基于FLAC3D 軟件的極端惡劣環(huán)境下邊坡穩(wěn)定性分析

劉 泉

(四川省冶金設(shè)計(jì)研究院，四川 成都610041)

邊坡是露天礦山的安全隱患［1］，在極端惡劣環(huán)境下(如大量降水、地震和爆破等)，露天礦山邊坡的軟弱結(jié)構(gòu)面極易發(fā)生傾倒和滑動(dòng)破壞［2］。邊坡穩(wěn)定性評價(jià)是當(dāng)今研究熱點(diǎn)，然而，以往研究只針對某一惡劣條件(如暴雪［3］、降雨［4］、地震［5］等)，沒有考慮到多重惡劣條件同時(shí)發(fā)生的可能性。西藏高原某露天銅礦，海拔在4 600 m 以上，且礦區(qū)邊坡可能同時(shí)面對幾種極端惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，本研究針對這一情況，以礦區(qū)邊坡A－A 剖面為典型研究對象，采用ANSYS 軟件［6］建立礦區(qū)A －A 剖面的計(jì)算模型，在普通開挖條件下加載積雪和地震荷載，運(yùn)用FLAC3D軟件［7］分析邊坡及臺階面的穩(wěn)定性。

1 工程概況

西藏高原某露天銅礦，海拔在4 600 m 以上，邊坡表面常年積雪，人工開挖邊坡最高達(dá)1 000 m 以上，為國內(nèi)罕見，露采邊坡的物質(zhì)組成以巖石為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，規(guī)模雖不大，但它是控制臺階邊坡穩(wěn)定性的主要內(nèi)在因素。斷層、層理和片理延伸較長，規(guī)模較大，是影響大邊坡穩(wěn)定性的重要因素。A －A 剖面(圖1)為礦區(qū)的典型地質(zhì)剖面，地形起伏較大，第四系松散堆積物較發(fā)育，山坡表面密灌叢生或?yàn)楦掣采w或?yàn)楹畠鲲L(fēng)化形成的倒石堆覆蓋，厚度一般在10 ～30 m 不等;A－A 剖面下部主要為凝灰?guī)r與閃長玢巖等，第四系碎石土與凝灰?guī)r之間發(fā)育有厚度5 m不等的全強(qiáng)風(fēng)化層。

圖1 A－A 工程地質(zhì)剖面(單位:m)Fig.1 A-A geological section

2 參數(shù)及模型建立

2.1 巖體力學(xué)參數(shù)選取

礦山邊坡長期受到極端惡劣條件的影響，其力學(xué)性質(zhì)比中深部巖土體差，為了增加模擬的可靠性，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行折算，折算系數(shù)取0.82［8］，折減結(jié)果如表1，其中，E 為彈性模量，μ 為泊松比，ρ 為密度，C 為抗剪強(qiáng)度，φ 為內(nèi)摩擦角。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)推薦值Table 1 Recommended values of rock mass mechanics parameters

2.2 計(jì)算模型

建立A－A 剖面地質(zhì)模型，安全平臺6 m，清掃平臺12 m，接渣平臺30 m;巖質(zhì)臺階坡面角70°，碎石土覆蓋層坡面角45°，一期最終邊坡角38.5°。采用ANSYS 軟件建立A－A 剖面邊坡計(jì)算模型，然后導(dǎo)入FLAC3D進(jìn)行后處理，形成計(jì)算模型，如圖2 所示，建立了詳細(xì)的邊坡空間狀形態(tài)及地層結(jié)構(gòu)。共劃分單元4 119 個(gè)、節(jié)點(diǎn)9 113 個(gè)。模型對于部分地區(qū)進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。

圖2 A－A 剖面計(jì)算模型Fig.2 A-A profile calculation model

2.3 添加荷載

(1)根據(jù)相關(guān)邊坡規(guī)范，在考慮地震載荷的情況下，可以忽略爆破載荷的作用。礦區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，據(jù)相關(guān)地震規(guī)范，取地震加速度為0.125g，采用擬靜力法進(jìn)行分析，只考慮滑動(dòng)方向的水平地震力的作用。地震荷載取值:

式中，U 為地震載荷矩陣;A 為單元質(zhì)量矩陣;E 為地震加速度，取0.125g。

(2)考慮到研究區(qū)域常年被積雪覆蓋，且有凍土存在，邊坡表面均布積雪荷載(垂直于坡面)，可根據(jù)相關(guān)規(guī)范和式(2)進(jìn)行計(jì)算:

式中，X 為積雪荷載，Pa;h 為積雪深度，m，取0.6 m;g為自由落體加速度，m/s2;ρ 為積雪的平均密度，kg/m3，取120 kg/m3;λ 為附加凍土系數(shù)，取1.1;α 為坡面角，取45°。經(jīng)過計(jì)算，X =6 789 Pa。

3 開挖后邊坡計(jì)算結(jié)果分析

3.1 位移分析

邊坡開挖后，僅考慮原巖應(yīng)力的情況下，得到了圖3 所示位移云圖(碎石土臺階坡面角為45°)，在4 729 ～4 759 m 高度范圍內(nèi)出現(xiàn)了最大位移，約為84.6 mm。從上面的整體分析來看在碎石土區(qū)域臺階邊坡穩(wěn)定，未出現(xiàn)大的變形位移，且整體邊坡穩(wěn)定。

圖3 開采過程中位移云圖Fig.3 Displacement diagram in the mining process

3.2 剪應(yīng)變增量分析

從圖4 可以看出，碎石土臺階最大剪應(yīng)變增量小于0.009 36，巖石臺階面的剪應(yīng)變增量不足0.001，整體邊坡以及局部碎石土區(qū)域臺階邊坡穩(wěn)定。

圖4 開采過程中剪應(yīng)變增量云圖Fig.4 The shear strain increment cloud in the mining process

3.3 塑性區(qū)分析

從圖5 的特征來看，巖質(zhì)臺階面部位以及碎石土邊坡區(qū)域無塑性區(qū)，說明在修改碎石土臺階坡面角情況下，整體邊坡以及局部碎石土區(qū)域臺階邊坡穩(wěn)定。

圖5 開采過程中塑性區(qū)分析圖Fig.5 The plastic zone in the mining process

4 積雪和地震載荷下計(jì)算結(jié)果分析

在初始地應(yīng)力場條件下，按照一期設(shè)計(jì)開挖順序，進(jìn)行逐步精細(xì)開挖計(jì)算，通常進(jìn)行10 多次開挖計(jì)算，并把地震和積雪荷載和劣化因素加入到計(jì)算條件中，主要用于極端校核。

4.1 邊坡開挖后積雪和地震載荷下位移分析

從圖6 中可知(模型中碎石土臺階坡面角為45°):在4 729 ～4 759 m 高度范圍內(nèi)出現(xiàn)了最大位移，約為366.8 mm，方向?yàn)橹赶蚱麦w外面。從上面A－A 剖面邊坡開挖后積雪和地震載荷下整體位移分析來看在碎石土區(qū)域臺階邊坡欠穩(wěn)定，局部出現(xiàn)大的變形位移，巖質(zhì)臺階面部位移量很小;A－A 剖面邊坡開挖后積雪和地震載荷下，碎石土臺階坡面局部有大的變形，但整體邊坡穩(wěn)定。

4.2 邊坡開挖后積雪和地震載荷下剪應(yīng)變增量分析

從圖7 可以看出，巖質(zhì)臺階面部位剪應(yīng)變增量很小，為0.01 以下，碎石土臺階邊坡局部區(qū)域最大剪應(yīng)變增量小于0.082，故碎石土區(qū)域出現(xiàn)很小的剪切應(yīng)變，A－A 剖面邊坡開挖后積雪和地震載荷下局部碎石土區(qū)域臺階邊坡欠穩(wěn)定，但整體邊坡穩(wěn)定。

圖6 邊坡開挖后積雪和地震載荷下位移云圖Fig.6 Displacement diagram in the mining process under the heavy snow and the seismic load

圖7 邊坡開挖后積雪和地震載荷下剪應(yīng)變增量云圖Fig.7 The shear strain increment cloud in the mining process under the heavy snow and the seismic load

4.3 邊坡開挖后積雪和地震載荷下塑性區(qū)分析

從圖8 的特征來看，巖質(zhì)臺階面部位有少量塑性區(qū)，碎石土邊坡區(qū)域出現(xiàn)了較大的塑性區(qū)，說明在修改碎石土臺階坡面角情況下，A－A 剖面邊坡開挖后，在積雪和地震載荷下局部碎石土區(qū)域臺階邊坡欠穩(wěn)定，但整體邊坡穩(wěn)定。

圖8 邊坡開挖后積雪和地震載荷下塑性區(qū)分析圖Fig.8 The plastic zone in the mining process under the heavy snow and the seismic load

5 結(jié) 論

(1)西藏某露天礦邊坡可能同時(shí)面臨多種極端惡劣開采條件，采用ANSYS 軟件建立礦區(qū)邊坡A －A剖面的計(jì)算模型，同時(shí)加載積雪和地震荷載，運(yùn)用FLAC3D軟件分析邊坡及臺階面的穩(wěn)定性。

(2)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)，采用巖土力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)類比法確定，類比系數(shù)為0.82。根據(jù)國家抗震規(guī)范和地質(zhì)詳勘報(bào)告獲得該礦區(qū)地震設(shè)防烈度按Ⅶ度考慮，采用擬靜力法計(jì)算的地震加速度按0.125g 計(jì)，考慮到研究區(qū)域常年被積雪覆蓋，且有凍土存在，邊坡表面均布積雪荷載X=6 789 Pa，采用安全平臺6 m，清掃平臺12 m，接渣平臺30 m;巖質(zhì)臺階坡面角70°，碎石土覆蓋層坡面角45°，一期最終邊坡角38.5°的參數(shù)設(shè)計(jì)。

(3)由A－A 剖面在開采過程中各種工況下的計(jì)算結(jié)果可知，碎石土區(qū)域臺階邊坡及整體邊坡保持穩(wěn)定。在積雪和地震校核工況作用下，其穩(wěn)定性有所降低，但整體邊坡仍能保持穩(wěn)定。這說明最終臺階坡面角38.5°的設(shè)計(jì)能保證邊坡穩(wěn)定，且能減少剝離量，在保證安全的情況下能實(shí)現(xiàn)效益的最大化。

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