基于極限平衡法和FLAC3D軟件的高陡邊坡穩(wěn)定性分析

劉加冬，路洪斌，王雨波

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基于極限平衡法和FLAC3D軟件的高陡邊坡穩(wěn)定性分析

*劉加冬1，路洪斌1，王雨波2

（1. 河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽，馬鞍山 243031；2. 馬鞍山礦山研究院，安徽，馬鞍山 243004）

某露天礦山設(shè)計(jì)終了邊坡高度278～350m，坡角42～48°，屬于典型高陡邊坡。開采過(guò)程中出現(xiàn)了出現(xiàn)裂縫、下挫等現(xiàn)象。為了確保該礦山的安全生產(chǎn)，結(jié)合其地質(zhì)資料及邊坡的現(xiàn)狀，本次選取了6個(gè)典型剖面，采用極限平衡法和FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)該露天邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，為后續(xù)邊坡安全管理提供建議。

露天礦；邊坡；極限平衡法；FLAC3D；穩(wěn)定性分析

隨著礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)，淺層礦產(chǎn)資源日益減少，深凹露天礦成為世界上露天礦山的發(fā)展趨勢(shì)[1]。對(duì)于深凹露天礦山，坡角越大，回收的資源越多，但與此同時(shí)形成的高陡邊坡穩(wěn)定性和安全性越來(lái)越差[1-4]，高陡邊坡將成為安全隱患。因此，應(yīng)充分調(diào)查邊坡的組成、地下水、降雨等情況，根據(jù)邊坡巖體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)形成的終了邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，為后續(xù)邊坡的管理提供建議。

1 工程概況

某礦山設(shè)計(jì)采場(chǎng)上口尺寸1300 m×1000 m，下口尺寸東側(cè)底120 m×60 m、西側(cè)底260 m×60 m，每級(jí)臺(tái)階高度為12 m，并段后24 m，臺(tái)階坡面角70~75°，平臺(tái)寬6~10 m，終了邊坡高度278~350 m，終了設(shè)計(jì)總體邊坡角度42~48°，屬于典型高陡邊坡。

礦區(qū)內(nèi)出露的覆蓋層主要分布有閃長(zhǎng)巖、斜長(zhǎng)花崗巖和燕山期花崗巖等。閃長(zhǎng)巖呈串珠狀南北向展布，為礦體的主要圍巖。斜長(zhǎng)花崗巖在礦區(qū)廣泛分布，構(gòu)成露天采場(chǎng)北部山體，灰白色，中粗粒不等粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。礦區(qū)脈巖以閃長(zhǎng)玢巖脈最為發(fā)育，在礦區(qū)內(nèi)呈南北向展布，灰～灰綠色，斑狀結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)為交織結(jié)構(gòu)。綠泥石化、絹云母化、碳酸鹽化蝕變強(qiáng)烈。

礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造極其發(fā)育，按斷裂與成礦的關(guān)系可分為控礦構(gòu)造和成礦后構(gòu)造兩種?？氐V構(gòu)造表現(xiàn)為一個(gè)帚狀構(gòu)造系統(tǒng)，南部收斂，北部撒開。南部收斂部分，表現(xiàn)為近南北向或北西向壓扭性斷裂構(gòu)造。北部撒開部分，表現(xiàn)為一系列北西向排列的扭性斷裂裂隙帶。斷裂主要走向340~335°，傾向北東，傾角70~75°，是礦區(qū)的主要容礦構(gòu)造。成礦后構(gòu)造主要是斷裂構(gòu)造。一種為近東西向斷裂，東傾，傾角60~80°，造成礦帶錯(cuò)斷。另一種為走向北東，東傾，傾角65~70°，造成礦體錯(cuò)斷。礦區(qū)內(nèi)有五條斷層，其中三大斷層F1、F2、F3交匯于I-2區(qū)，受其影響，該區(qū)巖體極為破碎，存在小型蝕變破碎帶。

2　邊坡穩(wěn)定性分析

采場(chǎng)邊坡主要由變質(zhì)雜巖、斜長(zhǎng)花崗巖、閃長(zhǎng)巖組成的巖質(zhì)邊坡，屬重要工程、邊坡高度和邊坡重要性均為一級(jí)。影響采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的主要因素為地層巖性、斷層、地下水、結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系、地層完整性、降雨及人類工程活動(dòng)。

在礦山開采過(guò)程中，采場(chǎng)+590 m~+650 m臺(tái)階出現(xiàn)裂縫、下挫等破壞現(xiàn)象（見圖1），造成部分地段壓礦，嚴(yán)重影響了礦山的正常生產(chǎn)，且有可能影響終了邊坡的穩(wěn)定。為了確保邊坡安全靠幫，了解終了邊坡的安全狀況，為此對(duì)該露天采場(chǎng)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

圖1 邊坡局部發(fā)生破壞現(xiàn)象

2.1　穩(wěn)定分析計(jì)算方法

根據(jù)該露天礦采場(chǎng)邊坡的實(shí)際問(wèn)題，本次分析采用極限平衡法和FLAC3D數(shù)值模擬軟件。

極限平衡法是目前使用最廣泛的一種定量分析方法，它將滑動(dòng)趨勢(shì)范圍內(nèi)的邊坡巖土體分為一個(gè)個(gè)小條塊，通過(guò)塊體的平衡條件來(lái)建立整個(gè)邊坡的靜力平衡方程，從而求解安全系數(shù)[5]。因考慮條塊間力的假定條件及軟弱面形狀的不同，極限平衡法又分很多種計(jì)算方法，GEOSLOPE軟件中采用的極限平衡分析方法有：普通條分法、Bishop法、簡(jiǎn)化Janbu法、Spencer簡(jiǎn)化法、Morgenstern-Price法、Sarma法、美國(guó)陸軍工程師團(tuán)法以及有限法等。本文主要采用Bishop法、簡(jiǎn)化Janbu法、Morgenstern-Price法，其中Bishop法是基于圓弧滑動(dòng)面的邊坡穩(wěn)定性分析法，Janbu法和Morgenstern-Price法是基于直線和曲線組成的非圓弧滑面的邊坡穩(wěn)定性分析法。

FLAC是1986年由美國(guó)Itasca公司開發(fā)。其基本原理和算法與離散元法相似，但它應(yīng)用了節(jié)點(diǎn)位移連續(xù)的條件，可以對(duì)連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行大變形分析，并具有很強(qiáng)的前處理功能和后處理功能，特別適合于巖土工程問(wèn)題分析，廣泛應(yīng)用于邊坡、基礎(chǔ)、壩體、隧道、地下采場(chǎng)、硐室等問(wèn)題的數(shù)值模擬分析。FLAC中包括11種材料本構(gòu)模型，本次模擬采用Mohr-Coulomb模型。

2.2　影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素

為了盡可能準(zhǔn)確地分析邊坡的穩(wěn)定性，必須對(duì)組成邊坡的巖體巖性、斷層空間展布特征、斷層軟弱物質(zhì)及其力學(xué)特征，礦體與礦體、礦體與巖層、巖層與巖層之間的接觸性質(zhì)，深部巖體的破碎程度情況等進(jìn)行調(diào)查，通過(guò)密度實(shí)驗(yàn)、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)、單軸變形實(shí)驗(yàn)等，確定巖土體力學(xué)性能參數(shù)[2-4]，如表1。

表1 巖體的力學(xué)性能參數(shù)

該礦區(qū)地下水水位及地下水溢出點(diǎn)均較高，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響很大，需計(jì)算采場(chǎng)邊坡滲流場(chǎng)，用于邊坡滲流場(chǎng)和重力場(chǎng)的耦合穩(wěn)定性分析。

該邊坡所在區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為差異不大的整體緩慢上升。地殼處在穩(wěn)定的弱震環(huán)境，地震基本烈度為Ⅵ度，采用擬靜力法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，取地震綜合振動(dòng)影響系數(shù)為0.0125。

2.3　以六個(gè)典型剖面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析

為了全面掌握該露天采場(chǎng)整個(gè)邊坡區(qū)域的穩(wěn)定性情況，力求使評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，對(duì)采場(chǎng)邊坡I-1、I-2、II三個(gè)地質(zhì)分區(qū)里的A~F六個(gè)具有代表性剖面進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果見表2。

從表2計(jì)算結(jié)果可知，終了邊坡A~D及F剖面采用擬靜力法模擬在地震、滲流、重力三場(chǎng)作用工況下邊坡的穩(wěn)定性，Bishop法、簡(jiǎn)化Janbu法、Morgenstern-Price法計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)FS均＞1.15，均滿足自然邊坡安全系數(shù)的要求，開采結(jié)束加強(qiáng)監(jiān)測(cè)即可。E剖面采用Bishop法、簡(jiǎn)化Janbu法、Morgenstern-Price法計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.113、1.032、1.075均＜1.15，不能滿足自然邊坡安全系數(shù)FS＞1.15的要求，可見E剖面邊坡穩(wěn)定性相對(duì)較差。

表2 各剖面的穩(wěn)定性系數(shù)

2.4 FLAC3D數(shù)值模擬

根據(jù)極限平衡法分析可知，危險(xiǎn)性最大的剖面是E剖面，如圖2所示。本文主要對(duì)E剖面進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖2 E剖面圖

Fig.2 The E section

在ANSYS中對(duì)E剖面進(jìn)行三維建模，并用solid45實(shí)體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，即計(jì)算模型網(wǎng)格劃分、地質(zhì)界面建立是在ANSYS中完成的。將ANSYS剖分并網(wǎng)格優(yōu)化后的三維數(shù)字模型導(dǎo)入到FLAC3D中，通過(guò)FLAC3D中的fl_iso滲流模型，計(jì)算并生成露天采場(chǎng)邊坡滲流場(chǎng)，最后進(jìn)行滲流場(chǎng)-重力場(chǎng)耦合的三維應(yīng)力應(yīng)變分析，模擬結(jié)果如圖3~圖8：

圖3 E（Y=10m）剖面位移矢量圖

圖4 E剖面剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖5 E剖面SIG1(Pa)主應(yīng)力等值線圖

圖6 E剖面SIG3(Pa)主應(yīng)力等值線圖

圖7 E剖面X方向應(yīng)力等值線圖

圖8 E剖面總Z方向應(yīng)力等值線圖

圖3～圖8分別為E剖面邊坡Y=10 m位移矢量圖、剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D、第一主應(yīng)力等值線圖、第三主應(yīng)力等值線圖、X方向應(yīng)力等值線、Z方向等值線圖（FLAC3D中以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，故第一應(yīng)主力云圖對(duì)應(yīng)其顯示的SMIN云圖，第三主應(yīng)力云圖對(duì)應(yīng)其顯示的SMAX云圖），從圖中可以得到以下結(jié)論：

1）由E剖面Y=10 m位移矢量圖可知在+494 m平臺(tái)至+470 m平臺(tái)坡面的位移矢量指向露天采場(chǎng)內(nèi)，可以推測(cè)露天采場(chǎng)終了邊坡可能沿此處產(chǎn)生破壞。

2）由E剖面邊坡總體剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D可知，露天采場(chǎng)邊坡坡體內(nèi)剪應(yīng)變?cè)隽枯^大區(qū)域，基本為地下水浸潤(rùn)線以下的邊坡體內(nèi)斷層、蝕變破碎帶。這說(shuō)明該露天采場(chǎng)終了邊坡的穩(wěn)定性主要受采場(chǎng)內(nèi)地下水、斷層、蝕變破碎帶的影響較大，極有可能沿?cái)鄬印⑵扑閹У膸r土分界面發(fā)生剪切滑動(dòng)的現(xiàn)象。

3）從E剖面的主應(yīng)力等值線圖、X、Z方向應(yīng)力等值線圖來(lái)看，主應(yīng)力等值線既不平滑，也不相互平行，不少區(qū)域出現(xiàn)突變，這些應(yīng)力發(fā)生突變、應(yīng)力發(fā)生集中現(xiàn)象的區(qū)域主要集中在邊坡坡體內(nèi)斷層、蝕變破碎帶。

2.5 建議

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，E剖面的終了邊坡有三條斷層在此交匯，其中+566 m平臺(tái)至+470 m平臺(tái)受此影響巖體極為破碎，呈散體狀結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性較差。由極限平衡法和FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析可知，E剖面原設(shè)計(jì)邊坡部分區(qū)域可能發(fā)生破壞，建議如下：

1）在+566 m平臺(tái)至+470 m平臺(tái)，增加平臺(tái)寬度，降低最終坡角，由原來(lái)的41.6°降低為39°，采用Bishop法、簡(jiǎn)化Janbu法、Morgenstern-Price法計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.246、1.153、1.214，滿足自然邊坡安全系數(shù)FS＞1.15的要求。

2）鑒于此斷面斷層發(fā)育，巖體破碎，應(yīng)采取護(hù)幫控制爆破技術(shù)，減輕爆破震動(dòng)對(duì)邊坡的危害，并在E剖面+470 m平臺(tái)設(shè)置32根斷面尺寸為2.0×1.5 m的預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁進(jìn)行加固處理，樁體嵌入穩(wěn)固滑床下8.0 m。

3）由穩(wěn)定性計(jì)算分析結(jié)果可以看出地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大，因此在邊坡加固、護(hù)坡工程中，必須做好地下水的疏導(dǎo)措施。

4）建立邊坡位移觀測(cè)系統(tǒng)，觀測(cè)邊坡巖體的位移情況，分析位移變化規(guī)律，及時(shí)掌握滑體及邊坡動(dòng)態(tài)，預(yù)報(bào)滑體及邊坡巖體的位移險(xiǎn)情。

3 結(jié)束語(yǔ)

1）充分了解該礦山的地層巖性、斷層、地下水、結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系、地層完整性、降雨及人類工程活動(dòng)是邊坡穩(wěn)定性分析的前提。

2）采用極限平衡法和FLAC3D數(shù)值模擬軟件同時(shí)對(duì)該高陡邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，不僅可以計(jì)算出各剖面邊坡的安全系數(shù)，還可以分析邊坡的應(yīng)力應(yīng)變情況，避免單一計(jì)算方法存在的缺陷。

3）通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件的分析，可以了解邊坡潛在的破壞區(qū)域，為邊坡的安全管理提供建議。

[1] 楊天鴻,張峰春,于慶磊,等．露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].巖土力學(xué),2011,32(5): 1437-1451.

[2] 劉加冬,路洪斌,王雨波. 蒙特卡在露天礦邊坡可靠性分析中的應(yīng)用[J].金屬礦山,2013，8 (446)：147-149.

[3] 秦秀山,張達(dá),曹輝. 露天采場(chǎng)高陡邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)礦業(yè),2017,26(3):107-111.

[4] 路洪斌,劉加冬,王雨波. 露天礦邊坡穩(wěn)定性分析及邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化[J].化工礦物與加工,2015,3 (10):32-34.

[5] 張承功,林友. 都龍曼家寨礦段露天邊坡穩(wěn)定性探討[J] .云南冶金,2016,3(45):1-5.

ANALYSIS ON STABILITY OF HIGH AND STEEP SLOPE BY LIMIT EQUILIBRIUM METHOD AND FLAC3DSOFTWARE

*LIU Jia-dong1，LU Hong-bin1，WANG Yu-bo2

（1. Hehai Environment Wentian college, Ma’anshan, Anhui 243031；2. Mine Research institute of Ma'anshan, Ma’anshan, Anhui 243004）

The end slope of an open-pit mine has a height of 278 ～350 m and a slope angle of 42 ～ 48°, which belongs to a typical high and steep slope. Combining with the geological survey data and the current situation of the open slope, six typical slopes are selected for slope stability analysis by using limit equilibrium method and FLAC3Dnumerical simulation software in order to ensure the safe production of the mine. It comprehensively evaluates the stability of the open-pit slope to provide suggestions for slope safety management.

open-pit mine; slope; limit equilibrium method; FLAC3D; reliability analysis

1674-8085(2018)04-0071-05

TU43

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2018.04.012

2018-03-19；

2018-06-11

*劉加冬(1982-)，女，四川德陽(yáng)人，講師，主要從事巖土安全研究(E-mail:43493767@qq.com);

路洪斌(1982-)，男，遼寧鐵嶺人，高級(jí)工程師，主要從事礦山安全評(píng)價(jià)(E-mail:176855347@qq.com);

王雨波(1987-)，男，四川人，中級(jí)工程師，主要從事巖土工程研究(E-mail:550010122@qq.com).