基于FLAC3D采用削坡压脚方式后的边坡稳定性分析

郝光 罗益辉 许万忠

摘 要：云南富宁县某煤矿过度不合理地开采与开发，导致界外的北东侧山坡发生大规模的开裂变形，并有小块出现了滑移，可能对煤矿的正常生产及东侧砖场的安全生产造成较大威胁，并危及到北东侧的富广高速公路。矿区工作人员随后对该边坡进行了削坡压脚为验证该煤矿边坡在削坡压脚后是否稳定以及对周围环境的安全性，本文采用FLAC3D对该场区的边坡开挖的情况进行模拟研究，最终验证该煤矿是安全的，这对同类型的边坡提高稳定性具有重大的借鉴意义。

关键词：边坡;煤矿;稳定性;削坡压脚;滑动面

一、煤矿信息概述

富宁煤矿位于富宁县城以南东的城边，富宁至白色公路（323国道）从矿区南侧通过，交通较为方便。煤矿资源于1956年修建开（远）～南（宁）公路时发现，随后对该矿区进行有计划的开采了60来年。但中途由于过度与不合理的开采，从而使边坡出现了变形。

二、工程地质条件概述

（一）地形地貌

富宁煤矿位于富宁县城的北东侧，地貌为河流二级阶地中、后缘斜坡上，原站地形坡度约5～15°，后经过人类工程活动改造后，在斜坡上修筑了节次鳞比居民建筑及阶梯状的水田、旱地，缓坡上发育近南北向的沟谷，呈V字型，在山麓地带沟谷切割深度约30～50m，山前缓坡地带切割深度约1～3m，均为季节性冲沟，雨季流量较大。煤矿开采区位于一条沟谷出口地带，由于地形相对低凹，雨水季节大量雨水冲入开采的矿坑内对矿区的正常开采及矿坑边坡的稳定有很大影响。

（二）气象与水文

煤矿位于北回归线附近，地处低纬高原季风气候区，属亚热带气候类型。年最高气温38℃，最低-5.5℃。北东侧有一条季节性沟谷，旱季对矿区影响不大，雨季水流量较大，对矿坑及边坡影响较大。

（三）矿区地质构造

矿区地处富宁新生代盆地北部，富宁断裂是盆地和煤矿形成地控制性断裂。主要由两条断裂带，具体介绍如下。

（1）富宁断裂：位于矿区北侧与高速公路之间，呈北西～南东向延伸，在研究区断层面向南西倾斜，倾角约60度，断裂带内岩层陡立、挤压破碎，沿断裂带有多期基性侵入岩体，并控制了富宁盆地地层沉积，属延续时间长，右行扭动，压性兼扭性的活动大断裂。

（2）矿区断裂：在矿区内发育两条次级断裂，倾角较陡，对岩层、煤层破坏较大，节理裂隙发育。

（四）地层岩性

工作区分布地层有第四系人工堆积耕植土（Q4ml）、第四系冲洪积卵砾石层（Q4al+pl）、及上第三系（N）泥岩、泥质砂岩褐煤层及燕山期基性侵入岩体，现自上而下分述如下：

（1）第四系人工堆积层（Q4ml）

①耕植土：褐灰、褐色，可塑状，主要由粉质粘土组成，厚0.40～0.60m，局部地段为人工早期开采煤矿的就地填土，含少量碎石或砾石。分布于矿区的未开采的自然斜坡耕作区表层。

（2）第四系冲洪积层（Q4al+pl）

②1卵石：黄、灰黄、灰色，含5%漂石，卵石成份以辉绿岩、石英砂岩为主，松散，一般直径8～20cm，最大0.5～1.0m，颗粒形状以次圆状为主，有浅灰色膨胀土充填，厚度一般1.5～2cm，局部缺失或较薄。分布于矿区周围及缓坡地带。

②2粘土：浅灰、黄灰、灰色，可一硬塑，切面光滑，韧性好，干后硬度高，网状裂隙发育。为膨胀土，自由膨胀率40～54%，厚l～2m，矿坑周围及缓坡地带均有分布，南西侧厚度较大。

（3）第四系残坡积层（Q4el+dl）

③含碎石粉质粘土：褐红、褐色，硬塑状，碎石含量约10%，成份为辉绿岩、砂岩、灰岩等，粒径l～3cm，浅表层土质疏松，厚1～2m，分布于二级阶地后缘的坡麓地带。

（4）第三系组上段（N）

④1泥质砂岩：灰绿色，半成岩，显层状结构，经风化作用呈砂状，手捏易碎，成份为长石、石英及少量泥质，受构造作用，岩层分布无规律性，局部呈透镜状分布，厚5～10m，区内均有分布，北、北东侧开挖的边坡有露头。

④2泥岩：褐、棕褐色，中厚层状，半成岩，节理裂隙发育，被风化后呈粒状脱落，质软，局部泥化程度较高，偶夹紫色砂岩和煤层，有的煤层呈透镜状。泥岩及煤层受地下水浸润易软化，泥岩厚3～10m，煤层厚0.5～2m，往南西侧泥岩逐渐变厚。矿区内均有分布。

④3炭质泥岩：褐、褐黑色，中厚层状，半成岩，节理裂隙发育，被风化后呈粒状脱落，质软，局部泥化程度较高，夹褐煤层，矿区内均有分布。

④4褐煤层夹炭质泥岩：黑、褐灰色，中厚层状，以煤层为主，夹薄层泥岩，节理裂隙发育煤块表面光滑透亮，局部较疏松，矿坑内有多条早期开采的巷道或坍陷、回填矿坑，据煤矿勘察资料，煤层最大厚度26m，大部地段呈1～5m的层状或透镜状。

（5）燕山期基性侵入岩

⑤辉绿岩：灰绿色，成份为辉石、绿泥石等，強风化，均呈土状或碎石土状，高速公路桩孔中揭露到弱风化岩层，分布于高速公路两侧及北东的坡麓地带。

（五） 地震

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011一2001）第3.2.4条及附录A规定，富宁县抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.05g。

（六）不良地质作用

根据现场调查，共有4处滑坡。部分边坡如图1所示：

三、FLAC3D软件的基本原理与介绍

（一）FLAC3D有限单元法的基本原理[1，2]

Flac3D计算法又称三维快速拉格朗日法，它采用了混合离散方法，计算如图2所示一四面体，节点编号为1到4，第n面表示与节点n相对的面，则可由高斯公式得：

由式（3-1）可得：

最终，由三维快速拉格朗日法的计算循环确定，如图3所示

（二） FLAC有限单元法的计算方法

计算模型采用岩土工程中应用[3]最为广泛的Mohr-Coulomb模型，该模型包含剪切和拉伸两个准则[4]。主应力空间中（拉为正，压为负），由Hooke定律可得应力增量的表达式为：

拉伸破坏（BC段）修正后的应力增量关系可表示为：

四、 边坡稳定性分析

（一）边坡剖面的选择

由于该矿区的边坡剖面较多，所以本文选择最危险的剖面2进行计算分析，基本可以代表了相应滑坡的稳定性评价。本文计算了天然工况得到相应剖面下的安全系数及潜在滑移面的区域位置。

（二） 计算模型

根据地质剖面图2-2利用自编[5]的ANSYS-FLAC3D接口程序，如下图所示：

（三）计算参数

根据有关工程地质勘察报告和地区经验值[6]及规范值得到计算参数表1。

（四）  FLAC有限单元法的计算结果分析

1、边坡位移及潜在滑移面分布

以下各计算剖面中，位移由上到下逐渐减小，褐色为稳定部分，紧邻稳定部分的黄色和黄褐色部分为潜在滑动面，蓝色部分为位移或变形较大部分。

2、边坡安全系数及结果分析

通过FLAC3D数值分析计算，得到各个剖面的安全系数如表2所示，从表中可以看出，在天然下，边坡稳定系数均大于规范中1.25，处于稳定状态。整体边坡在外界因素作用下，会出现局部稳定系数小于1.25的情况。另外，剖面2-2的潜在滑动面位于整体边坡台阶坡角最陡处，需重点控制边坡这些部位的变形和稳定，采取相应的加固措施，如继续削坡，压坡角、采用抗滑桩、设置截排水设施等。因此，对边坡的稳定性维护和治理也必须采用综合的措施。

五、边坡稳定性对高速公路的影响

从2-2 剖面数值分析的结果可以看出，该边坡整体是稳定的，不会构成对高架桥基础的直接威胁，在局部较陡的台阶处有局部潜在滑动破坏的可能，潜在滑移面的安全系数小于规范的要求，对这种潜在的滑动要做局部的维护处理。

由上述边坡的静态力学分析来看，目前矿区所采取的加固措施提高了边坡的稳定性，对于消除滑坡对高速公路的影響起到了明显的作用;另一方面，滑坡前缘的稳定对于整体边坡的稳定至关重要，滑坡前端的局部破坏，会牵引滑坡的中后部发生连锁式的反应，因此，对于边坡回填压脚的部位要重点处理，有必要采取分层强夯的方式来提高回填土的密实度，从而提高前缘岩体的物理力学参数，以提高边坡前部的稳定性。

六、 结语

通过运用有限单元法对富宁煤矿矿坑边坡采用削坡压脚的剖面模型进行计算与分析，对富宁煤矿边坡的稳定性以及周边环境的影响，得到如下结论：

（1）滑坡地质灾害主要是由煤矿露天开采境界的开挖引起。如果造成周边滑坡的采场边坡稳定性能够得到改善，则进一步发生滑坡灾害的前提条件将得到控制，从而能够大大降低地质灾害对矿山生产的影响。

（2）边坡在天然公开下，稳定系数大于要求的稳定系数值1.25，处于稳定状态。当在外界水侵扰情况下，边坡的安全系数迅速下降。可见，整个边坡在雨水作用下，将出现局部稳定系数小于1.25的情况。因此，在边坡治理中需控制地下水和雨水对整个采场边坡的浸蚀。

（3）潜在的危险滑动面在2-2剖面并未影响到高速公路桥的基础，说明煤矿所采取的削坡压脚维护边坡稳定的措施发挥了作用。但同时一旦边坡潜在的滑动部分垮掉，桥梁桩地基的左侧部分将失去约束，由于桥梁桩地基岩体较破碎，加之岩体局部风化，桥梁桩基础的稳定性受到影响，即使该剖面边坡的稳定性系数较高，也要采取杜绝各种影响边坡稳定的不利因素。

（4）边坡的垮塌是内外因素综合作用的结果，因此，对于边坡稳定性的维护也必须采取综合治理措施，防患于未然。

参考文献：

[1]郑颖人，赵尚毅，李安洪，唐晓松.有限元极限分析法及其在边坡中的应用[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D 基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[3]赵明阶，何光春，王多垠，等.边坡工程处治技术[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4]唐辉明，晏鄂川，胡新丽. 工程地质数值模拟的理论与方法[M]. 武 汉：中国地质大学出版社，

[5]郑颖人，陈祖煜等.边坡与滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社，2006：194-195.

[6]《工程地质手册》编委会.工程地质手册（第五版）[M].北京;中国建筑工业出版社，2017.