廣西大新錳礦工業(yè)場地邊坡穩(wěn)定分析

梁東強，韋文蓬，覃金字，黃忠耀

(中信大錳礦業(yè)有限責任公司 大新錳礦分公司，廣西 崇左 532315)

0 前 言

當邊坡角增大時，剝離成本會顯著節(jié)省，但是滑坡事故發(fā)生概率會大大增加，提高了邊坡加固和處理費用。開挖過程中邊坡角太小的話，不會發(fā)生滑坡事件，但生產成本巨大。邊坡穩(wěn)定性分析可以判定邊坡的穩(wěn)定性，或者剝離過程中基巖和土壤對邊坡穩(wěn)定性的影響。這不影響支護方式，還為科學支護提供了理論依據。

目前，有兩種方法主要用于邊坡穩(wěn)定性分析，即極限平衡分析和數值分析法?；谶吔缙胶饫碚撨吔缙胶夥治觯Y合結構面的控制效果，將邊坡劃分為多個塊體，并創(chuàng)建邊坡平衡方程來獲得邊坡的穩(wěn)定性[1]。然而，用極限平衡方法的前提是假設邊坡存在滑動面，同時還需要忽略土體與支護結構的關系，不能定量的獲得巖土體和支護單元的位移。隨著計算機軟件和硬件的不斷發(fā)展[2]，科研和工程界在邊坡穩(wěn)定性分析時，開始逐步使用數值模擬的方法。

基于美國ITASCA開發(fā)的有限差分法連續(xù)介質力學分析軟件FLAC3D可用于模擬巖土體達到強度或屈服強度時，其破壞形式和應力變形等。操作方便，計算快捷。當邊坡破壞機制復雜或邊坡分析需要考慮應力和變形時，結合數值模擬能夠非常準確地進行模擬材料的流動和塑性破壞，在解決巖土工程問題上有很大的優(yōu)越性[3]。

本文以大新錳礦工業(yè)場地邊坡為研究對象，分析了初始設計在施工階段出現(xiàn)的問題，并提出改進方案。本文采用FLAC3D中的強度折減法對邊坡開挖的改進方案進行數值模擬計算，分析邊坡中的最大拉壓應力，上鼓下沉位移及邊坡的安全系數，討論了邊坡的變形機制，綜合評判邊坡的整體穩(wěn)定性情況，為施工提供指導和建議的作用。

1 工程概況

廣西大新錳礦為滿足擴大產能的需要，進行產能擴能改造工程，根據擴能設計方案，需在北部礦段擴建一條串車提升井，串車井走向為朝南，傾角27(°)。為降低井筒掘進距離，選擇地勢較為低洼的山溝作為井口位置，礦體北部礦段地表均為丘陵，為滿足地表工業(yè)場地需求，需將井口對面邊坡進行降坡處理拓寬地表工業(yè)場地；山溝南側為直立山崖硬質巖，其巖石強度達11～14 MPa，滿足井口建設地質條件，其山溝北側為土質、風化巖丘陵坡，土方開挖單價成本低，工藝簡單，工程難度小。

根據設計總圖提供的場地布置圖，本公司初步設計邊坡開挖方案，其開挖工程位置如圖1b所示，自水平+469 m標高處開始降坡，坡底水平標高為+420 m，降坡高度49 m，土方開挖量6萬t。在降坡過程中，由于地質條件的變化，邊坡部分區(qū)域砂土層變化大，其覆蓋厚度超過工程前期探明數據值，另外施工期正值雨季，經過雨水沖刷，施工至+450 m水平標高位置時，邊坡頂部分區(qū)域出現(xiàn)開裂、小面積滑坡等情況，如圖2所示。鑒于該邊坡開挖為了拓寬地表工業(yè)場地，已經出現(xiàn)的邊坡開裂及滑坡等情況，對工業(yè)場地的正常使用帶來較大安全隱患，該方案需重新設計。

(a)設計修改后開挖部分示意；(b)設計修改前開挖部分示意

圖2 邊坡范圍及初始設計施工時裂縫

邊坡開挖方案經修改，重新開挖，本次開挖工程位置如圖1a所示。土方開挖量30萬t。(新的設計方案見圖3)。

為論證本次開挖方案合理性及開挖邊坡穩(wěn)定性，采用Flac3D軟件構建邊坡本構模型，通過強度折減法對改進方案的邊坡進行數值模擬計算,分析邊坡的應力分布、位移和安全系數，綜合評判邊坡的整體穩(wěn)定性情況，判斷邊坡開挖方案合理性。

2 大新錳礦2號串車邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 強度折減法

對強度折減法而言，邊坡安全系數的定義是通過不斷折減巖土體的抗剪強度，當邊坡到達臨界破壞狀態(tài)時，折減的大小即定義為邊坡安全系數：巖土體的實驗抗剪強度與折減后抗剪強度的比值[4]。邊坡安全系數一般采用強度折減法來計算，原理是通過逐步減小邊坡巖土體的抗剪強度來逐漸逼近邊坡的極限平衡狀態(tài)，安全系數F一般采取如下的方程來定義：

式中φtrial—— 折減后的黏聚力；

φtrial——折減后的內摩擦角；

Ftrial——折減系數。

通過數值模擬，不斷折減巖土體中的黏聚力及內摩擦角，循環(huán)進行邊坡穩(wěn)定性數值計算，直至邊坡到達臨界破壞狀態(tài)，所得的折減系數即為邊坡安全系數。在FLAC3D 5.0中，可以執(zhí)行SOLVEfos命令，進行邊坡穩(wěn)定性循環(huán)數值計算的強度折減流程，進而獲得邊坡安全系數[5]。

2.2 建立邊坡三維數值計算模型

模擬邊坡的地質剖面建立了邊坡的三維數值計算模型，如圖4所示。模型的x、y、z軸分別為邊坡的水平滑動方向，邊坡的寬度方向，邊坡的高度方向，3個方向的尺寸為330 m×250 m×230 m，模型包含243 781個單元，共計49 465個節(jié)點。對模型中所有節(jié)點的 y方向速度進行約束，左右側面邊界進行單向水平約束，模型底部采用固定約束。模型只考慮自重應力場，初始應力平衡后清零各方向的位移和速度，然后對邊坡的巖土體賦力學參數，最后通過不斷地折減巖土體的力學參數，求解出邊坡的安全系數。根據礦山工程勘察結果，邊坡滑動面在地下水位以上，故取天然狀態(tài)下巖土體的強度。

圖4 數值計算模型

邊坡體巖性主要為粉質黏土、全風化巖石、強風化巖石和微風化巖石4種。根據礦山開展的巖土力學實驗結果，經過折減以及參照類似礦山參數確定邊坡巖土體的物理力學參數，如表1所示。

表1 巖土物理力學參數

2.3 數值模擬結果分析

FLAC3D數值模擬最大不平衡力收斂曲線計算結果如圖5。對于邊坡的三維數值計算模型而言，不同的邊坡剖面圖中的應力和位移分布特征會隨著位置的不同以及邊坡表面上的土質覆蓋面積的差別而有不同，故在邊坡的穩(wěn)定性分析中，應該首先采用三維數值計算模型，同時合理的選擇多個剖面來進行分析，以確保邊坡位移和應力分析結果的準確性，真實的反映出邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)。從圖5可以看出：邊坡模型內的最大不平衡力隨著計算時步的增加而逐漸趨近于0，說明模型的內力達到初始應力平衡狀態(tài)，這是后續(xù)開挖模擬的基礎。

圖5 數值模擬計算結果和最大不平衡力平衡過程

2.3.1 應力結果分析

通過對邊坡天然狀態(tài)下數值模擬計算，得出了邊坡x方向與z方向的應力云圖，分別如圖6和圖7所示。

圖6 X方向應力分布云圖

由圖6可以看出：x方向邊坡坡面上的最大應力是37.35 kPa，拉應力主要集中在坡面的位置，隨深度的增加拉應力逐漸變成壓應力，這是由于自重應力引起的，且x方向的壓應力的最大位置出現(xiàn)在作業(yè)平臺的下方，這說明對坡面需要做進一步的處理。

圖7 Z方向應力分布云圖

由圖7可知：z方向的最大應力出現(xiàn)在邊坡模型左側底部位置，天然狀態(tài)下此處的應力為4.30 MPa。兩個方向的應力分布符合地應力變化規(guī)律，即隨著上覆巖土層厚度的增加而變大，同時邊坡坡面也出現(xiàn)一定的拉應力，最大達到11.40 kPa。

2.3.2 位移結果分析

通過對邊坡天然狀態(tài)下數值模擬計算，得出了大新錳礦邊坡x和z方向的位移云圖，如圖8和圖9所示。

圖8 X方向位移分布云圖

由圖8可以看出：坡體天然狀態(tài)下水平位移量最大值為向右的3.75 cm，出現(xiàn)在邊坡中下部靠近作業(yè)平臺的位置，且水平位移由最大值處向兩邊逐漸減小，且隨深度的增加也是逐漸減小的趨勢。在施工時需要注意中下部邊坡坡面的位移。

圖9 Z移分布云圖

由圖9可以看出：天然狀態(tài)下，位移均為下沉位移，且隨深度的增加，豎直位移為減小的趨勢。豎直位移最大值出現(xiàn)在邊坡內部，達到4.22 cm，這說明邊坡內部的不穩(wěn)定的出現(xiàn)，可能會因為下沉位移較大而導致地面下沉的情況。坡面處的位移基本相同達到2 cm。但在坡腳位置的位移反而更小，達到0.75 cm，這表明邊坡坡面沒有大規(guī)模的下滑，否則會出現(xiàn)坡腳處因為邊坡下滑分力導致坡腳位移向上的情況發(fā)生。

2.3.3 剪應變增量與速度矢量分析

通過FLAC3D數值模擬軟件，繪天然狀態(tài)下剪應變增量與速度矢量圖，如圖10和圖11所示。

圖10 邊坡剪應變增量

從圖10可知：邊坡上表面下的灰色塑性貫通區(qū)域內的各網格節(jié)點速度與其外側的網格節(jié)點速度差別不大，這表明由于塑性變形引起的邊坡滑動的可能性不大。但邊坡上覆的全風化巖石中網格各節(jié)點的速度(淺灰色部分)，明顯要大于邊坡下部巖石內各節(jié)點的速度(黑色區(qū)域)，且差值比較大，這表明綠色部分的坡面與邊坡下部的巖石之間發(fā)生了相對位移，即邊坡坡面整體與下部巖體的錯動，邊坡出現(xiàn)了一定的失穩(wěn)破壞。

由邊坡速度矢量圖圖11可以看出：滑動的方向為沿坡面向下滑動。

2.3.4 塑性區(qū)和安全系數分析

通過FLAC3D數值模擬軟件，繪天然狀態(tài)下邊坡塑性區(qū)和安全系數圖(如圖12所示)。

圖12 邊坡塑性區(qū)分布和安全系數

由圖12可知：在邊坡的坡面位置已經出現(xiàn)大面積的剪切破壞區(qū)域，因為地表的砂土、土體的黏聚性較差，因而在邊坡開挖后容易發(fā)生剪切破壞，特別是在下過雨，邊坡處于飽和狀態(tài)下是最危險的狀態(tài)。

基于有限差分法的 FLAC3D 軟件求出的安全系數為 1.28，滿足GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術規(guī)范》中對安全狀態(tài)的二級邊坡安全系數為1.25的要求[6]，因此新的設計方案所設計的邊坡符合技術規(guī)范的要求，是穩(wěn)定的邊坡。目前工程已經進入到尾聲，從目前施工情況看，邊坡的穩(wěn)定性良好。但因邊坡為土質邊坡，坡面黃土裸露，沒有植被覆蓋，在雷雨天時的流水會沖刷坡面造成水土流失，故邊坡上應設計有專門的排水系統(tǒng)，并植樹防治水土流失，最好是在工程完工后及時加固邊坡。

3 結 論

本文在分析大新錳礦工業(yè)場地邊坡施工情況的基礎上，提出新的設計方案，并通過強度折減法的FLAC3D數值模擬的方法，分析了邊坡的穩(wěn)定性，主要得出如下結論。

1)通過數值模擬分析得出：新的設計方案中坡面與邊坡結合的地方發(fā)生了位移變化，即邊坡發(fā)生了滑動和邊坡坡面整體與下部巖體的錯動，邊坡出現(xiàn)了一定的失穩(wěn)破壞，滑動的方向為沿坡面向下滑動，在施工時需要對表面的風化巖層做一定的處理。

2)基于有限差分法的 FLAC3D 軟件求出的安全系數為 1.28，符合二級邊坡的安全系數1.25的要求，因此新的設計方案所設計的邊坡符合技術規(guī)范的要求，是穩(wěn)定的邊坡。

根據構建巖土體的本構模型，將設計方案中變量參數代入計算，得出計算結果可知：當開挖方案為砂土臺階坡面角為38(°)、巖質臺階坡面角50(°)、清掃平臺8 m、安全平臺5 m、最終邊坡角41(°)、并段臺階高度96 m時，邊坡安全系數為1.28，該方案安全系數大于且最為接近瑞典條分法中露天邊坡穩(wěn)定安全系數值1.25。修改的設計方案的設計內容符合安全要求，形成的邊坡穩(wěn)定性符合安全要求。

根據計算結果可知：當砂土臺階坡面角取36(°)、巖質臺階坡面角取50(°)時，其安全系數為1.35，大于瑞典分條法中安全系數值1.25。根據工程量進行計算，該方案將增加3萬t土方量。根據方案安全可靠性及經濟合理性，最終選擇砂土臺階坡面角為38(°)、巖質臺階坡面角50(°)為推薦方案。