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基于流固耦合计算的露天矿灰岩边坡失稳特征与影响研究

2025-02-11 25 上传者：管理员

摘要：边坡的稳定程度影响露天矿区的安全生产，降雨、径流等对露天矿区边坡的稳定造成困扰，当边坡岩土体为灰岩时，地表径流对边坡稳定性的影响尤为显著。以某露天矿灰岩边坡为研究对象，基于非饱和渗流理论中Richards控制方程和VG模型，采用有限元分析软件进行非饱和渗流应力耦合模拟，对持续降雨下灰岩边坡的变形破坏和稳定性进行分析。结果表明：（1）模拟初期边坡稳定性系数下降，但随着模拟时间的持续，边坡稳定性系数趋向于稳定，最终边坡稳定性系数为1.15;(2)模拟过程中边坡渗流场表土负压最先受到影响，由-256.5 kPa变化至-91.6 kPa，但随着模拟时长的增加，渗流场分布趋向于稳定；（3）雨水入渗至边坡内部时，存在明显的瞬态最大剪切应变增量变化区域，主要分布在坡脚处，且随着降雨持续时间的增加，瞬态最大剪切应变增量变化区域增大。

关键词：
COMSOL
Richards控制方程
VG模型
流固耦合
边坡失稳
露天矿
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露天矿区现场安全与生产效率受到边坡稳定的制约,边坡安全稳定是露天矿重要的研究内容[1-2]｡降雨导致边坡变形或其稳定性变化,其理论原因为非饱和渗流应力耦合[3-5]｡对于露天矿区而言,正常的降雨也会对边坡体的稳定造成巨大威胁,原本稳定的边坡体在降雨形成的地表径流下存在一定的失稳可能性[6-7]｡

Richards控制方程可以阐述非饱和多孔介质,如土壤､土石混合体等非稳态流[8-10],VG数学模型在工程上广泛应用于确定土水特征曲线基本参数[11-12],在Comsol软件中使用上述方程与模型,可以使非饱和渗流应力耦合边坡数值模拟更符合实际[13]｡故本文以某露天矿灰岩边坡为研究背景,渗流理论控制方程采用Richards控制方程,结合VG模型,针对当地降雨形成地表径流条件下灰岩边坡稳定性变化进行分析｡

1、理论分析

由于地表径流是长时间的阶段性持续现象,岩土体的饱和状态与非饱和状态是随着渗流场与地表径流影响的变化而发生动态变化｡在露天矿的端帮和排土场边坡中,无论是地下水还是外部条件引起的降水,均不能使边坡状态整体处于饱和状态中[14]｡外部条件引起的降水,也只会使地表在一定深度范围内处于饱和状态,随着时间的变化,表层岩土会由饱和状态转变为非饱和状态｡故基于非饱和土渗流理论,对地表径流影响条件下边坡的稳定性变化进行分析｡

1.1非饱和土渗流理论

Richards方程是非饱和渗流理论的基本方程,通过广义达西定律和连续性方程求得,阐述了非饱和多孔介质中非稳态流,分别以含水量和基质势变2种形式存在｡求得源汇项

1.2表征水土特征模型

常见表征水土特征的数学模型有VanGenuchten模型(以下简称VG模型)､BrooksandCorey模型､Gardner模型等,目前研究土水特征最为常见的数学模型为VG模型｡VG模型能够表示出全负压范围内的水土特征曲线,对不同类型的介质有较高的拟合度｡VG模型中的体积含水率

为了计算方便,可取m=1-1/n｡

VG模型涉及非饱和土理论的参数表达式

2、工程背景

以某露天矿端帮中灰岩边坡为研究对象,其边坡剖面图,如图1所示｡其中分析区域主要为灰岩边坡,整体模型高×宽=60m×150m,边坡坡面角30°,单台阶坡度50°｡

图1灰岩边坡剖面图

该露天矿端帮中的岩土性质为灰岩｡在天然状态下灰岩质地坚硬,具有良好的力学性能,在径流作用下灰岩易发生崩解现象,不利于边坡的稳定｡因此,需要对其进行流固耦合分析,研究其边坡稳定性变化规律｡

3、流固耦合计算

基于COMSOLMultiphysics具有极高的多物理场耦合自由度,且实现所有的材料参数都可以自由地被定义为任意物理量的函数,故采用该软件进行数值模拟分析｡

3.1工况和模型参数

形成地表径流的主要原因之一是降雨,降雨主要通过降雨强度与降雨时长2个因素对边坡的稳定性产生影响,当降雨量一定时,降雨形式又分为长时弱降雨和短时强降雨｡考虑到研究对象所处区域存在持续降雨数天的情况,故选择均匀长时弱降雨作为模拟降雨情况｡结合矿区现场气象报告,设定降雨强度80mm/d,降雨时长3d｡

流固耦合计算过程中所需的基本参数有降雨强度和时间､岩土体的饱和度､孔隙率､渗透系数等,本文主要通过室内试验和现场报告获得相关参数｡模型参数表,如表1所示｡

表1模型参数表

3.2模型边界条件与工况设置

根据第2章节内容,建立数值模拟,计算模拟,如图2所示｡其中划分计算单元3924个｡模型边界条件设置为模型底部无流动､固定约束,左右两侧约束水平方向位移,边坡坡面设为流动边界｡划分网格后的有限元计算模型(见图2)｡

图2有限元计算模型图

降雨强度为工况降雨强度,整体模拟连续降雨3d形成的地表径流对边坡稳定的影响｡

4、结果与讨论

根据数值模拟分析结果,从稳定性系数变化､孔隙水压力变化､塑性区变化3个方面对边坡稳定性变化进行分析讨论｡由于篇幅限制,本文只展示了降雨1､2､3d后的灰岩边坡稳定性分析｡

4.1稳定系数变化

在不同径流影响时间下,边坡安全稳定性系数变化曲线图,如图3所示｡

图3边坡安全稳定性系数变化曲线图

由图3可以看到,地表径流影响前边坡稳定性系数为1.32,地表径流影响1d后边坡稳定性系数降至1.21,地表径流影响2d后降至1.15,随后处于较为稳定的状态｡上述各状态下的边坡稳定性系数均符合行业规范规定｡地表径流影响2d后边坡稳定性系数并未发生明显的变化,是因为长时间的连续地表径流影响后,边坡岩土体趋向于饱和状态,边坡稳定性系数不再受基质吸力影响｡

4.2孔隙水压力变化

边坡内孔隙水压力的发展和消散直接影响岩土体之间作用,是导致边坡失稳的重要因素｡为了更好地研究地表径流对边坡体中孔隙水压力的影响,本小节对孔隙水压力分布特征进行分析｡孔隙水压力分布特征图,如图4所示｡

图4孔隙水压力分布特征图

由图4可以得知,边坡体在地表径流影响过程中的孔隙水压力分布形式大致相同｡在地表径流影响开始时,地表岩土体最先受到渗流影响｡表土负压随着降雨的时长不断增大,表土的孔隙水压力由-256.5kPa变化至-91.6kPa,随后处于较稳定的状态｡导致表土负压变化的原因是径流前期渗入表土孔隙中,改变了表层的孔隙水压力,进而对渗流场产生了明显的影响｡考虑到持续径流影响,表土趋向于饱和状态,孔隙水压逐渐趋于稳定值,最后渗流场处于较稳定状态｡

4.3最大剪切应变增量变化

边坡体在经过长时间的径流渗流,渗流场发生改变,从而改变边坡体原本的应力状态,最终引起应力场的重新分布与塑性区的变化｡不同阶段下瞬态边坡塑性区分布图,如图5所示｡

图5不同阶段下瞬态最大剪切应变增量分布图

由图5可以得知,随着径流影响时间的增加,灰岩边坡的瞬态发生剪切应变增量的区域逐渐变大,到最后1d时,发生最大剪切应变增量区域最大｡发生最大剪切应变增量的区域分布主要集中在边坡的坡脚处,与现场相关稳定性评价报告一致｡

5、结语

本文在非饱和渗流理论的基础上,使用Richards控制方程和VG数学模型,以某露天矿灰岩边坡为研究背景,建立了流固耦合分析模型,用数值模拟方法分析了地表径流影响下灰岩边坡稳定性变化情况｡得出以下结论:

(1)由于连续数天降雨形成的径流入渗边坡后,边坡岩土体趋向于饱和状态,流固耦合后期径流条件对边坡稳定性系数影响逐渐变小｡在整个径流影响过程中,边坡稳定性系数由1.32降至1.21,再逐渐降至1.15,最后处于较为稳定的状态｡

(2)流固耦合前期渗入表土孔隙中,改变了表层的孔隙水压力,使表土的孔隙水压力由-256.5kPa变化至-91.6kPa,进而影响渗流场分布｡由于持续降雨形成的径流,导致流固耦合模拟后期边坡表土趋向于饱和状态,孔隙水压逐渐趋于稳定值,最后渗流场处于较稳定状态｡

(3)灰岩边坡发生最大剪切应变增量的区域主要集中在边坡的坡脚处｡随着径流影响时间的增加,发生最大剪切应变增量的区域逐渐变大,到最后1d时,发生最大剪切应变增量的区域最大｡

参考文献:

[1]黄润秋.岩石高边坡发育的动力过程及其稳定性控制[J].岩石力学与工程学报,2008(8):1525-1544.

[2]赵尚毅,郑颖人,邓卫东.用有限元强度折减法进行节理岩质边坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2003(2):254-260.