地质灾害与环境保护
JOURNAL OF GEOLOGICAL HAZRDS AND ENVIRONMENT PRESERVATION
1999年 第10卷 第3期 vol.10 No.3 1999



FLAC程序在抚顺西露天矿边坡变形
治理工程中的应用
杨天鸿　唐春安　郑雨天　芮勇勤　江智明　马新民　霍起元
摘　要：　采用FLAC程序对抚顺西露天矿北帮西区W200～W600高陡边坡倾倒滑移变形机理进行数值模拟分析，并对采取的抗滑桩加固工程和疏干减压工程的治理效果进行评价，为边坡整治工程设计提供技术指导和依据。
关键词：　变形机理；数值模拟；治理效果
中图分类号：　TD824.7；TB115　　文献标识码：　A
APPLICATION OF THE FLAC TO THE DISTORTION FATHER
PROJECT OF FUSHUN WEST OPEN CAST SIDESLOPES
Yang Tianhong　Tang Chun′an　Zheng Yutian　Rui Yongqin
(North-east University，Shenyang　110006)
Jiang Zhiming 　Ma Xinmin　Huo Qiyuan
(Fushun Branch CCRI，Fushun　113001)
Abstract：　Analysis the deformation mechanism of the pour landslide in the W200～W600 area of the north wall of Fushun west open pit with FLAC.Evaluates the effect of antislide pile and dewatering,provides the technical guidance and basis for engineering design of slope treatment.
Key words：　deformation mechanism;computer simulation;treatment effect
1　前言
　　抚顺西露天矿是我国大型露天煤矿，具有90多年的开采历史。边坡高达380 m，坡角25～30°。近十几年来，随着矿坑采深的日益增加，北帮西区高陡边坡倾倒滑移变形十分严重，坡表的累计位移量可达10～15 m，不但影响矿山运输生产，而且严重威胁紧临北帮地面工业建筑设施(石油一厂)的安全，引起国家各部委的高度重视。1996年国家重大安全措施项目“抚顺西露天矿北帮西区边坡综合治理工程”* ，已得到国家审批并开始实施。因此，对该区边坡治理工程效果的评价显得十分重要。
2　边坡工程地质构造特征与变形破坏模式
2.1　地质构造特征
　　本区工程地质条件比较复杂，在北帮上部和厂区南部有F1和F1A逆断层通过，均为压扭性逆断层。F1和厂区断层走向NE80°，倾向北西，倾角47～52°，上盘为白垩系岩层，下盘为第三系岩层。F1A断层走向NE80～85°，倾角70～75°，破碎带宽度在厂区范围内为30 m左右，上盘为太古界鞍山群花岗片麻岩，下盘与F1之间形成一个由白垩系岩层组成的倒三角形岩体。在F1和F1A断裂构造作用下，北帮地层产状和岩体结构受到剧烈影响：位于F1与F1A之间的白垩系岩体严重受剪，岩体破碎；位于F1南侧的第三系地层被牵引形成褶曲，呈不对称向斜及复式褶曲构造，向斜北翼岩层倒转，南翼岩层倾角平缓，加之绿色泥岩中夹有多层软弱褐色页岩，且受边坡水压作用，有的已形成泥化夹层，如图1所示。


图1　抚顺西露天矿W600水文地质剖面图
Fig.1　Fushun west strip mine W600 hydrological geology profile chait
(图中，观1至观4为水压监测孔)
2.2　边坡变形破坏模式
　　F1断层下盘绿色泥岩体受F1断层以北岩体的倾倒力作用，而且绿色泥岩中夹有多层软弱的褐色页岩泥化软弱夹层，同时在此地质体的上部，向斜北翼岩层倒转，形成倾倒滑移的有利条件，其下部向斜南翼岩层处于顺层状态。褐色页岩中泥化夹层呈可塑状，具有流变特性，北翼岩体在自重力作用下发生倾倒，自上而下逐块传递倾倒力，倒转岩层在倾倒力的作用下，使南翼岩层发生沿弱层的顺层滑移，其结果又导致倾倒岩层进一步发生倾倒变形。
3　边坡变形数值模拟分析
　　本项模拟分析应用比较流行的FLAC程序［1］，此程序的基本原理和算法与离散元相似，但它应用了节点位移连续的条件，可以对连续介质进行大变形分析，特别适合研究软岩的大变形问题。FLAC程序可以模拟6种模型的材料，也可模拟地应力场的生成、边坡或地下洞室开挖、混凝土衬砌、锚杆或锚索设置、地下渗流等。能够计算锚杆或锚索沿杆长的位移和应力分布，相当于模拟地下岩移监测桩的位移变化。这些特点在本项分析抗滑桩加固效果中，均得到很好的体现。
　　本次应用FLAC程序对北帮西区重点部位W200～W600边坡进行当前状态的模拟。从1989年的边坡轮廓到现存的边坡轮廓为开挖边界一次完成。未考虑井工采动的影响，考虑F1，F1A及1～5层复式褶曲弱层(泥化夹层)覆存，参见图1。W400剖面网络见图2，位移数值模拟结果见图3，分析所用指标见表1。


图2　W400边坡网格示意图
Fig.2　Mesh schematic diagram of W400 slope rockmass


图3　W400边坡疏干工程布设及效果评价
Fig.3　W400 side slope drainage project distribution and effectiveness appraise
1.当前；2.疏干；3.饱和；4.全干；5.加固
　
表1　边坡岩体力学参数表
Table 1　Mechanics parameter of spole rockmass

材 料 名 称弹性模量
E (MPa)泊 松 比
μ内 聚 力
C (kPa)摩 擦 角
φ (°)容　重
γ (kg/m3)
玄武岩10 0000.14120352 800
煤　层1 2000.29140351 500
油木母页岩1 7000.29200362 100
绿色泥岩1 2000.30150302 300
泥化夹层1000.401092 300
断　层1000.401371 830
白垩系砂岩2 0000.2558292 300
花岗片麻岩8 0000.20150452 800


3.1　白垩系岩体的位移特征
　　F1断层上盘的浅部岩体越接近临空区，位移矢量的模越大，由于F1A断层上盘花岗片麻岩刚度较大，该区处于拉破坏区，而F1A断层上盘岩体位移较小。F1断层上盘岩体从地表垂直向下的不同深度，位移矢量的模显著变小，且有明显的突变拐点。拐点的出现，使边坡有沿对应弱层形成整体滑动的趋势。分析表明，F1断层倾角越小，F1断层下盘岩体变形越大，拐点越明显，倾倒效应越显著。F1断层倾倒效应明显，表现为上盘岩体垂直位移大于下盘，且上盘地表位置位移的模最大。
3.2　倾倒滑移区的位移特征
　　边坡水平位移最大的部位，在F1断层下盘的复式褶曲区。此区岩体在断层上盘倾倒力作用下，沿每一弱层均有较大错动，弱层处于剪破坏区，顺层滑移段位移矢量受弱层倾向控制。褶曲区虽表现为多层错动，但其中1～2层位错动显著，且越接近地表，水平位移越大。其中，浅部第2层与F1断层上盘位移“拐点”处形成的倾倒变形底界面倾角为23°，有连成整体的趋势。
4　北帮西区边坡治理工程
4.1　抗滑桩工程
　　设计为工字钢混凝土抗滑桩，工程布置如图3所示。每根桩提供的抗滑力为72.22 t。桩径(孔径) d=600 mm，间距2.5 m，排距2 m。在-30 m平盘施工，共14排。抗滑桩的设计依据：以第2弱层为滑面，应用极限平衡推力法，计算Fs=1.25时提供的抗滑推力和桩的间距与排距。一期工程共施工975根桩。
4.2　疏干减压工程
　　采用水平放水孔对边坡进行疏干减压，孔径89～108 mm，孔内套有代筛孔眼的2寸聚氯乙烯管。放水孔在边帮上按棋盘式排列，水平间距均为50 m，孔深 150 m，分为+30，-80，-108，-200，-250 m，共5个水平布设(参见图3)。
　　在-150 m水平的W600，W400，W200剖面处分别向北开掘平硐，其中W200，W600平硐向北掘至N750和N950，分别向东掘进将各平硐贯通，形成东西方向疏干巷道。巷道内布设仰角放水孔。疏干工程的主要目的，是使边坡水位降到4＃弱层之下。
5　W400剖面边坡整治措施变形数值模拟预测
　　北帮西区W200～W600区段，边坡整治后，对减缓边坡变形将产生一定的效果。采用FLAC程序模拟W400剖面边坡，在当前水位状态、暴雨期饱水边坡状态、全干边坡状态，以及采取疏干工程、加固工程等不同情况下边坡体在滑移区、倾倒区的不同位置深度的变形位移特征，区分出边坡变形减缓效果的差别。这里需要说明的一点是：开挖引起岩体的移动，是一种随开挖速度和部位变化引起的逐次移动和变形的复杂过程［2］，而目前观测数据是某一时刻所测得的位移矢量。这次模拟在分析处理过程中，认为边坡从1989年的轮廓一次开挖到当前边坡轮廓，所计算得的边坡位移量是累计位移矢量值，与实际位移没有可比性，但是边坡体处于不同情况下的位移量相对比值应该符合实际情况。如图3所示，在坡表和地表不同位置设置了4根地下岩移监测桩(即设置强度很弱的锚杆)，以当前边坡变形值为100，来对比不同情况下边坡位移(水平位移)量的相对比值。各剖面的评价结果见表2。因篇幅所限，没有给出W200，W600剖面的位移图。
表2　W200～W600剖面整治工程边坡变形减缓效果评价表
Table 2　Evaluation of distortion decreasing effection of project slope of W200～
W600 section plane

剖　面W200W400W600
变形监测桩1＃2＃3＃1＃2＃3＃1＃2＃3＃
当前边坡100100100100100100100100100
疏干工程50393933347323942
加固工程635443605247706766
全干边坡　　　63853
饱水边坡　　　123195121

　　　　　　　注：4＃桩位移变化不明显，未予列出。
5.1　当前边坡的位移
　　对于这种情况，边坡向斜南翼顺层滑移变形主要集中在1～2层，其变形值是第3层的2倍以上。其中，第2层倾倒滑移所对应的地面变形深度如图3所示，该层位处所形成的倾倒变形底界面倾角为23°，这和通过观测资料分析的结果基本一致。从坡表到地表向北，其水平位移值逐渐减小。
5.2　疏干工程实施后的位移
　　采取水平放水孔与疏干巷道联合工程之后，边坡变形明显减缓。从1＃桩看，第2层以上滑移变形没有减缓，但3～5层滑移变形得以明显减小。其原因是疏干前后水位的波动范围在第2层之下。对比2＃和3＃桩，地表水平位移分别减小33%和47%。4＃桩位于F1A断层上盘，对整治工程和饱水边坡等各种情况，变形波动均很小，几乎不受影响。
5.3　加固工程实施后的位移
　　加固到第2层后，第2层以上的边坡变形明显减小，终止到整治前第3层的位移值。但是在第2层以下，滑移变形依然存在，且略有增加，表明第2层加固后推力向深部转移。从2＃桩看，加固后从地表向下其影响深度范围内的变形都有所减缓，其中，地表处减小52%，对比疏干后减小9个百分点。从3＃桩看，加固效果只波及到这个位置为止。
5.4　饱水边坡和全干边坡的位移
　　模拟边坡饱水和全干两个极限状态的位移。当边坡饱水时，坡表位移量比当前状态增加1.5倍，倾倒滑移深度将深入到第5层，可能产生沿第5层直到地表N1300位置的整体滑移，此层位处所形成的倾倒变形底界面倾角为33°。在全干边坡情况下，边坡变形介于疏干和加固情况之间。从2＃桩看，全干边坡只比疏干边坡效果减缓5个百分点。由此可见，适当的疏干工程即可达到全干边坡的近似效果。
6　结论
　　(1) 边坡整治后不但稳定性显著提高，大滑坡将得到根治，而且使坑下不同弱层，以及地表对应深度处的变形都有较大减缓，其中，地面变形的减缓程度为33%～42%，这已从实际的变形观测资料得到初步验证。
　　(2) 加固第2层以上，将使浅部边坡变形明显减缓，但是第2层加固深度以下的变形依然存在。对于第2层所对应的地表范围内，治理效果为52%～67%，对比疏干效果，加固效果由地表向北递减。对比疏干和全干边坡的治理效果，全干边坡只比疏干边坡效果减缓5个百分点，表明适当的疏干工程即可达到全干边坡的近似效果。
　　(3) +30，-80，-108 m三个水平放水孔工程已于1997年竣工，边坡的地表变形观测表明，变形值减小33%。截止目前：-150 m疏干巷道仍未施工，已改为用-150 m的水平放水孔(排距50 m)；-200 m水平放水孔，改在-184 m水平上施工；-250 m水平放水孔，待边坡到界后再行施工。共完成抗滑桩419根，约占总数的42.97%，目前本工程仍在继续施工中。
作者简介：　杨天鸿，男，30岁。1991年毕业于中国矿业大学，1998年煤炭科学研究院硕士毕业，现在东北大学攻读博士学位。已发表论文10余篇。
作者单位：杨天鸿　唐春安　郑雨天　芮勇勤　东北大学，沈阳　110006
　　　　　江智明　马新民　霍起元　煤炭科学研究总院抚顺分院，抚顺　113001
参考文献
［1］　王泳嘉，邢纪波.离散单元法同拉格朗日元法及其在岩土力学中的应用［J］.岩土力学，1995.6，6(2)：1～14.
［2］　徐嘉谟.露天开挖条件下边坡岩体的移动和变形.见：第四届全国工程地质大会论文选集［C］.北京:海洋出版社，1992.9：1073～1079.
