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论文题目准备车间中煤仓黄土边坡变形破坏机制与稳定研究 专 业地质工程 硕 士 生刘晓玲 签名 指导教师王念秦 签名 摘 要 黄土边坡变形破坏是黄土地区人类工程活动过程中常见的表生动力地质现象，危害 严重。尤其是黄土地区煤矿工业场地建设中，因斜坡开挖、机械振动、降雨作用等造成 的黄土边坡变形破坏直接威胁工业场地安全。 这里选择典型煤矿工业场地黄土边坡为研 究对象，借助于现场调查、勘察、试验、多方法计算对比、理论分析、评价和数值模拟， 得到了一系列有价值的结果、结论，主要包括 （1）针对准备车间-中煤仓边坡形成过程、变形特性，提出煤矿工业场地黄土边坡 变形破坏机制 “切脚压致拉裂挤压错动稳定” 。 （2）提出马兰、离石和古土壤抗剪强度指标取值范围的三种模式模式Ⅰ- 土体开 裂、 充填物松散时，C马兰05kPa、φ马兰4060；C离石05 kPa、φ离石4060；C古土壤05 kPa、φ古土壤4060；模式Ⅱ- 土体含水量 10左右时，C马兰1624 kPa、φ马兰2830；C 离石2024kPa、φ离石3436；C古土壤3042 kPa、φ古土壤2831；模式Ⅲ- 土体浸润时，C 马兰1216 kPa、φ马兰2325； C离石1620kPa、φ离石2830； C古土壤2026kPa、φ古土壤816。 进行多方法稳定计算，效果明显，符合实际。 （3）针对准备车间-中煤仓边坡特征，提出“先单级坡、组合坡、整体坡分别多方 法检算，后综合分析、总体评价”的黄土边坡稳定评价新思路，可为稳定坡设计提供依 据。 （4）针对部分研究边坡进行降雨渗流模拟，得到结果、结论①降雨过程中，边坡 在第六级大平台处首先出现孔隙水压力集中，且随着时间的增加，边坡表层土体孔隙水 随单级坡表层土体贯通逐渐向多级坡发展。②水对边坡稳定性的影响主要表现为在边 坡顶部、大平台或坡脚形成一定的软弱带，降低该处的抗剪强度，随之发生不稳。 关键词黄土边坡 变形破坏机制 物理力学性质 稳定 渗流特性 论文类型应用研究型 万方数据 万方数据 Subject Study on Failure Mechanism and Stability of Deation of a Coal mine Industrial Site in Loess Slope Specialty Geological Engineering Name Liu xiaoling （（Signature）） InstructorWang nianqin （（Signature）） ABSTRACT Loess slope deation and failure is the supergene geological phenomena common human engineering activities in loess area, serious harm. Especially the construction of coal mine industrial site in loess area, loess slope caused by slope excavation, the mechanical vibration, the effect of rainfall and other deation directly threatens the security of industrial sites. Here is a selection of typical loess slope coal industry as the research object, by means of the field survey, investigation, experiment, calculation of simulation, theoretical analysis, uation and numerical, and obtained some valuable results, conclusions listed, including ① Prepare for the workshop - coal bin slope ing process, deation characteristics of the deation and failure mechanism, to “cut the foot -- compression cracking -- extrusion -- dislocation -- mine industrial site of loess slope stability“. ② When filling materials in the soil mass crack, Cmalan 0 5 kpa, φ malan4060;CLishi 05kPa,φlishi4060;Cpaleosol05kPa,φpaleosol4060; When the soil moisture content 10Cmalan1624kPa,φmalan2830;CLishi2024kpa,φlishi3436; Cpaleosol3042kPa, φpaleosol2831;When the soil infiltrationCmalan1216kPa,phi malan2325;CLishi1620kpa,φlishi2830 ;C2026kpa,φpaleosol816. ③In view of the multilevel ladder loess slope stability uation excavation site in the construction of the proposed a new uation way according to different properties of different part of the slope soil to determine the basic physical properties and shear strength of the slope; single-stage slope, multi-stage slope and overall slope stability uation of different slope, obtain the whole and local stability uation results; using a variety of stability uation to calculate and study the overall slope comparison, the transfer coefficient on loess slope stability uation more reasonable; ④Study of slope rainfall seepage simulation, results and conclusions the process of rainfall, slope in the first six big plat first appeared on pore water pressure, and with the 万方数据 increase of time, the porosity of the soil surface water with single-stage slope surface soil penetration to multistage slope development gradually.the influence of water on the slope stability of main perance is on the top of the slope, plat or at the foot of the slope ed certain weak zone, reduce its shear strength, the subsequent instability. KeywordsLoess slope；Failure Mechanism；The physical and mechanical properties； Stability；Seepage characteristics Thesis typeapplied research 万方数据 目 录 I 目目 录录 1 绪论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1.1 选题背景及研究意义................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ........................................................................................ 1 1.2.1 黄土边坡变形破坏机制方面................................................................ 1 1.2.2 黄土边坡稳定分析与评价方面 ............................................................ 3 1.2.3 黄土边坡渗流特性及其稳定分析方面................................................. 3 1.3 研究内容与研究方法................................................................................. 6 1.3.1 研究内容 ............................................................................................. 6 1.3.2 研究方法及技术路线........................................................................... 6 2准备车间- 中煤仓边坡基本特征及其变形机制分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 2.1 区域地质环境条件 .................................................................................... 8 2.1.1 气象水文 ............................................................................................. 8 2.1.2 地形地貌............................................................................................. 8 2.1.3 地层岩性............................................................................................. 9 2.1.4 地质构造与地震 ................................................................................10 2.1.5 水文地质条件 .....................................................................................10 2.1.6 人类工程活动 .....................................................................................12 2.2 准备车间-中煤仓黄土边坡结构特征 ........................................................12 2.2.1 边坡形成过程 .....................................................................................12 2.2.2 边坡结构特征 .....................................................................................12 2.3 准备车间-中煤仓黄土边坡变形特征 ........................................................14 2.4 准备车间-中煤仓黄土边坡变形机制 ........................................................15 2.4.1 边坡变形原因 .....................................................................................15 2.4.2 边坡变形机制 .....................................................................................15 2.5 本章小节 ..................................................................................................16 3准备车间- 中煤仓黄土边坡稳定评价研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 7 3.1 黄土边坡稳定评价的新思路 ....................................................................17 3.2 黄土物理力学性质 ...................................................................................17 3.2.1 黄土物理参数 .....................................................................................17 3.2.2 黄土力学参数 .....................................................................................19 万方数据 目 录 II 3.3 黄土边坡多种稳定评价方法 ....................................................................21 3.3.1 定性评价方法 .....................................................................................21 3.3.2 定量评价方法 .....................................................................................23 3.4 黄土边坡多种稳定评价对比研究 .............................................................28 3.4.1 定性评价 ............................................................................................28 3.4.2 定量评价 ............................................................................................29 3.5 本章小节 ..................................................................................................36 4准备车间- 中煤仓黄土边坡降雨作用下渗流特性及其稳定分析 . . . . . . . . . .3 8 4.1 数值模拟软件简介 ...................................................................................38 4.2 模型建立 ..................................................................................................39 4.2.1 数值模拟参数的选取..........................................................................39 4.2.2 数值模拟模型的建立..........................................................................39 4.2.3 数值模拟计算过程与方案 ..................................................................40 4.3 降雨作用下黄土边坡渗流特性分析 .........................................................41 4.3.1 稳态流分析结果 .................................................................................42 4.3.2 瞬态流分析结果 .................................................................................42 4.4 降雨作用下黄土边坡应力分析.................................................................45 4.5 降雨作用下黄土边坡稳定分析.................................................................46 4.6 本章小结 ..................................................................................................47 5 结论与建议 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 8 5.1 结论 .........................................................................................................48 5.2 认识 .........................................................................................................49 致 谢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 0 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 1 附 录 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 5 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 陕北是我国重要能源基地之一，拥有丰富的煤炭资源、石油和天然气，为我国经济 建设提供了重要的能源保障。随着我国采煤技术的不断提高，煤矿工业场地的建设也日 趋科学化、环保化、安全化，场地建设基本由矿井及选煤厂两部分组成。矿井设计主要 拟建建（构）筑物有主斜井驱动机房、通风机房、调节沉淀池、净水车间、变电所、 配电室、主井驱动机房至煤仓胶带输送机栈桥、机修车间、材料库、机电修理车间、炸 药库等；选煤厂主要建（构）筑物有原煤仓、原煤仓至原煤破碎间输送机栈桥、原煤 破碎间、动筛车间、动筛车间至主厂房栈桥、主厂房、主厂房至精煤仓输送机栈桥、矸 石仓、低压配电室等。 随着采煤技术和煤炭资源转化技术的不断发展， 煤矿工业建设对场地的需求日趋凸 显，由于陕北特殊的黄土沟壑粱峁地貌，使得煤矿工业场地的建设通常会诱发边坡失稳 问题，由于黄土边坡规模之大、结构之复杂，在降雨作用下边坡稳定性受到较大影响， 严重影响煤矿工业安全生产及生活，因此，该类黄土边坡变形破坏机制及稳定评价显得 尤为重要。以准备车间-中煤仓边坡为研究对象，对边坡进行调查、勘察、试验等方法 研究该边坡的变形破坏机制，提出一种评价该类黄土边坡的新方法、新思路，从而为更 多的煤矿工业场地边坡稳定评价提供参考依据。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 黄土边坡变形破坏机制方面 2011 年曹平和张科等[1]采用强度折减法和极限平衡法对不同强度、坡比和厚度的多 层土质边坡的稳定性和滑面位置的规律进行研究，揭示了多层边坡的破坏机制。2009 年郑颖人和叶海林等[2]采用 Flac3D 软件对地震作用下， 风化的岩质边坡和均匀土坡的破 坏机制进了数值分析，得出了边坡潜在破坏区是上部拉坏下部剪切破坏共同作用。2012 年张常亮和王阿丹等[3]结合工程实例，研究黄土边坡在侵蚀的不同阶段内部应力和位移 的分布和结合极限平衡法求出个阶段稳定系数，最终得到侵蚀作用诱发黄土滑坡的机 制；2006 年王文生[4]利用土工物理模拟实验、数值仿真和理论分析研究了黄土公路边坡 稳定性，取得了不错的效果。2012 年卢坤林和朱大勇等[5]采用模型槽对素土和加筋土边 坡破坏过程进行了试验，用数码摄像机记录边坡破坏的全过程，为边坡的治理提高了依 据。2006 年徐光明和王国利[6]等采用离心机对膨胀性土开挖边坡进行试验，再现了降雨 万方数据 西安科技大学硕士论文 2 条件下膨胀性土开挖边坡的破坏特征和破坏机制。2006 年赵建军，黄润秋，巨能攀[7] 等通过边坡工程地质条件及变形破坏特征分析，建立 Flac3D 地质模型，采用数值模拟 方法研究了陕北某电厂夹断层破碎带上覆黄土的泥岩、砂岩互层反倾边坡的变形机制。 研究结果表明，边坡的变形受开挖坡形的影响，坡体浅表层特别是断层带及坡顶黄土部 位出现大范围拉应力集中， 断层带出现向坡外的挤出变形， 带动上部黄土的牵引式变形， 引起沿黄土和基岩基覆界面的剪切变形，在黄土中出现大量拉裂缝，在一定条件下潜在 滑移面逐渐贯通，坡体将产生整体失稳。2008 年宋焱勋，彭建兵，张骏[8]等通过对边坡 工程地质条件及变形破坏分析，建立 Flac3D 地质模型，采用数值模拟方法研究了西北 某油田倒班基地黄土填方高陡边坡边坡变形破坏机制。在边坡顶部靠近临空面一侧的陡 坎及其附近、边坡前缘的两个凸体临近临空面一侧的局部部位，岩土体内的应力由压应 力转化为拉应力，它们对该边坡局部的破坏起着非常重要的作用。全新世填土层 Q4 总 体上表现为向坡脚方向变形（滑移）的趋势，在边坡下部的局部还表现为侧方土体向两 凸体中间的凹陷区滑移（运动）的趋势。2009 年姜海波，张银洲，林杜军[9]等通过分析， 得出环县地区黄土边坡破坏是外界环境条件、 不良地质现象和土的物理力学指标综合作 用的结果。2001 年王家鼎[10]等经过现场勘察、室内试验及理论推导，提出了一种强震 作用下低角度黄土斜坡滑移的复合机理位于第一层古土壤层下部饱和黄土和砂土震动 液化;位于其上部黄土层受地震力和液化的双重作用而呈现波浪状地貌， 进而部分黄土体 解体、斜抛、粉尘化和远程运移而形成黄土流。2007 年，金艳丽，戴福初[11]基于斜坡 土体的原位应力状态及现场应力路径，利用 GDS 三轴测试系统，对原状黄土开展了等 压/偏压固结不排水剪（ICU/ACU）和常剪应力排水剪CQD试验，研究了饱和黄土的应 力应变特性，得到了其稳态线和状态边界面，在此基础上探讨了灌溉诱发黄土滑坡的形 成机理。1992 年刘光代[12]研究中论述到主滑段先变形而牵动后段，在后缘产生张拉裂 缝，当裂缝与软弱面连通后，主、牵段共同作用推挤抗滑段滑动，和具非缓倾角的顺层 滑坡前段牵引后段有相似之处。而其特点是此类滑坡其滑面带大都只具陡倾和缓倾两 段，具缓倾段的倾角一般小于 10 度，该段的综合摩角常大于其倾角，在正常情况下， 不易滑动。1996 年 L.Kramer [ 13]把斜坡在地震作用下的失稳归纳为惯性失稳和弱化衰减 失稳两类。2004 年祁生文等[14]对地震作用下斜坡稳定性影响因素研究认为惯性力和超 孔隙水压力的快速增长和积累是斜坡动力失稳的主要因素。2009 年徐继言 [15]认为应力 或应变在软弱层不同位置积累是该类滑坡破坏的根本原因。2008 年许强等[16]对坟川地 震引起的滑坡灾害调查时发现大量滑坡的地质力学模式是后缘形成高陡拉裂面，下部剪 断形成贯通滑动面而高速滑动，认为地震过程中强大的惯性力是斜坡变形破坏的主要原 因，地震力首先在坡顶产生竖直拉裂缝，带动裂缝外侧坡体沿水平向运动，产生接近水 平的拉剪滑动面使滑坡整体破坏。 万方数据 1 绪论 3 1.2.2 黄土边坡稳定分析与评价方面 2006年吴海平[17]等采用Flac模拟边坡开挖和防护过程，并通过对模拟过程的分析， 揭示滑坡形成的机理及发展演变的过程。通过对防护前后边坡应力图、位移图及相关数 据的比较，对边坡的稳定性及防护后效果做出评价，为采用合理的防护结构提供依据。 2011年吴世佳[18]采用刚体极限平衡法搜索剖面的潜在滑动面， 结合Flac3D方法进行对比 分析，通过强度折减法对边坡进行数值计算，分析边坡的变形破坏机制，综合评判边坡 的整体性情况。2005年江德飞[19]等采用传递系数法和Flac3D强度折减法，对某滑坡在天 然、蓄水以及地震的条件下进行稳定性分析，结果表明，两种计算方法结论基本一致， 且软件模拟能反应出滑坡体内应力和应变的变化规律。 2008年赵瑜[20]等通过Flac3D软件 对滑坡稳定性进行数值模拟，结果表明滑坡是由于滑带土强度较低，以及开挖坡脚造成 的，提出了先反压坡脚，进行支护，再继续施工的方案。 2004 年刘天韵[21]等根据滑坡的现状稳定性和滑带土的性质，利用反算。得到了比 较精确的抗剪强度指标。2009 年周永利[22]通过结合工程实例，运用 Flac 软件对边坡进 行稳定性分析，认为其是一种较有效且简便的方法。2007 年高圣益[23]等利用 flac 建模 软件对某滑坡在水库不同水位条件下进行流-固耦合分析，为滑坡治理提供了必要的理 论依据。2011 年曾二贤[24]等采用 Flac 的强度折减法对某边坡进行数值模拟分析，得到 了该边坡坡脚存在较大应力集中， 且开挖坡脚是影响滑坡稳定的重要因素。 2010 年庞永 雄[25]对某具有开挖加速风化的岩体边坡进行稳定性分析，分析器变形破坏方式，并对其 处理措施进行探讨。2010 年杨朝辉[26]等通过 Flac 软件对天然状态下的滑坡进行数值模 拟分析，获得宏观地质判断，对滑坡稳定性做出了正确的评价。2011 年董如意[27]通过 地质勘查、稳定性计算等，采用传递系数法对滑坡进行稳定性分析，结果表明，在天然 状态下滑坡处于基本稳定状态，在暴雨工况下，滑坡处于欠稳定状态。2011 年刘杰[28] 等提出了一种改变重力加速度的总动加载法，对计算理论和稳定系数结果上进行对比， 结果表明，重力自动加载法计算的稳定系数随坡脚增大而递减的速率要大于强度折减 法。 2009 年张飞[29]针对三个露天矿坑的不稳定边坡运用差分法，对其进行研究，得到 了滑坡机理，为以后工作奠定基础。2006 年孙书勤[30]等采用数值模拟软件对滑坡进行 三维稳态分析，获得了边坡在天然状态下是稳定的，在暴雨情况下发生局部坍塌的可能 性较大。2011 年高崇[31]等通过最小二乘法对滑坡稳定性进行模拟计算，得到利用极限 平衡法计算的边坡稳定系数，其结果更接近真实。 1.2.3 黄土边坡渗流特性及其稳定分析方面 （1）黄土边坡渗流特性研究 万方数据 西安科技大学硕士论文 4 2008 年王俊岭[32]等通过 Geostudio 软件，针对黄河大堤先利用 Seep/W 模块进行渗 流分析，然后将渗流结果引入 Slope/W 模块进行稳定性分析，计算出稳定渗流情况下的 大堤安全性能。2010 年程彬[33]等以陕西府谷县清水川电厂Ⅲ号边坡为研究对象，采用 Geostudio 软件中的渗流分析模块 Seep/W 应力应变分析模块 Sigma/W 和边坡稳定性分 析模块 Slope/W 进行边坡稳定性的流固耦合，得出考虑耦合时，边坡位移、塑性区分布 均在浅层坡体中明显的增大，在深层坡体中变化缓慢；在边坡稳定性分析中也表明考虑 耦合的情况下，边坡的安全系数降低很多。 2011年姬永尚[34]等运用Geostudio软件中seep/w模块对新疆某水库蓄水后河床坝基 的渗流进行了有限元模拟计算，从计算结果得出，采用防渗墙进行防渗处理是合理有效 的，满足大坝坝基防渗设计要求。 2012 年刘培青[35]对库区滑坡在库水位骤降作用下渗流场变化进行研究，应用 Geostudio 有限元模拟库水位骤降而产生的地下水渗流场变化，得出库水位骤降过程中， 滑坡地下水浸润线的下降速度远滞后于库水位的下降速度；库水位骤降对地下水渗流影 响明显，地下水浸润线向下弯曲；随着时间的延长，水位骤降对地下水渗流场的影响逐 渐向滑坡体深部发展；不同降速情况下，地下水渗流场受水位骤降影响程度有差异，在 相同下降高度对比中，库水位降速越大，地下水渗流场影响范围越小；在相同下降时间 的对比中，库水位降速越大，地下水渗流场影响程度越大。2008 年陈浩[36]等利用 GeoStudio 软件对降雨条件下的土质边坡内部渗流场进行模拟，分析地下水位线、坡体 饱和度、压力水头随降雨时间的变化规律。模拟结果与实际情况比较吻合，可为土质边 坡稳定性的分析提供参考依据。 2010年程彬[37]等通过Geistudio软件中的seep模块和sigma模块以及slope模块对边坡 稳定性进行了流固耦合分析，通过算例比较耦合和非耦合情况下应力场和边坡稳定性的 差异，说明耦合更符合实际。2006年刘杰等[38]利用强度折减有限元法和极限平衡法对三 种边坡稳定系数进行了计算并做了比较，得出强度折减法计算出的稳定系数随坡脚增加 而减小的速率远小于重力比例加载法。 2012年曹平等[39]采用Flac3D强度折减法计算较复 杂边坡结构的稳定系数，并分析了滑面位置的发育规律，分析结果显示，边坡呈拉伸- 剪切破坏模式。2010年卢树盛[40]等分析渗流场-应力场耦合机理和相互影响关系，并采 用渗流场-应力场耦合有限元法对水位骤降下堤坝边坡位移场、孔隙水压力等进行具体 分析，得出耦合分析更符合实际。 （2）渗流作用下黄土边坡稳定性研究 ①稳定渗流与斜边坡稳定性的关系研究 2010 年陈五一等[41]根据强度折减有限元法， 采用 Mohr-Coulomb 屈服准则及关联流 动法则，以收敛性准则结合特征点位移突变准则作为边坡失稳判据，结果表明无渗流及 渗流应力耦合两种情况的均质边坡的最小稳定系数分别为 1.84、 1.115， 渗流应力耦合效 万方数据 1 绪论 5 应对边坡稳定极为不利。2007 年张志清[42]通过宁夏路基黄土颗粒组成和化学成分的分 析，对黄土路基的水理特性进行了深入研究，探讨了宁夏黄土路基渗透和湿陷的发展规 律，得出渗透流量和时间的关系及纵向、横向渗透剖面。2009 年王辉，岳祖润，叶朝良 [43]研究了干密度对黄土渗透系数的影响以及原状黄土渗透系数随时间的变化规律。 朱丽 娟[44]利用编制二维渗流程序，考虑不同坡高、坡度，不同土体含水量、干密度非饱和黄 土边坡进行渗流模拟计算，得到降雨 720h 内坡体内水份分布随时间变化的规律。2010 年黄瑜、史继宁[45]等对湿陷性黄土地区 3 种地基土进行注水渗水原位试验，确定了浸润 断面边界、断面形态变化、渗入深度、浸润线横向扩散角度、渗透系数等参数。2010 年宋春梅[46]通过对陕西某地黄土重塑试样的常水头试验研究，获得了该土样的渗透系 数，总结出渗透系数总体上随土样干密度的增大而减小。 ②非稳定渗流与斜边坡稳定性的关系研究 2009 年袁建平[47]对降雨装置进行了研究，对原有的试验装置进行了优化，研制了 一套适用于野外坡地土壤入渗产流的试验装置，该装置是模拟研究野外坡降雨入渗产流 较好的装置。2003 年谭新等[48]讨论了采用饱和-非饱和渗流数值方法分析边坡在不同雨 型下的渗流场，结果表明积水型降水条件下，开始渗流场的水头坡降很陡