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抚顺西露天矿北帮边坡动力响应分析

王彤  
【摘要】:抚顺市西露天矿位于抚顺市区东南部,有百余年的开采历史。现已形成东西长6.6km,南北宽2.2km,深约400m~500m的“亚洲第一大坑”,总体积达17亿立方千米。该煤矿采坑北帮紧邻抚顺市市区,北帮边坡一旦发生滑坡灾害,将会造成大量的人员伤亡、财产损失,严重影响附近所有工民建设施的安全,进而危及到整个抚顺城市的安全建设。抚顺西露天矿北帮边坡位于我国东部最大地震带郯庐地震带东侧,郯庐断裂带是一条长期活动的构造地震带,该地震带地震频繁。抚顺地区虽未发生过破坏性地震,但小震活动频繁。海城地震发生后期,抚顺地区陆续发生了36次小型地震,地震频度明显高于历史其它时期。不难推断,海城地震与郯庐断裂带新期构造活动相关,沿浑河断裂波及抚顺,其影响烈度达到Ⅵ度,即海城地震主震过后剩余应变能量通过郯庐断裂带传导波及到抚顺地区。据中、外地震统计资料,在曾经发生过大地震的区域构造带上容易重复引发大地震,所以不能排除坐落于浑河断裂带上的抚顺城区未来发生大型构造地震的可能性。为此本文对抚顺西露天矿北帮边坡展开了与地震相关的一系列研究,在静力计算结果的基础上,进一步探讨抚顺西露天矿北帮边坡的动稳定性及动力响应问题。本文系统地归纳、总结和评述了边坡动力响应稳定性的研究进展,采用有限元数值模拟的方法,对抚顺西露天矿北帮边坡的静、动力稳定性及动力响应等问题进行了计算和分析,得到的主要研究成果如下:1.在对抚顺西露天矿北帮边坡进行了野外地质调查,收集相关地质、水文气象资料的基础上,从地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、地震活动以及人类工程活动情况等方面,研究抚顺西露天矿北帮边坡工程地质环境,建立地质模型和有限元计算模型,得到抚顺西露天矿北帮边坡静力安全系数为1.55,在静力条件下边坡是稳定的,同时为边坡的地震稳定性分析提供了初始的静应力场。2.F1断层上盘白垩系岩体密度大且位于相对密度小易变形的绿色泥岩体的上方;软岩体绿色泥岩本身蠕变变形就大,再加上斜上方白垩系岩体的重力作用就使得绿色泥岩滑移变形更大,进而使F1断层上下盘的倾倒更明显。坐落式滑移变形及倾倒变形在边坡上部和地表变形中占主导地位,变形较大且显著。在沉降坐落段的F1断层上盘白垩系岩体自重压力下,产生法向正应力和沿层面的剪切应力,这将引起上盘岩体越来越大的相对下降,而断层下盘的绿色泥岩岩体,处于揉皱带内,此处岩体强度最为薄弱,反倾岩层向下传递倾倒力,挤压下部软岩体,坡肩附近发生会拉剪破坏,在坡顶处岩体会产生松动、开裂。3.分析了抚顺西露天矿北帮边坡的共振特性。利用有限元计算方法对边坡进行了模态分析和谐响应分析,得到了边坡体的固有频率和振型,以及共振曲线(位移与频率的关系)。坡体的共振效应主要由前三阶固有频率被激发引起,竖向共振位移峰值出现的频率在1.1Hz左右,水平向共振位移峰值出现的频率在1.38Hz左右;结合振型与频响曲线发现,边坡的共振峰值具有垂直放大和临空面放大效应,且坡面处共振产生的位移值最大,即共振现象更明显。4.计算和分析了抚顺西露天矿北帮边坡的地震稳定性。通过有限元动力时程分析,得到抚顺西露天矿北帮边坡在地震作用下的安全系数时程曲线,给出了边坡最小动安全系数值为1.14,由此判断抚顺西露天矿北帮边坡在动力作用下整体是稳定的。进一步对边坡的坡肩、坡脚、坡顶等关键部位,从振动速度、受力情况等方面对其进行局部稳定性的分析和判断,计算和分析的结果表明,在动力作用下,绿色泥岩与油母页岩的交汇处首先会产生塑性区,表层破碎岩体会产生破坏,随着输入地震动力时程的增强,塑性区范围向岩体内部逐渐扩大,确定了边坡体上部沉陷座落,下部顺层滑移的破坏模式。5.分析了抚顺西露天矿北帮边坡的动力响应。本文在边坡的不同位置(坡面、滑面、坡体内)共设置了14个监测点来进行计算和分析。计算结果发现,在垂直方向上,由于逆倾断层F1的存在,使地震波在此结构面形成折射、反射等分异效应,PGA放大系数(坡体内任一点的动力响应加速度峰值与输入地震波的加速度峰值的比值)并没有随着边坡高度的增加呈现单调递增的现象,边坡动力响应的加速度在断层处集中,其加速度响应值在此处产生突变,并向两侧逐渐衰减,在断层处,地震加速度的最大值放大了3.6倍。位移随高程的增加而累积增大,由于断层的存在,使边坡处于不利的变形状态,因断层带保留了较大的残余变形,故坡顶产生了较大的位移;在地震作用下,边坡坡肩表层部位加速度值与位移值最大,可见地震更易激发坡肩部位的破坏,这主要与边坡的结构和各层的岩性有关;对比竖向监测点及沿坡面和滑面方向监测点的位移值,断层上盘地震动峰值加速度及位移明显大于断层下盘。有明显的临空面放大和竖向放大效应,且临空面放大效应大于竖直方向的放大效应。在地震作用下坡面岩土体极易发生破坏。断层上盘地震动峰值加速度及位移明显大于断层下盘。6.分析地震动三要素对边坡动力响应的影响。动力输入的振幅只是导致边坡动力反应的位移、加速度的绝对量值成倍数放大,但他们在边坡剖面上的分布形式却没有改变,即位移、加速度放大系数保持不变,他们不受振幅的影响,只取决于岩土体材料及频谱特性;随输入地震波频率的增大,边坡体的位移峰值随输入地震波频率的增大而减小,故岩土体对所输地震波的卓越频率存在低频放大高频滤波的效应;持时对坡体加速度峰值响应的影响并不明显。本文在抚顺西露天矿北帮边坡工程地质条件调查的基础上,建立了地质模型、计算模型。采用有限元法对抚顺西露天矿北帮边坡进行了静、动稳定性分析,共振特性分析及动力响应分析等方面的研究。研究结果表明,抚顺西露天矿北帮边坡在地震中坡肩会产生浅表性滑坡,坡顶处会产生大量的松动、开裂。


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