露天礦最終邊坡角優(yōu)化設(shè)計(jì)模擬分析*

胡 斌 王 偉 張 騰 王新剛 郭利娜

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院)

1 研究現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一種基于數(shù)值模擬的新方法即強(qiáng)度折減法在國(guó)內(nèi)外受到關(guān)注［8］。該方法就是通過(guò)逐漸降低結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度(C和φ值)直到其達(dá)到破壞狀態(tài)為止，此時(shí)的折減系數(shù)即為邊坡的強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)［9］。筆者認(rèn)為，由于礦山地形地貌較為復(fù)雜，不同方位的地層受風(fēng)化、侵蝕、溫度變化等因素影響的程度也有很大差別，若按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度折減得到的安全系數(shù)可靠性較低。故本研究采用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行邊坡角優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后用國(guó)際通行軟件Slide進(jìn)行驗(yàn)算求解邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

2 邊坡角的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)研究目的和對(duì)已獲得的工程地質(zhì)資料、試驗(yàn)資料的整理和綜合定性分析，結(jié)合采礦方面的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)研究區(qū)的地質(zhì)情況進(jìn)行科學(xué)合理的概化，確定出切實(shí)可行的邊坡優(yōu)化循環(huán)流程，如圖1。該流程綜合考慮了影響邊坡穩(wěn)定性的各種因素，包含了數(shù)值模擬的整個(gè)過(guò)程及設(shè)定了結(jié)束循環(huán)的邊坡破壞的依據(jù)，使邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程變得清晰、直觀，對(duì)邊坡優(yōu)化有很好的指導(dǎo)作用。

圖1 邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

建立工程地質(zhì)模型后進(jìn)行計(jì)算的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何根據(jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)判別邊坡是否處于破壞狀態(tài)，目前常見(jiàn)的邊坡失穩(wěn)判據(jù)主要有:

(1)計(jì)算過(guò)程中采用力和位移的不收斂即解的不收斂性作為邊坡失穩(wěn)的標(biāo)志［10］。

(2)以塑性應(yīng)變及塑性區(qū)在整個(gè)坡體大面積貫通作為邊坡破壞的標(biāo)志［11］。

(3)把計(jì)算時(shí)邊坡不收斂或者滑面上節(jié)點(diǎn)塑性應(yīng)變和位移突變作為邊坡破壞的依據(jù)。

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程背景

西藏邦鋪Mo(Cu)多金屬礦區(qū)位于岡底斯山脈與念青唐古拉山脈結(jié)合部位，地勢(shì)險(xiǎn)峻，切割強(qiáng)烈，平均海拔在5 000 m以上，最高標(biāo)高為+5 330 m，自然地理?xiàng)l件異常惡劣，地形地貌復(fù)雜。礦區(qū)斷層與裂隙發(fā)育，第四系強(qiáng)風(fēng)化層分布較廣。礦體呈柱體向下延伸，最終露天開(kāi)采境界形成后，露采境界最終邊坡達(dá)1 065 m，其邊坡長(zhǎng)度在1 400 m左右，屬于復(fù)雜地質(zhì)條件下超高、超長(zhǎng)露天邊坡。根據(jù)地質(zhì)勘探工作結(jié)論，該礦床工程地質(zhì)類型為第二類，其邊坡穩(wěn)定性是該礦床工程地質(zhì)的主要問(wèn)題［12-13］。

由于礦區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜，邊坡不同部位的影響因素不同，其穩(wěn)定性和變形破壞形式亦各異。因此，對(duì)露采邊坡穩(wěn)定性分區(qū)評(píng)價(jià)是十分必要的。分區(qū)的依據(jù)是礦區(qū)露采邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)和主要工程地質(zhì)條件，即根據(jù)邊坡的走向、坡向、結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征、邊坡結(jié)構(gòu)特征等因素進(jìn)行分區(qū)。經(jīng)過(guò)對(duì)礦區(qū)地形地貌特征分析，將該礦分別分為為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5個(gè)分區(qū)，如圖2。以第Ⅴ區(qū)的典型剖面5－5為例進(jìn)行計(jì)算。

圖2 礦區(qū)露采高邊坡分區(qū)

3.2 巖體的物理力學(xué)參數(shù)

巖體的物理力學(xué)參數(shù)由一系列的巖體力學(xué)試驗(yàn)確定，包括單軸壓縮變形試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)等，同時(shí)考慮礦區(qū)內(nèi)各類巖體的地質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征等因素，給出各類巖土體計(jì)算參數(shù)的建議值，如表1。由于礦山邊坡地表及淺部巖土體因受風(fēng)化、降水等因素作用，其力學(xué)性質(zhì)往往比中深部巖土體差，這時(shí)可以根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)表1中獲得的計(jì)算數(shù)據(jù)乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)(一般不大于 0.85)予以折減。

孔子雖然倡導(dǎo)禮，但他所說(shuō)的禮已不僅僅是原本意義上的周禮了。在禮的實(shí)踐上，孔子也有了不同的看法。對(duì)個(gè)人而言，禮是道德主體道德實(shí)踐的規(guī)范和準(zhǔn)則；對(duì)于社會(huì)而言，禮是道德主體實(shí)踐和諧有序的家庭、社會(huì)結(jié)構(gòu)；對(duì)道德的主體的實(shí)踐域（倫理場(chǎng)或道德域）而言，禮是推動(dòng)道德主體境界、倫理整體的發(fā)展的工具和紐帶。

表1 巖體的物理力學(xué)參數(shù)

3.3 FLAC3D數(shù)值分析

5－5剖面總體趨勢(shì)為西側(cè)低東側(cè)高，地形起伏較大。該剖面計(jì)算邊坡最大高程約為4 738 m，前期開(kāi)采終了境界(礦坑底部)高程為4 498 m，邊坡相對(duì)高差約為240 m。剖面自地表向下依次是碎石土、全強(qiáng)風(fēng)化層、閃長(zhǎng)斑巖、花崗巖。為消除邊界效應(yīng)及尺寸效應(yīng)的影響，最后劃定計(jì)算剖面區(qū)域，取x、y軸的計(jì)算范圍為780 m×550 m;x軸取剖面向左為正，y軸豎直向上，如圖3。

圖3 工程地質(zhì)剖面

在ANSYS的前處理平臺(tái)上建立5－5剖面邊坡計(jì)算模型，然后運(yùn)用FLAC3D采用Morh－Coulomb破壞準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。模型建立了詳細(xì)的邊坡邊界、地層、開(kāi)挖范圍等空間形態(tài)，共劃分單元1 368個(gè)、節(jié)點(diǎn)2 884個(gè)。模型底面采用全約束，垂直于x軸向的左右端面均采用法向約束，垂直于z軸的前后表面采用法向約束;豎直方向的自然坡面自由。對(duì)于靈敏度較高的地層，采用密集的小單元，其余部分采用合理的網(wǎng)格劃分技術(shù)進(jìn)行過(guò)渡。按照邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)流程分別建立最終邊坡角為36°、39°、40°的3種方案(分別稱為方案1、方案2、方案3)，以這3種方案進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算所得到的位移、塑性區(qū)進(jìn)行比較分析，最后確定最優(yōu)邊坡角。5－5剖面的計(jì)算結(jié)果如圖4～圖5。

由以上各圖中方案的計(jì)算結(jié)果可得:邊坡位移在坡頂碎石土區(qū)及風(fēng)化層較大，各方案最大位移分別為5.9、6.6、12.6 mm?？梢?jiàn)當(dāng)采用方案3時(shí)，邊坡位移顯著增大，出現(xiàn)突變;塑性區(qū)范圍在前兩中方案的計(jì)算中很小且出現(xiàn)在上部軟弱巖層，對(duì)下部基巖幾乎沒(méi)有影響，方案3計(jì)算時(shí)，塑性區(qū)迅速貫通。

圖4 不同邊坡角的位移矢量

通過(guò)上述對(duì)比分析可得:當(dāng)邊坡角由39°增大到40°時(shí)，邊坡位移顯著增大，塑性區(qū)貫通，位移與塑性區(qū)均出現(xiàn)突變，完全符合上述破壞判據(jù)，因此39°(方案2)為最優(yōu)邊坡角，若提高1°則邊坡發(fā)生破壞。

3.4 設(shè)計(jì)方案的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.4.1 設(shè)計(jì)安全系數(shù)的確定

圖5 不同邊坡角的塑性區(qū)分析

規(guī)范［14］中詳細(xì)說(shuō)明了邊坡穩(wěn)定系數(shù)的取值。對(duì)新設(shè)計(jì)的邊坡、重要工程宜取1.3～1.5，一般工程宜取1.15～1.3，次要工程宜取1.05～1.15。采用峰值強(qiáng)度時(shí)取大值，采取殘余強(qiáng)度時(shí)取小值。驗(yàn)算已有邊坡穩(wěn)定時(shí)，取1.10～1.25。長(zhǎng)沙礦冶研究院根據(jù)多年觀察資料，提出了針對(duì)閃長(zhǎng)巖、大理巖邊坡安全系數(shù)與其穩(wěn)定性的關(guān)系:k＞1.2為穩(wěn)定的邊坡地段;k=1.08～1.2為較穩(wěn)定的邊坡地段;k＜1.08為不穩(wěn)定的邊坡地段。經(jīng)過(guò)上述綜合分析并結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況，確定此次西藏邦鋪Mo(Cu)多金屬礦露天開(kāi)采第一期高陡邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的安全系數(shù)取值為1.2。

3.4.2 Slide求邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

Slide是一款評(píng)價(jià)巖質(zhì)或土質(zhì)邊坡安全系數(shù)或者失效概率的二維極限平衡程序，邊坡滑面可以是圓弧或者非圓弧形式，程序計(jì)算方法是基于豎直條分法極限平衡分析。使用Slide軟件，選擇合適的搜索方式后，能自動(dòng)搜索到邊坡臺(tái)階上去，發(fā)現(xiàn)最小的穩(wěn)定性系數(shù)位置。Slide軟件還可以對(duì)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行敏感度分析，借助敏感度分析，判斷影響安全系數(shù)的關(guān)鍵因素，明確加固、設(shè)計(jì)的方向，這對(duì)于優(yōu)化邊坡角、坡形等大有裨益。

根據(jù)圖5(c)中邊坡破壞時(shí)塑性區(qū)出現(xiàn)的位置范圍，結(jié)合結(jié)構(gòu)面勘察資料、數(shù)據(jù)，得出幾組潛在滑動(dòng)面的可能形式。圖6為Slide計(jì)算各危險(xiǎn)滑動(dòng)面的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

圖6 Slide的計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)已選方案邊坡(即39°一期最終邊坡角)潛在滑移面的計(jì)算得出:在相同的外界條件下，最終邊坡角為39°下，幾組潛在滑動(dòng)面的穩(wěn)定性系數(shù)分別1.339、1.233、1.318，都能滿足安全系數(shù)1.2的規(guī)范要求，且其中最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的穩(wěn)定性系數(shù)為1.233，略高于1.2，說(shuō)明該剖面采用39°的的一期最終邊坡角是安全、經(jīng)濟(jì)合理的開(kāi)挖方案。

4 結(jié)論

(1)在工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了礦山邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖，考慮了影響邊坡穩(wěn)定的各種因素，使邊坡優(yōu)化的整個(gè)過(guò)程顯得清楚、簡(jiǎn)單，對(duì)礦山的施工起到很好的指導(dǎo)作用。

(2)采用該方法將西藏邦鋪Mo(Cu)多金屬礦第Ⅴ區(qū)的一期最終邊坡角由36°提升到39°，大大減少了礦山的剝離量，提高了礦山經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)坡頂碎石土等軟弱巖體，應(yīng)該采取放緩坡頂臺(tái)階坡腳或進(jìn)行簡(jiǎn)單的噴錨支護(hù)等措施，以防止頂部巖石墜落，造成不必要的損失。

(3)用實(shí)例證明了:采用有限差分軟件FLAC3D對(duì)邊坡的多種指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，然后利用國(guó)際通行軟件Slide驗(yàn)算得到其穩(wěn)定性系數(shù)的方法對(duì)于邊坡角優(yōu)化設(shè)計(jì)是一條合理和有效的途徑。該方法可為礦山提出安全、經(jīng)濟(jì)、切實(shí)可行的邊坡設(shè)計(jì)方案。

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