。软弱夹层易受水的影响浸水软化,也会影响边坡的稳定性。本章采用有限元软件Geo-studio建立数值模型,采用SEEP/W模块分析降雨强度及降雨持续时间对南帮边坡渗流场的影响,最后采用SLOPE/W计算在降雨影响下边坡稳定性的变化。

  5.2研究区工程地质条件

  5.2.1基本介绍

  抚顺西露天矿是一座历史悠久、规模宏大的大型深凹露天煤矿,从1914年开采,已有九十多年历史,目前,采场东西长6.6km,南北宽2.2km,采深约400m。已采出煤炭2.6亿t,油母页岩4.8亿t,剥离16亿m3。

  露天矿位于抚顺市市区西部,南倚千台山北麓,北临浑河,矿坑北部境界与抚顺石油一厂、抚顺发电厂、水泥厂等企业相临,矿坑面积10.4km2,三个排土场面积21.2km2,约占抚顺市市区面积的27%。

  5.2.2气象水文

  抚顺地区属北中温带半湿润大陆性季风气候,受西伯利亚及蒙古高原寒冷气流和黄海暖湿气流的影响,夏季炎热多雨,冬季漫长寒冷。年平均气压100.6kPa;年平均气温5~6℃,1月份平均气温-15~-17℃,最低极端气温-40.5℃;7月份气温22~24℃,最高极端气温40.3℃;无霜期142天,结冻期135天,冻结深度1.2~1.4m;主要风向为东北风,年平均风速为1.7m/s,最大风速为21.2m/s。

  全年平均降雨量为808.1mm,多集中在7、8月份,日最大降雨量为180.3mm/d,最大连续降雨量为963.5mm;从每年秋季11月份起到翌年4月份止,为降雪期,年平均降雪量为30.5mm,最大积雪305mm。

  煤田北侧的浑河为抚顺市的主要水系干流,发源于辽宁省清源县滚马岭,由东向西流经抚顺市区,再经沈阳市与太子河汇合后入辽河,经营口入海,全长415.4km,枯水期平均流量约为8.5m3/s,汛期平均流量约为221m3/s,年平均流量约为46.5m3/s,平均流速约1.6~3m/s。矿区内河床坡度为12%,21km内下降25.3m,河流水位近年由于大伙房水库等水利工程控制已非自然水位,故未进行观测与记录。

  煤田东部有海新河,系浑河的支流,常年有水。

  煤田西部有古城子河,为季节性河流,发源于抚顺县安家乡吴家卜子,由南向北汇入浑河,河流长33.4km,年平均流量约为5.9m3/s。

  千台山南侧坡下为人工河——杨柏河,杨柏河属古城河支流,在南窑汪良电铁桥以上汇入古城河。杨柏河支流河长14.2km,集水面积为53.2 km2。南帮E1000~E1300地面为刘山旧河道位置,基岩下切,存在河卵石层,渗透性良好。研究区西侧约500m处为古城河,古城河发源于抚顺县海浪乡前陡山,流经八家子、英守村、石文镇、五老屯,在古城子南窑地进入市区,沿西露天矿坑西侧汇入浑河,流域面积325.15 km2,河长35.5km,流量0.348m3/s,流速为0.39m/s,河道平均比降4.26%。

  5.2.3工程地质类型

  区内主要以第四系松散层土体工程地质单元(上部)及基岩层岩体工程地质单元(下伏)为主,其中前者主要分布在研究区域南侧的千台山南坡及西露天矿西端帮,后者主要分布在西露天矿坑的南、北帮,自上而下分述如下:

  (1)第四系松散层工程地质单元

  上部为杂填土、素填土层:在采坑的南坡堆积有巨厚的人工堆积层,最厚达50m。

  下部为中细砂,粉质粘土及砾石等第四系松散层组成,5.20~8.90m厚。

  (2)基岩层岩体工程地质单元

  1)玄武岩:主要为强风化结构,主要出露于南、北帮切坡位置及东侧部分区域。

  依岩石特征划分,边坡揭露的玄武岩可分以下三种:

  ①粗粒结构全晶质玄武岩:为硬质岩石,具有很大的抗压强度,抗压范围在1500

  kg/cm2至2000kg/cm2。有明显的柱状节理,且节理发育,破碎形式为块状破碎。

  ②中粒或细粒结构全晶质玄武岩:抗压强度较大,节理发育,抗压强度在900 kg/cm2至1500kg/cm2。

  ③隐晶质或杏仁状气孔状结构玄武岩:抗压强度一般,抗压强度在500 kg/cm2至900kg/cm2,极少数处于500kg/cm2之下。

  2)破碎带:主要出露在玄武岩中,中部的玄武岩夹煤线层、下部的玄武岩夹凝灰岩层以及玄武岩与片麻岩不整合接触部位多有泥化夹层出现。根据岩样测试,泥化夹层干抗压强度一般为10.2~95Mpa,饱和抗压强度一般为0.13~1.6Mpa。

  ①玄武岩夹煤线层中破碎带:E1200剖面ZKC0-1钻孔57m埋深处揭示有一条破碎带,在S650~S500之间延长约150m,在S500向北逐渐尖灭。该破碎带内挤压镜面发育,多呈鳞片状,易风化崩解,偶见近水平状擦痕。

  ②玄武岩夹凝灰岩层中破碎带:该破碎带在E1200剖面中埋深约120~215m,在E400剖面中埋深约152~180m,连通性较好,几乎全线发育。破碎带内以玄武岩、凝灰岩、泥岩等为物质组成提供大量岩石碎屑同时填充泥质物,胶结形式为泥质胶结,受构造影响强烈,主要为挤压破坏,并伴有压碎再结晶现象,镜面与擦痕现象较发育并伴随有豆状凸起。

  ③玄武岩与片麻岩不整合接触部位破碎带:该破碎带在E1200剖面中埋深约144~252m,在E400剖面中埋深约216~251m,连通性好,几乎全线发育。破碎带内以凝灰岩、泥岩、砂岩及片麻岩等为物质组成提供大量岩石碎屑同时填充泥质物,机构形式为挤压片理状,镜面与擦痕现象较发育而岩心呈碎块状,强度较低。玄武岩本身的机构强度高,玄武岩受岩体结构面的产状、强度和风化程度影响较大,同时对边坡稳定也具有连带影响。

  花岗质片麻岩:展布于千台锅炉房东侧及南侧。风化壳一般呈铁锈红色,局部泥质充填,岩芯强度低、易碎,高岭土化明显,具烘烤边;中等风化岩石一般呈肉红色,中粗粒变晶结构,块状、片麻状构造。风化壳干抗压强度为19.5Mpa。

  5.2.4工程地质分区

  西露天矿坑地质分区主要分为以下6个区域,分别是:西端帮区;北帮西区;南帮西区;北帮东区;南帮东区;东端帮区(如图1)。其中,以W1000为分界线,向西分为西端帮区。以E3000为分界线,向东分为东端帮区。以F5断层为分界线,分为四个区域:向东分为:南帮东区,北帮东区;向西分为:南帮西区,北帮西区。北帮西区及东区的北侧边界为浑河,南帮西区及东区的南侧边界为旧河道。

  图5.1抚顺西露天矿工程地质分区图

  Figure 5.1 Fushun West Open-pit Mine Engineering Geological Zoning Map

  5.3建立数值分析模型

  本文依托抚顺西南帮边坡为工程背景,以抚顺西露天矿南帮边坡E1200剖面为研究对象,根据研究区的工程地质概况,采用有限元软件geostudio建立数值模型,采用SEEP/W模块分析降雨强度及降雨持续时间对南帮边坡渗流场的影响,最后采用SLOPE/W计算在降雨影响下边坡稳定性的变化。

  5.3.1模型建立及划分网格

  以抚顺西南帮边坡为背景,在南帮边坡选取典型剖面,前文已述,E1200剖面最为典型,因此选取E1200剖面为研究对象,研究降雨对抚顺西南帮边坡渗流场的影响。根据工程地质单元,可知该剖面坡顶为第四系土层与沙石的混合物,坡面处上层为强风化玄武岩,玄武岩下赋三条软弱夹层,在第三章的软弱夹层软化效果来看,最上条弱层对边坡稳定性有强烈影响,中间弱层对边坡稳定性影响一般。因此将最上条弱层及中间弱层保留,其余弱层不予考虑。弱层下方为弱风化玄武岩,最下层为基岩,岩性为花岗质片麻岩。将E1200剖面简化后,边坡高为450米,坡长1000米,简化后坡面倾角28°。在边坡坡顶及坡面设置8个监测点,以及分别在坡顶及坡脚处设置两个监测面,监测在降雨影响下坡顶、坡面、坡脚处孔隙水压力和体积含水量的变化。如下图所示。

  图5.2边坡数值模型及监测位置图

  Figure 5.2 Slope numerical model and monitoring location map

  图5.3边坡网格划分图

  Figure 5.3 Slope meshing diagram

  将坡体以10米为单元进行划分,由于离坡面近的地方坡体渗流场受降雨影响大,因此,对弱风化玄武岩以及强风化玄武岩、弱层进行了加密划分,单元尺寸为5米。全局共划分10181个网格,节点数量为10262。

  5.3.2模型的初始条件和边界条件

  (1)模型的初始条件

  为了更加准确的模拟降雨入渗过程,需要设置模型的初始条件。初始条件主要是获取边坡在天然状态下的孔隙水压力和体积含水量的分布情况,作为后续瞬态渗流分析的基础。

  本文采用设置水位线的方式获得模型的初始渗流场,结合抚顺西露天矿南帮水文地质资料,获取的初始状态下边坡的孔隙水压力及体积含水量分布情况如下图:

  图5.4边坡初始孔隙水压力分布图

  Figure 5.4 The initial pore water pressure distribution of the slope

  天然状态下边坡岩土体孔隙水压力变化可以分为地下水位线以上和地下水位线以下两种情况。地下水位线以下土体孔隙水压力称之为静水压力,其大小呈线性分布,随深度的增加而增加;地下水位线以上土体孔隙水压力为负值,称之为负孔隙水压力;地下水位线处的孔隙水压力为零。

  图5.5边坡初始体积含水量分布图

  Figure 5.5 Distribution diagram of initial volumetric water content of slope

  天然状态下边坡土体的体积含水量在饱和区为饱和体积含水量(地下水位线及以下),降雨过程中基本不受入渗雨水的影响,即饱和体积含水量不会发生变化。在非饱和区域,土体的体积含水量小于饱和体积含水量,且随高度而衰减,本文采用V-G模型拟合非饱和区土体的体积含水量,得到初始状态下边坡体积含水量分布情况。

  (2)模型的边界条件

  在设置边界条件时,将地下水位线以上设置为零流量边界,坡顶及坡面处设置为降雨边界,将坡脚处设为可溢出边界,边坡底部也设置为零流量边界。

  5.3.3降雨关键参数设定

  (1)边坡基本参数与水力学特征

  经过收集查阅以往的研究资料,确定了边坡的各项参数如下表。

  表5.1边坡基本力学参数与水力学特征表

  Table 5.1 Basic mechanical parameters and hydraulic characteristics of slope

  弹性模量

  E/Mpa粘聚力C/Kpa内摩擦角

  Φ/°泊松比

  v渗透系数

  K/m/s含水率容重

  ρ/g.cm-3

  花岗岩50000 30000 50 0.32 3×10-11 0.3 2.8

  弱风化玄武岩11892 1810 37.2 0.28 4×10-8 0.3 2.6

  强风化玄武岩7824 1690 36.7 0.23 8×10-8 0.3 2.43

  弱层1 1076 220 21.6 0.3 1×10-8 0.3 2.4

  弱层2 3869 810 27.3 0.26 1×10-8 0.3 2.37

  在降雨入渗的过程中,随着坡体不饱和区含水量的增加,坡体不同岩层的渗透系数会随着边坡含水量的增加而发生改变,本文中的各层位的渗透系数及含水量均是通过参考已有的研究资料并结合经验值确定。通过结合以上资料并采用V-G模型确定本次研究中两个非常重要而关键的函数:体积含水量函数(土—水特征曲线)和渗透系数函数(渗透系数随基质吸力变化曲线)。如下图:

  图5.6弱风化玄武岩水力学函数

  Figure 5.6 Weakly weathered basalt hydraulic function

  图5.7弱层水力学函数

  Figure 5.7 Weak layer hydraulic function

  图5.8强风化玄武岩水力学函数

  Figure 5.8 Strongly weathered basalt hydraulic function

  (2)模型计算方案设计

  边坡内部渗流场受到边坡自身条件以及当地降雨条件的影响。本文研究降雨对抚顺西南帮边坡的稳定性产生何种影响,选取降雨强度和降雨持续时间分析对边坡渗流场的影响;最后分析在降雨条件下对边坡稳定性的影响规律。

  根据抚顺西地区的水文地质资料,研究区全年平均降雨量为808.1mm,多集中在7、8月份,日最大降雨量为180.3mm/d,最大连续降雨量为963.5mm。由于24小时雨量等于和大于100毫米的降雨为暴雨,因此其极端降雨强度可以涵盖大暴雨、暴雨、大雨、中雨、小雨。为了更好的研究实际工程中降雨对边坡渗流场的影响规律,依据不同的降雨强度、降雨时长,特设置如下三种降雨工况来模拟降雨条件下边坡内部渗流场的变化规律。

  降雨工况一:取降雨强度为100mm/d,降雨持续时间为6d,总降雨量为600mm。

  降雨工况二:取降雨强度为40mm/d,降雨持续时间为6d,总降雨量为240mm。

  降雨工况三:取降雨强度为40mm/d,降雨持续时间为20d,总降雨量为800mm。

  5.4降雨条件下含软弱夹层岩质边坡渗流场分析

  5.4.1降雨入渗对体积含水量的影响

  在降雨过程中,地下水位线以下的饱和区域不会受到降雨入渗的影响。位于水位线以上的不饱和区域,降雨开始时,不饱和区域的含水量会逐渐上升直至达到饱和状态。本文采用geo-studio中的SEEP/W模块探究降雨过程中边坡体积含水量的变化规律。

  本节选取降雨工况一:降雨强度为100mm/d,降雨持续时间为6d,总降雨量为600mm。以工况一为例分析降雨过程中体积含水量的变化规律。如下图所示,在降雨工况一的条件下,降雨1天的边坡体积含水量分布图与降雨6天的边坡体积含水量分布图。

  图5.9降雨1天的边坡体积含水量分布图

  Figure 5.9 Distribution of volumetric water content of slope during one day of rainfall

  图5.10降雨6天的边坡体积含水量分布图

  Figure 5.10 Slope volume and water content distribution after 6 days of rainfall

  在降雨工况一条件下,从以上降雨1天时与降雨6天时边坡体积含水量分布图可以看出,雨水入渗开始后,边坡表层岩体的体积含水量分布开始发生变化,从初始状态下的0.1随着降雨逐渐变得饱和,降雨6d时,坡顶处的含水量已经达到0.18,同时坡面表层处的含水量在逐渐增大,从降雨开始到降雨6天时,地下水位线出现明显的上升,边坡坡面处的不饱和区域出现明显的缩小,可以看出降雨使得边坡内部逐渐变得饱和。

  在降雨工况一的条件下,边坡坡顶及坡面特征点的体积含水量随时间变化规律如下图。

  图5.11边坡坡顶及坡面特征点的体积含水量随时间变化规律图

  Figure 5.11 Variation of the volumetric water content of the slope top and characteristic points of the slope with time

  在上图中,节点3037~节点9419,依次代表了监测点1~8。由上图可以看到,监测点8的体积含水量不会随着降雨而发生改变,这是因为其位于坡脚处,处于水位线以下,地下水位线以下的区域一直处于饱和状态,降雨不会影响其体积含水量,因此监测点8的体积含水量没有任何变化。此外监测点7的体积含水量上升的幅度大于监测点6的上升幅度,后一个监测点的体积含水量的上升幅度总是大于前一个监测点的,而监测点1和检测点2的的上升幅度最小,且二者的上升曲线几乎重合。由此可以看出,越靠近坡脚处的监测点,其体积含水量的上升空间越大,可以达到饱和体积含水量,而靠近坡顶的监测点,在降雨过程中,体积含水量的上升幅度不大,最大接近0.2,未达到饱和体积含水量0.3。从中可以得出的规律是,在降雨过程中,坡顶入渗的水分会在重力的作用下向边坡内部运移,直至达到地下水位线,给地下水补充。因此,靠近坡脚水位线的监测点的体积含水量上升的幅度最大,由坡脚到坡顶,体积含水量的上升幅度逐步递减。初始含水量越小,监测点处的含水量上升幅度越小,越早越早完成快速入渗,因为初始含水量小的监测点越靠近坡面,降雨入渗的水分会第一时间补充,其含水量上升幅度也小,因此能完成快速入渗;而靠近坡脚水位线处的监测点,初始含水量也较大,但是,靠近坡脚处的监测点需要来自坡顶运移的水分补充,达到的含水量也较高,因此,坡脚处完成快速入渗的时间相对较长,然而,坡脚处最先达到饱和状态,坡顶处需要更长的时间达到饱和。处于坡顶的监测点1和监测点2,由于二者均处于坡顶同一高度,因此二者的入渗规律相同。此外,从降雨进行的时间来看,所有的监测点在降雨的前三天体积含水量呈快速上升状态,后三天开始含水量上升的幅度非常小。可见,降雨开始后,雨水在降雨前2天入渗速度最快,之后呈现缓慢入渗状态。

  在降雨工况一条件下,监测面A和监测面B的含水量分布图如下:

  图5.12监测面A体积含水量分布图

  Figure 5.12 Distribution of volumetric water content of monitoring surface A

  图5.13监测面B体积含水量分布图

  Figure 5.13 Distribution of volumetric water content of monitoring surface B

  在降雨工况一条件下,在降雨6天里,从监测面A与监测面B体积含水量分布图可知,在监测面A中,距坡顶深度为0米时,体积含水量在降雨6天的时间内的变化范围为0.09~0.19,而距边坡12米之下,体积含水量不受降雨时间影响,几乎无变化,由此可知,越靠近边坡表层,体积含水量的变化范围越大,受降雨影响越大,距坡顶12米之后的岩层,体积含水量不受降雨的影响。同样的,在监测面B中,边坡表层体积含水量变化范围最大,受降雨影响最为强烈,距坡面12米之后的土层,不受降雨的影响。因此,在降雨工况一条件下,降雨能够影响边坡的深度为12米。

  (1)不同降雨强度对边坡体积含水量的影响

  选取降雨工况一(降雨强度为100mm/d,降雨持续时间为6d,总降雨量为600mm)与降雨工况二(降雨强度为40mm/d,降雨持续时间为6d,总降雨量为240mm),探究不同的降雨强度对体积含水量的影响。两种不同降雨强度条件下,边坡体积含水量随时间变化如下图:

  图5.14降雨工况一的边坡体积含水量分布图

  Figure 5.14 Distribution of volumetric water content of slope in rainfall condition 1

  图5.15降雨工况二的边坡体积含水量分布图

  Figure 5.15 Slope volume and water content distribution in rainfall condition 2

  从不同降雨强度影响下的体积含水量分布图可以得出,降雨强度大的地下水位线明显高于降雨强度小的,降雨强度大的边坡表层的体积含水量也高于降雨强度小的。因此,降雨强度越大,边坡表层的体积含水量上升越快,地下水位线上升也越快。

  降雨工况一与降雨工况二的边坡坡顶及坡面特征点的体积含水量随时间变化规律如下图。

  图5.16降雨工况一边坡坡顶及坡面特征点的体积含水量随时间变化规律

  Figure 5.16 Rainfall conditions 1 Volumetric water content of slope top and characteristic points of slope changes with time

  图5.17降雨工况二边坡坡顶及坡面特征点的体积含水量随时间变化规律

  Figure 5.17 Rainfall conditions The volumetric water content of the slope and characteristic points of the slope on the second slope change with time

  从上图来看,前文已述,降雨工况一条件下,所有的监测点在降雨的前三天体积含水量呈快速上升状态,后三天开始含水量上升的幅度非常小。可见,降雨开始后,雨水在降雨前三天入渗速度最快,之后呈现缓慢入渗状态。而在降雨工况二的条件下,除去在水位线以下的监测点体积含水量没有变化,其余监测点在降雨的6天内体积含水量一直呈现快速入渗状态,但入渗速度较降雨工况一前三天的入渗速度小。此外,降雨强度大的体积含水量上升到最大需要的时间短,降雨强度小的需要更长的时间上升到最大含水量。

  (2)不同降雨持时对边坡体积含水量的影响

  降雨持续时间是影响边坡渗流场的一个重要影响因素。选取降雨工况二(降雨强度为40mm/d,降雨持续时间为6d,总降雨量为240mm)与降雨工况三(降雨强度为40mm/d,降雨持续时间为20d,总降雨量为800mm)分析降雨持续时间对边坡体积含水率变化的影响。两种不同降雨持时条件下,边坡体积含水量随时间变化如下图:

  图5.18降雨工况二的边坡体积含水量分布图

  Figure 5.18 Slope volume and water content distribution in rainfall condition 2

  图5.19降雨工况三的边坡体积含水量分布图

  Figure 5.19 Distribution of slope volumetric water content in rainfall condition 3

  从上图来看,降雨持续时间长的地下水位线明显高于降雨时间短的,降雨持续时间长的边坡表层体积含水量明显高于降雨持续时间短的边坡表层体积含水量。因此,在恒定的降雨强度下,降雨持续时间越长,地下水位线上升的越高,同时边坡表层的体积含水量上升的越高。

  降雨工况二与降雨工况三的边坡坡顶及坡面特征点的体积含水量随时间变化规律如下图。

  图5.20降雨工况二边坡坡顶及坡面特征点的体积含水量随时间变化规律

  Figure 5.20 Variation of the volumetric water content of the slope top and the characteristic points of the slope with time under rainfall conditions

  图5.21降雨工况三边坡坡顶及坡面特征点的体积含水量随时间变化规律

  Figure 5.21 Rainfall conditions The volumetric water content of the slope and the characteristic points of the slope on the three slopes change with time

  从上图来看,降雨工况三是降雨工况二时间的延续,降雨工况三中前6天监测点中的体积含水量的变化规律与降雨工况二完全相同。降雨工况二在前6天并未达到最大含水量,在相同降雨强度条件下,在降雨工况三中,监测点1~8的体积含水量大约用了10天左右才达到最大含水量。可见,当降雨强度较小时,雨水在边坡中的入渗需要更多的时间才能使边坡岩土饱和。

  5.4.2降雨入渗对孔隙水压力的影响

  在水位线以下的饱和区域,孔隙水压力为正,不会受到降雨入渗的影响,而在水位线以上的区域,为不饱和区域,孔隙水压力值为负值,受降雨影响较大。选取降雨工况一(降雨强度为100mm/d,降雨持续时间为6d,总降雨量为600mm。),以工况一为例分析降雨过程中水位线以上不饱和区域的孔隙水压力的变化规律。如下图所示,在降雨工况一的条件下,降雨1天的边坡孔隙水压力分布图与降雨6天的边坡孔隙水压力分布图。

  图5.22降雨1天的边坡孔隙水压力分布图

  Figure 5.22 Slope pore water pressure distribution after 1 day of rainfall

  图5.23降雨6天的边坡孔隙水压力分布图

  Figure 5.23 Slope pore water pressure distribution after 6 days of rainfall

  从上图可以看出,降雨随着降雨的继续,降雨6天的水位线明显高于降雨1天的地下水位线,边坡的不饱和区域在逐渐缩小,饱和区域在逐渐增大。降雨1天时,边坡表层的孔隙水压力为-700kpa,当降雨第6天时,边坡表层的孔隙水压力出现了-100kpa和-400kpa,可见,边坡表层区域由于降雨入渗逐渐变得饱和。

  降雨工况一条件下,边坡坡顶及坡面处的监测点的孔隙水压力随时间变化规律如图:

  图5.24降雨工况一孔隙水压力随时间变化规律图

  Figure 5.24 Rainfall condition 1 Pore water pressure changes with time

  由上图可知,随着降雨的持续,从监测点1~8的孔隙水压力最后均会上升到0kpa,这是由于随着降雨的持续,由于降雨强度大于边坡的渗透系数,来不及入渗的雨水会沿着坡面向坡脚处流动,在坡面上会出现一层水膜,即坡面上出现了暂态水位线,因此位移边坡坡面上的监测点最终的孔隙水压力最终会达到0kpa。由上图来看,监测点8(节点9419)的孔隙水压力一值保持在0kpa不变,因其在初始状态就处在地下水位线上,之后边坡坡面上出现了暂态水位线,因此其孔隙水压力一直为0kpa;在降雨开始的两天内,若所有监测点的孔隙水压力都上升到0kpa,从监测点的孔隙水压力上升的速度来看,越靠近地下水位线的监测点,其孔隙水压力上升的速度越慢,越远离地下水位线(即越靠近坡顶)的监测点,孔隙水压力上升的速度越快。由此可见,降雨入渗的雨水先在坡顶汇集,坡顶的不饱和区域首先得到补充,之后入渗的雨水在重力的作用下逐渐向下流动,因此,坡脚区域处的孔隙水压力上升速度较慢。

  在降雨工况一条件下,监测面A和监测面B的孔隙水压力随深度变化规律图如下:

  图5.25监测面A孔隙水压力随深度变化规律图

  Figure 5.25 Monitoring surface A pore water pressure changes with depth

  图5.26监测面B孔隙水压力随深度变化规律图

  Figure 5.26 Monitoring surface B pore water pressure changes with depth

  从监测面A孔隙水压力随深度变化规律图中可知,由于监测面A位于坡顶处,坡顶处是不饱和区域,因此孔隙水压力值均为负值。在深度约12米之前,降雨时间会影响边坡的孔隙水压力的变化呈现的规律是:在一定的深度,孔隙水压力会随着降雨的进行而逐渐上升,深度越深,孔隙水压力上升的幅度越小;在深度12米之后,降雨时间不会再影响孔隙水压力的变化,孔隙水压力与深度呈线性关系。因此,在坡顶处,降雨能够影响的深度大约为12米。从监测面B孔隙水压力随深度变化规律图中可知,在深度大约16米之前,孔隙水压力为负值,在16米之后,孔隙水压力为正值。因此可知,监测面B处的地下水位线位于地下16米处。监测面B处的孔隙水压力会随着深度和降雨时间发生变化,在深度大约12米之前,当深度取某一定值,该处的孔隙水压力值会随着降雨的持续而升高。在深度12米之后,降雨时间对孔隙水压力的变化影响非常小,此时孔隙水压力与深度有关,深度越深,孔隙水压力值越大。

  (1)不同降雨强度对边坡孔隙水压力的影响

  选取降雨工况一(降雨强度为100mm/d,降雨持续时间为6d,总降雨量为600mm)与降雨工况二(降雨强度为40mm/d,降雨持续时间为6d,总降雨量为240mm),探究不同的降雨强度对孔隙水压力的影响。两种不同降雨强度条件下,边坡孔隙水压力分布如下图:

  图5.27降雨工况一边坡孔隙水压力分布图

  Figure 5.27 Rainfall condition 1 Slope pore water pressure distribution diagram

  图5.28降雨工况二边坡孔隙水压力分布图

  Figure 5.28 The distribution of pore water pressure on the second slope in rainfall conditions

  从不同降雨强度影响下的孔隙水压力分布图可以得出,降雨强度大的地下水位线明显高于降雨强度小的,降雨强度大的边坡表层的孔隙水压力也高于降雨强度小的。因此,降雨强度越大,边坡表层的孔隙水压力上升越快,地下水位线上升也越快。

  降雨工况一与降雨工况二的边坡坡顶及坡面特征点的孔隙水压力随时间变化规律如下图。

  图5.29降雨工况一的边坡坡顶及坡面特征点的孔隙水压力随时间变化规律图

  Figure 5.29 The variation pattern of pore water pressure with time at the slope top and slope characteristic points of rainfall condition 1

  图5.30降雨工况二的边坡坡顶及坡面特征点的孔隙水压力随时间变化规律图

  Figure 5.30 Variation of pore water pressure with time at the top of the slope and the characteristic points of the slope surface under rainfall condition 2

  降雨工况一得边坡坡顶及坡面特征点的孔隙水压力随时间变化规律图前文已经分析过,不再赘述。从降雨工况二的边坡监测点的孔隙水压力随时间的变化规律图来看,当降雨强度降低而其他条件不变时,其整体的入渗规律与降雨工况一的相同,靠近坡顶的不饱和区最先得到补充,孔隙水压力上升最快,靠近坡脚的监测点需要得到坡顶下渗的雨水的补充,因此,靠近坡脚的监测点的孔隙水压力上升的较慢。降雨工况一和降雨工况二对比可知,工况一仅用2天左右的时间,所有监测点的孔隙水压力就上升到0kpa,而工况二监测点处的孔隙水压力用6天的时间才勉强上升到0kpa。因此,降雨强度大的,边坡监测点处的孔隙水压力上升的更快。

  (2)不同降雨持时对边坡孔隙水压力的影响

  降雨持续时间是影响边坡渗流场的一个重要影响因素。选取降雨工况二(降雨强度为40mm/d,降雨持续时间为6d,总降雨量为240mm)与降雨工况三(降雨强度为40mm/d,降雨持续时间为20d,总降雨量为800mm)分析降雨持续时间对边坡孔隙水压力变化的影响。两种不同降雨持时条件下,边坡孔隙水压力分布图如下图:

  图5.31降雨工况二边坡孔隙水压力分布图

  Figure 5.31 Rainfall condition 2 Slope pore water pressure distribution diagram

  图5.32降雨工况三边坡孔隙水压力分布图

  Figure 5.32 Rainfall conditions 3 Slope pore water pressure distribution diagram

  降雨工况二降雨持续的时间是6天,降雨工况三是降雨进行的20天,边坡的地下水位线较降雨6天明显抬高,边坡表层孔隙水压力上升的幅度也较大,可见降雨持续的时间越长,边坡的不饱和区越小,雨水能充分入渗。

  降雨工况二与降雨工况三边坡监测点处孔隙水压力随时间变化规律如下图:

  图5.33降雨工况二的边坡坡顶及坡面特征点的孔隙水压力随时间变化规律图

  Figure 5.33 The variation pattern of pore water pressure with time at the slope top and slope characteristic points of rainfall condition 2

  图5.34降雨工况三的边坡坡顶及坡面特征点的孔隙水压力随时间变化规律图

  Figure 5.34 The variation pattern of pore water pressure with time at the slope top and slope characteristic points of rainfall condition 3

  降雨工况三是降雨工况二时间上的延续,降雨工况三中前6天监测点中的孔隙水压力的变化规律与降雨工况二完全相同。降雨工况二在前6天即将达到0kpa,在相同降雨强度条件下,在降雨工况三中,监测点1~8的孔隙水压力大约用了10天左右才达到0kpa。可见,当降雨强度较小时,雨水在边坡中的入渗需要更多的时间才能使边坡岩土饱和。

  5.5降雨条件下含软弱夹层岩质边坡稳定性分析

  根据E1200剖面地质钻探成果图以及结合现场踏勘的结果可知,边坡上部出现两条相邻的地裂缝,地裂缝位于弱层1与弱层2的上方,可以肯定滑坡入口即在地裂缝处,但并不能肯定边坡沿着哪条弱层滑动,因此需要分别计算边坡沿弱层1和弱层2的稳定性系数。根据现场踏勘的结果,滑坡出口不明显,因此将坡面及坡底均设为出口。以上节中渗流场的分析结果为基础,将渗流场的结果导入到SLOPE/W中,分析降雨对边坡稳定性的影响。

  图5.35滑坡入口

  Figure 5.35 Landslide entrance

  图5.36南帮滑坡现状

  Figure 5.36 Current status of the Nanbang landslide

  取降雨工况一(降雨强度为100mm/d,降雨持续时间为6d,总降雨量为600mm)的渗流场数据为基础,分析降雨条件下对抚顺西露天矿南帮边坡稳定性有何影响。

  5.5.1滑坡入口在弱层1处

  将降雨工况一的渗流场数据导入SLOPE/W模块中,滑动面入口设置在弱层1处,根据摩根斯坦法的计算结果,边坡将沿着弱层1滑动。采用摩根斯坦法计算得出边坡稳定性随时间变化如下图:

  图5.37降雨初始边坡稳定性系数

  Figure 5.37 Initial slope stability coefficient of rainfall

  图5.38降雨工况一条件下降雨6天边坡稳定性系数

  Figure 5.38 Slope stability coefficient under rain conditions for 6 days of rainfall

  边坡稳定性系数随时间变化趋势如下图:

  图5.39降雨工况一条件下边坡稳定性系数随时间变化趋势

  Figure 5.39 The trend of slope stability coefficient with time under rainfall condition 1

  从上图来看,当滑动面入口设置在弱层1处,边坡沿着弱层1滑动时,在降雨发生的6天内,边坡的稳定性系数随降雨的持续一直在降低。在降雨工况一条件下,边坡稳定性系数由原来的1.123降低到1.066,降低幅度为0.057。

  从图中可知,在降雨进行的前两天,边坡稳定性系数下降的较快,之后的下降速度逐渐变慢,前文已述,岩层的抗剪强度与基质吸力成正比,而基质吸力与岩层含水量有关系,含水量越大,基质吸力就越小,在降雨的前两天,雨水快速入渗,边坡体积含水量迅速升高,基质吸力迅速降低,岩层的抗剪强度迅速降低,因此,在降雨进行的前2天,边坡稳定性系数下降幅度较大,之后几天雨水入渗速度变缓,含水量上升速度变慢,因此边坡稳定性系数下降速度变慢。

  5.5.2滑坡入口在弱层2处

  将降雨工况一的渗流场数据导入SLOPE/W模块中,滑动面入口设置在弱层2处,根据摩根斯坦法的计算结果,边坡沿着弱层2滑动时。采用摩根斯坦法计算得出边坡稳定性随时间变化关系如下图:

  图5.40降雨初始边坡稳定性系数

  Figure 5.40 Initial slope stability coefficient of rainfall

  图5.41降雨工况一条件下降雨6天边坡稳定性系数

  Figure 5.41 Stability coefficient of slope under rain condition 1 rain for 6 days

  图5.42降雨工况一条件下边坡稳定性系数随时间变化趋势

  Figure 5.42 The trend of slope stability coefficient with time under rainfall condition 1

  从上图来看,当滑动面入口设置在弱层2处,边坡沿着弱层2滑动时,在降雨发生的6天内,边坡的稳定性系数随降雨的持续一直在降低。在降雨工况一条件下,边坡稳定性系数由原来的1.651降低到1.591,降低幅度为0.060。

  从图中可知,在降雨进行的前两天,边坡稳定性系数下降的较快,之后的下降速度逐渐变慢,前文已述,岩层的抗剪强度与基质吸力成正比,而基质吸力与岩层含水量有关系,含水量越大,基质吸力就越小,在降雨的前两天,雨水快速入渗,边坡体积含水量迅速升高,基质吸力迅速降低,岩层的抗剪强度迅速降低,因此,在降雨进行的前2天,边坡稳定性系数下降幅度较大,之后几天雨水入渗速度变缓,含水量上升速度变慢,因此边坡稳定性系数下降速度变慢。

  5.5.3边坡沿弱层1滑动与沿弱层2滑动的差异

  从前文得出的数据可知,在降雨工况一条件下,边坡沿弱层1滑动时,稳定性系数降低了0.057,边坡沿弱层2滑动时,稳定性降低了0.060。因此,降雨对边坡沿弱层2滑动的影响较强烈。从稳定性系数来看,降雨结束后,滑移面沿着弱层1时,降雨工况一条件下边坡稳定性系数为1.066;降雨结束后,滑移面沿着弱层2时,降雨工况一条件下边坡稳定性系数为1.591。因此,滑移面沿着弱层2时,边坡稳定性系数较高,边坡不会沿弱层2滑动;而滑移面在弱层1处时,稳定性系数接近1,弱层1是可能存在的滑移面。

  5.6降雨入渗条件下边坡防治对策研究

  由上节计算得出的稳定性分析结果来看,抚顺西露天矿南帮边坡最危险的滑面在弱层1处,因此,需要对弱层1所在的位置进行加固。结合第3章对弱层软化的研究结果来看,弱层1浸水软化会降低边坡的稳定性,而其中起关键作用的是弱层1的内摩擦角,弱层1的内摩擦角每提高1°,边坡稳定性系数变化如下:

  表5.2边坡稳定性系数随内摩擦角变化表

  Table 5.2 Change table of slope stability coefficient with internal friction angle

  内摩擦角21.6 23 24 25 26 27 28

  稳定性系数1.123 1.233 1.276 1.319 1.364 1.409 1.455

  边坡稳定性系数随弱层1内摩擦角变化趋势如下图:

  (a)弱层1的内摩擦角为24°

  (a)The internal friction angle of the weak layer 1 is 24°

  (b)弱层1的内摩擦角为28°

  (b)The internal friction angle of the weak layer 1 is 28°

  图5.43边坡稳定性系数随弱层1内摩擦角变化趋势

  Figure 5.43 The slope stability coefficient changes with the friction angle in the weak layer 1

  由上图可知,边坡稳定性系数随内摩擦角的升高而升高,内摩擦角从21.6°增加到28°,边坡稳定性系数从1.123上升到1.455,稳定性系数增量为0.332。可见,弱层1的内摩擦角对边坡稳定性影响巨大。因此,提高边坡的稳定性需要提高弱层1的内摩擦角。根据《岩土工程勘察规范》规定,露天矿山边坡安全稳定系数应大于1.30。因此,至少需要将弱层1的内摩擦角提高到25°以上,这样才能确保边坡稳定性系数大于1.30。提高弱层1的内摩擦角可以从以下几方面着手:

  (1)抚顺西露天矿南帮边坡地表的防排水工程

  前文已述,弱层极易受到雨水的浸润而发生软化,其力学参数将会大大降低,而弱层1的内摩擦角是影响边坡稳定性的关键。因此,在边坡地表需要做好防水排水工程,防止雨水在坡面聚集而入渗。

  (2)对已经出现的裂缝进行填埋

  从现场勘察的结果来看,南帮出现的两条大裂缝位于弱层的正上方,降雨发生时,雨水极易通过裂缝渗入坡体,直接到达弱层处,使得弱层浸水软化,降低边坡的稳定性。因此,对已经出现在南帮的裂缝进行填埋,防止雨水下渗。

  (3)采用弱层注浆,提高弱层1的力学参数

  从上述研究结果来看,提高弱层1的力学参数是提高边坡稳定性系数的关键。因此,采用弱层注浆法可以提高弱层1的力学参数,从而提高边坡的稳定性。

  5.7本章小结

  本章选取了南帮典型剖面E1200剖面,通过对南帮典型断面E1200剖面进行不同降雨工况下的渗流场以及降雨条件下边坡稳定性分析,得出以下结论。

  (1)降雨强度越大,边坡不饱和区域趋于饱和的速度越快;降雨持续时间越长,边坡不饱和区域达到的最终饱和程度越高。

  (2)降雨能影响边坡的深度约为12米,坡脚区域比坡顶区域先达到饱和。

  (3)边坡沿着弱层1滑动稳定性系数最小,弱层1是最可能的滑移面。

  (4)提高弱层1的内摩擦角是提高边坡稳定性的关键,通过在南帮建立防排水工程,对已经存在的裂缝进行填埋,对弱层1进行注浆来提高弱层1的内摩擦角