基于FLAC3D的露天礦邊坡破壞成因研究與預(yù)測(cè)

趙東陽(yáng) 祝介旺 袁博

摘要： 針對(duì)某礦區(qū)發(fā)生多起大規(guī)?；?、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)露天礦的安全和正在進(jìn)行的殘礦回采工作造成威脅的問(wèn)題，以礦區(qū)內(nèi)某礦山為研究對(duì)象，利用FLAC3D軟件建立露天礦坑邊坡數(shù)值分析模型，采用傳統(tǒng)地質(zhì)分析方法結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)邊坡破壞成因進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，凝灰?guī)r中發(fā)育的順坡向節(jié)理是邊坡發(fā)生滑塌的關(guān)鍵因素。強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果可知，邊坡內(nèi)部沿節(jié)理面形成貫通滑帶，是最危險(xiǎn)的潛在破壞面;隨著時(shí)間的推移，深層節(jié)理面強(qiáng)度弱化，邊坡可能再次發(fā)生滑塌。

關(guān)鍵詞： 露天礦;邊坡;地質(zhì)災(zāi)害;滑坡;數(shù)值模擬;強(qiáng)度折減法

Abstract： As to the problem that there are many geological disasters such as the large scale landslide and collapse in a mining area， and the safety of open pit and the residual depesit mining are threatened， taking a mine of the mining area as the research object， the numerical analysis model of the open pit slope is built by FLAC3D software， and the traditional geological analysis method is combined with the numerical simulation to analyze the cause of slope failure. The results show that the joints along the slope direction developed in tuff are the key factor for slope landslide and collapse. According to the calculation results of the strength reduction method， a penetrating slidingzone is formed along the joint surface of the slope internal， which is the most dangerous potential failure surface. Over time， the strength of the deep joint surface is weaken， and then the slope may collapse once again.

Key words： open pit;slope;geological disaster;landslide;numerical simulation;strength reduction method

0 引 言

自20世紀(jì)50年代至今，全球露天礦開(kāi)采總量約為160億 t，其中露天開(kāi)采約占80%。[1]隨著露天礦開(kāi)采持續(xù)向深部發(fā)展，礦山邊坡的高度不斷增加，但是受地質(zhì)環(huán)境和用地規(guī)模的限制，礦坑的開(kāi)口不能無(wú)限擴(kuò)大。為開(kāi)采更多的地下礦床，礦坑邊坡的設(shè)計(jì)坡度越來(lái)越大，導(dǎo)致閉坑后的邊坡存在安全隱患。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)大型露天礦山中，不穩(wěn)定邊坡或具有潛在滑坡危險(xiǎn)的邊坡約占邊坡總量的15%～20%。[1]邊坡失穩(wěn)已成為露天礦山中發(fā)生頻率最高、對(duì)安全生產(chǎn)影響最大的災(zāi)害之一。[2]

廢棄礦山的治理和利用是目前的熱點(diǎn)問(wèn)題，其關(guān)鍵在于如何改造好、利用好廢棄礦山，使其安全、環(huán)保、有效益。杜時(shí)貴等[3]提出大型露天礦山邊坡巖體穩(wěn)定性分級(jí)分析方法;杜時(shí)貴[4]提出大型露天礦山邊坡等精度評(píng)價(jià)方法;鄭敏等[5]將廢棄露天礦坑的利用歸納為博物資源、旅游開(kāi)發(fā)、垃圾處理和坑塘養(yǎng)殖等方向;高文文[6]構(gòu)建基于推理?xiàng)l件和推理規(guī)則的廢棄露天礦坑再利用方式選擇方法;還有眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)礦坑邊坡穩(wěn)定性、閉礦規(guī)劃政策等要素進(jìn)行研究[79]。隨著研究的深入，廢棄礦坑是一種新型資源的理念逐漸形成。這種新型資源的充分利用對(duì)節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境都具有重要意義。但是，礦坑再利用的前提是保證安全，必須對(duì)廢棄礦山潛在危險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)并有效治理。

某礦區(qū)曾是我國(guó)最大的銅多金屬礦區(qū)，是我國(guó)重要的有色金屬生產(chǎn)基地。礦區(qū)內(nèi)包含5個(gè)大中型露天礦山和若干礦點(diǎn)，總面積達(dá)25 km2。該礦區(qū)是西北地區(qū)典型的露天礦山，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，研究此類典型礦坑邊坡對(duì)整個(gè)礦區(qū)的治理具有重要意義。以礦區(qū)內(nèi)某國(guó)家礦山公園為研究對(duì)象，搜集相關(guān)地質(zhì)信息，利用傳統(tǒng)地質(zhì)分析方法和有限元數(shù)值分析方法對(duì)其南幫邊坡進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，邊坡破壞主要受地形陡峭、結(jié)構(gòu)面發(fā)育和人為擾動(dòng)等因素的影響，高應(yīng)變區(qū)與弱層貫通、表層巖體沿節(jié)理面相對(duì)位移明顯是邊坡破壞的內(nèi)在原因。利用FLAC3D軟件的強(qiáng)度折減法對(duì)選取的邊坡危險(xiǎn)截面進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示該截面處邊坡安全系數(shù)為1.19。隨著巖體強(qiáng)度弱化，邊坡內(nèi)部出現(xiàn)一條滑帶，未來(lái)有可能再次發(fā)生滑坡。

1 工程概況

1.1 礦坑邊坡地形地貌

露天礦坑呈東西向分布，尺寸為1030 m×580 m×274 m，坑口標(biāo)高1 873 m，坑底標(biāo)高1 660 m，總體坡角35°～50°。[10]礦坑?xùn)|、西兩側(cè)邊坡分別設(shè)有選硫廠房和內(nèi)排土場(chǎng)。礦坑南、北幫邊坡主要布置交通路線，標(biāo)高1 780 m以下區(qū)域采用螺旋方式布線，標(biāo)高1 780 m以上區(qū)域分布多個(gè)獨(dú)立運(yùn)輸系統(tǒng)。

本文以南幫邊坡為研究對(duì)象，邊坡整體呈凸形斷面，地形陡峭，標(biāo)高1 816 m以上區(qū)域的總體坡角為40°，標(biāo)高1 816 m以下區(qū)域的總體坡角為50°。南幫邊坡采用多臺(tái)階并段的方式構(gòu)成，臺(tái)階高度和坡度較大。并段后自下而上共有5級(jí)主體臺(tái)階，高度均為48～60 m，平臺(tái)寬度均為10～15 m，坡角均為55°～69°。南幫邊坡布置雙出口、雙道交岔運(yùn)輸線，東、西兩側(cè)各有1個(gè)出口，平面示意見(jiàn)圖1。

圖 1 某露天礦坑平面示意

1.2 地層巖性

該礦區(qū)出露的地層自上而下分別為中下奧陶統(tǒng)酸性火山巖組、千枚巖中基性火山巖組。巖石種類主要有石英角斑凝灰?guī)r、千枚巖、石英納長(zhǎng)斑巖、硅質(zhì)巖、細(xì)碧玢巖等。南幫邊坡剖面Ⅳ顯示，礦坑頂部有約30 m厚的第四紀(jì)堆積物，標(biāo)高1 880～1 900 m區(qū)域主要出露的地層為輝綠巖和基性凝灰?guī)r，標(biāo)高1 840～1 880 m區(qū)域?yàn)榍稁r，標(biāo)高1 750～1 840 m區(qū)域?yàn)槭⒔前吣規(guī)r，見(jiàn)圖2。輝綠巖巖體較為完整，質(zhì)地堅(jiān)硬，力學(xué)性質(zhì)良好;中下部的凝灰?guī)r和千枚巖為力學(xué)性質(zhì)較差的變質(zhì)巖，坡面出露的巖體破碎且節(jié)理發(fā)育，是地質(zhì)災(zāi)害的主要載體。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

該礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，屬于北祁連山加里東褶皺帶東部區(qū)，在折腰山—火焰山復(fù)合褶皺的南端（見(jiàn)圖3）。復(fù)合褶皺主要由2個(gè)規(guī)模較大的背斜和向斜構(gòu)成[1112]，火焰山礦坑南幫邊坡為向斜轉(zhuǎn)折端，向斜為倒轉(zhuǎn)向斜（位置①）。主礦體位于倒轉(zhuǎn)背斜的轉(zhuǎn)折端（位置②），F(xiàn)斷層（位置③）是礦區(qū)內(nèi)最大斷層，但距離礦坑較遠(yuǎn)，對(duì)礦坑邊坡影響甚微。南幫邊坡結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體完整性較差。西南側(cè)的炭質(zhì)錳質(zhì)千枚巖受倒轉(zhuǎn)向斜影響，軸面劈理發(fā)育，總體產(chǎn)狀集中于200°∠50°。邊坡中下部的石英角斑凝灰?guī)r片理發(fā)育，間距約1～3 mm，產(chǎn)狀為355°∠85°，并發(fā)育有1組順向節(jié)理，產(chǎn)狀為350°∠45°。在多組結(jié)構(gòu)面的切割作用下，坡面巖體破碎，容易發(fā)生崩塌、滑坡災(zāi)害。

2 破壞現(xiàn)狀與成因分析

2.1 破壞現(xiàn)狀

自該露天礦閉坑以來(lái)，由于長(zhǎng)期缺乏維護(hù)，加上各種地質(zhì)因素影響，礦坑邊坡多處發(fā)生崩塌和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

礦坑南幫邊坡破壞最為集中，見(jiàn)圖4。

在南幫邊坡西南側(cè)剖面Ⅳ到剖面Ⅵ之間，標(biāo)高1 840～1 880 m的千枚巖多處發(fā)生崩塌。在邊坡中部剖面Ⅲ到剖面Ⅵ之間，標(biāo)高1 686～1 840 m處的凝灰?guī)r2處發(fā)生大規(guī)?；拢堑V坑邊坡最主要的地質(zhì)災(zāi)害。這2處滑坡主要發(fā)生在剖面Ⅳ標(biāo)高1 804 m的運(yùn)輸公路和剖面Ⅴ標(biāo)高1 816 m的主體臺(tái)階上，其規(guī)模和機(jī)理不盡相同。剖面Ⅳ滑坡為順層滑移拉裂破壞，標(biāo)高1 804 m的運(yùn)輸公路整體滑坡，滑體后緣拉裂，滑體體積約13 000 m3。剖面Ⅴ滑坡規(guī)模最大，滑坡范圍為標(biāo)高1 744～1 840 m，多級(jí)臺(tái)階整體垮塌，滑體體積約30 000 m3。

邊坡目前仍有安全隱患，許多災(zāi)害尚在發(fā)展過(guò)程中，隨著邊坡巖體風(fēng)化，有可能出現(xiàn)新的地質(zhì)災(zāi)害。

2.2 破壞成因分析

礦坑南幫邊坡發(fā)生破壞主要有以下幾個(gè)因素。

2.2.1 地形因素

礦坑南幫邊坡高度達(dá)270 m，由于運(yùn)輸路線的交岔和回轉(zhuǎn)，交匯處臺(tái)階的寬度、坡度和高度明顯增加，其中臺(tái)階最高80 m、坡角最大70°，為滑坡與崩塌災(zāi)害提供幾何空間條件。

2.2.2 構(gòu)造因素

邊坡西南側(cè)的炭質(zhì)錳質(zhì)千枚巖中劈理發(fā)育，隨著劈理不斷張開(kāi)，邊坡最終傾倒并向下滾落造成崩塌。邊坡中下部凝灰?guī)r片理和順向節(jié)理發(fā)育，節(jié)理面和片理面外傾且與臺(tái)階坡走向基本一致，臺(tái)階坡角大于節(jié)/片理面傾角，節(jié)/片理面與臺(tái)階坡面的赤平投影示意見(jiàn)圖5。礦區(qū)內(nèi)發(fā)育有1條斜切采礦場(chǎng)西南和東北部邊坡的大斷層和多條壓扭性斷層，將坡體切割成不連續(xù)狀，因此邊坡在節(jié)/片理面的切割作用下容易發(fā)生順層滑坡。

2.2.3 人為因素

在使用傳統(tǒng)爆破法開(kāi)采礦山時(shí)，受爆炸振動(dòng)的影響，巖體產(chǎn)生松動(dòng)圈，導(dǎo)致巖石裂隙發(fā)育。邊坡上部20～30 m的廢石堆積物、礦坑?xùn)|部1 845 m平臺(tái)上的選硫廠房和2處硫精礦自然干燥庫(kù)，以及裝載礦石的卡車等均增加邊坡負(fù)荷。

綜上所述，礦坑南幫邊坡地形陡峭、構(gòu)造復(fù)雜、易受人為干擾。局部邊坡存在坡體高、坡度大、節(jié)理面和片理面密集、表層巖體破碎等特點(diǎn)，工程地質(zhì)性質(zhì)較差是邊坡失穩(wěn)的重要原因。

3 數(shù)值模擬分析與穩(wěn)定性預(yù)測(cè)

3.1 數(shù)值模型

3.1.1 建立模型

邊坡體量巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模難度極高，本文選用多款軟件協(xié)同建模。首先，由Locaspace Viewer地圖獲取等高線，利用Rhino3D軟件的三維建模功能建立初步山體模型;然后，將山體模型導(dǎo)入Ansys軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和分組;最后，將Ansys模型導(dǎo)入FLAC3D軟件[1314]建立計(jì)算模型。原邊坡計(jì)算模型見(jiàn)圖6。模型中地層由上至下依次為輝綠巖、千枚巖和石英角斑凝灰?guī)r。采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際尺寸，模型沿邊坡傾向長(zhǎng)度為600 m，最高垂直高度為270 m，涵蓋主要滑坡區(qū)域。

3.1.2 構(gòu)建接觸面

礦區(qū)內(nèi)發(fā)育的斷層和節(jié)理對(duì)邊坡破壞具有較大影響。該邊坡滑坡區(qū)域主要發(fā)育有1組順向節(jié)理， 節(jié)理兩側(cè)分別有1條貫穿西南邊坡的大斷層和1條壓扭性小斷層（見(jiàn)圖6），均采用無(wú)厚度接觸單元對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行模擬。

3.1.3 模型計(jì)算和參數(shù)選擇

坡角與力學(xué)參數(shù)均參照現(xiàn)場(chǎng)勘察報(bào)告和露天礦初步設(shè)計(jì)報(bào)告[15]選取。巖土和弱層體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 模擬結(jié)果與破壞原因分析

模型前、后以y方向位移約束，左、右以x方向位移約束，底部以x、y、z方向位移約束，從而構(gòu)成邊界位移條件。輸入各類巖土和弱層體物理力學(xué)參數(shù)，施加重力載荷對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)邊坡應(yīng)力和應(yīng)變分布特征分析邊坡破壞機(jī)理。

3.2.1 應(yīng)力分布

邊坡應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖7。邊坡主應(yīng)力由表面至內(nèi)部逐漸增大，表面出現(xiàn)2處正應(yīng)力，其最大值為2.1×105 N/m2，與坡體變形有關(guān)。受巖體自重影響，接觸面剪應(yīng)力由坡內(nèi)部至坡表面逐漸增大。由于斷層約束作用較弱，節(jié)理面剪應(yīng)力由中間向兩端增大。

3.2.2 應(yīng)變分布

邊坡應(yīng)變分布云圖見(jiàn)圖8。由于巖層力學(xué)性質(zhì)各異，應(yīng)變分布受到巖性分布的影響，千枚巖和凝灰?guī)r區(qū)域應(yīng)變更加明顯。最大主應(yīng)變和剪應(yīng)變均集中在邊坡中部的臺(tái)階處且與弱層貫通，成為最危險(xiǎn)的潛在破壞面。

3.2.3 位移分布

邊坡位移分布云圖見(jiàn)圖9。邊坡位移從坡體內(nèi)部到坡表面逐漸增大。節(jié)理面以上的巖體位移最大，且靠近斷層兩側(cè)的位移顯著增加，與實(shí)際滑坡位置一致，證明模擬結(jié)果可靠[16]。根據(jù)圖9（b）和（c）可知，力學(xué)性質(zhì)較差的凝灰?guī)r和千枚巖區(qū)域沉降較大，淺層節(jié)理面上部巖體與坡體相對(duì)位移明顯，豎向和水平最大位移分別為62.0和2.8 mm，主要表現(xiàn)為沿節(jié)理面向下滑移，證明坡面出現(xiàn)正應(yīng)力是由于坡體變形造成的。圖9（d）反映被結(jié)構(gòu)面切割的巖體與坡體的相對(duì)位移分布，位移分布與剪應(yīng)力分布基本一致，即由內(nèi)部至表面、由中間至兩端位移逐漸增大，也與坡體主位移分布吻合。

3.2.4 破壞成因分析

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算可知，由于邊坡陡峭和結(jié)構(gòu)面的切割作用，邊坡坡面出現(xiàn)拉應(yīng)力，高應(yīng)變區(qū)域與弱層體貫通，節(jié)理面以上巖體相對(duì)位移明顯。因此，順坡向節(jié)理和斷層切割邊坡巖體是造成滑坡的主要原因，而較差的物理力學(xué)性質(zhì)、節(jié)理發(fā)育和陡峭的地形特征導(dǎo)致邊坡發(fā)生大規(guī)?；聻?zāi)害。邊坡局部破壞是從結(jié)構(gòu)面開(kāi)始的，因此結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)對(duì)邊坡具有重要作用。

3.3 危險(xiǎn)截面分析與穩(wěn)定性預(yù)測(cè)

1976年6月8日，南幫邊坡剖面Ⅳ到剖面Ⅵ之間發(fā)生大規(guī)?；?，滑體體積約96 000 m3。閉坑后在無(wú)人為擾動(dòng)的情況下，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的風(fēng)化侵蝕作用，擴(kuò)幫后的邊坡再次沿順向節(jié)理發(fā)生滑坡。因此，巖體和弱層體強(qiáng)度弱化是導(dǎo)致滑坡的重要因素。由圖7（c）和圖9（d）可知：2個(gè)節(jié)理面均出現(xiàn)剪應(yīng)力，且深層節(jié)理受到的剪應(yīng)力更大;深層節(jié)理結(jié)合較好且力學(xué)性能更好，因此其相對(duì)剪切位移小于淺層節(jié)理。隨著時(shí)間推移，巖體強(qiáng)度弱化，邊坡必然發(fā)生新的地質(zhì)災(zāi)害。

3.3.1 構(gòu)建模型

利用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)獲取滑坡區(qū)截面信息并建立數(shù)值模型，見(jiàn)圖10。

為直觀體現(xiàn)節(jié)理面變形分布特征，采用軟弱夾層模擬法模擬接觸面。采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡安全系數(shù)，并分析其應(yīng)力和應(yīng)變分布特征，預(yù)測(cè)邊坡可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害。

3.3.2 數(shù)值模擬結(jié)果和分析

基于FLAC3D軟件的強(qiáng)度折減法得到破壞后邊坡數(shù)值計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)圖11。當(dāng)巖體和弱層體的強(qiáng)度折減后，力學(xué)性質(zhì)較差的凝灰?guī)r沉降加劇，深層節(jié)理面以上的巖體與坡體相對(duì)位移明顯，整體向坡外滑移。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）[17]，在一般工況下，三級(jí)邊坡安全系數(shù)應(yīng)大于1.25。經(jīng)計(jì)算，該截面安全系數(shù)為1.19，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。由圖11（c）可知，邊坡內(nèi)部沿節(jié)理面產(chǎn)生滑帶，并與坡表面貫通，邊坡將沿滑帶發(fā)生順層滑移拉裂破壞。

3.3.3 穩(wěn)定性預(yù)測(cè)

邊坡截面安全系數(shù)為1.19，再次發(fā)生滑坡的概率較大。隨著結(jié)構(gòu)面和巖體強(qiáng)度弱化，坡體內(nèi)部將出現(xiàn)貫通滑帶，滑體沿滑帶向臨空面剪出，滑坡體高度達(dá)74 m，是露天礦安全的極大隱患。在充分預(yù)測(cè)邊坡未來(lái)可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的基礎(chǔ)上，有必要對(duì)礦坑邊坡進(jìn)行加固和恢復(fù)治理。

3.4 邊坡災(zāi)害治理措施和建議

數(shù)值模擬結(jié)果表明，滑坡區(qū)靠近斷層兩側(cè)的位移較大，結(jié)構(gòu)面切割巖體是邊坡變形的主要因素。因此，針對(duì)地質(zhì)調(diào)查和數(shù)值模擬結(jié)果提出以下建議。

（1）清理坡面碎石、剝除危險(xiǎn)巖體、消除崩塌隱患，為后續(xù)加固措施做準(zhǔn)備。

（2）錨索加固。邊坡結(jié)構(gòu)面發(fā)育充分，宜采用預(yù)應(yīng)力錨索錨固表層巖體，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮滑面 受力特征，對(duì)剪應(yīng)力集中和大變形區(qū)域重點(diǎn)加固。

（3）減緩結(jié)構(gòu)面風(fēng)化。及時(shí)清理礦坑水和濕渣，設(shè)置排水溝，利用爬藤植物綠化坡面，保護(hù)巖體并恢復(fù)環(huán)境。

4 結(jié)術(shù)語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析可知，某礦坑南幫邊坡地形陡峭和節(jié)理發(fā)育是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的主要原因。爆破開(kāi)挖、邊坡堆載和工程載荷等人為因素是引發(fā)災(zāi)害的重要原因。

數(shù)值模擬顯示，順向節(jié)理對(duì)破壞后邊坡穩(wěn)定造成威脅，折減后坡面巖體沿節(jié)理面相對(duì)位移明顯，邊坡內(nèi)部形成貫通的滑帶。

在坡體自重和結(jié)構(gòu)面的切割作用下，坡面出現(xiàn)拉應(yīng)力，高應(yīng)變區(qū)域與軟弱面貫通，坡面巖體沿節(jié)理面向下滑移，靠近斷層兩側(cè)位移尤為顯著，因此隨著位移增大，最終發(fā)生滑坡。

參考文獻(xiàn)：

[1]

吳榮慶. 我國(guó)礦業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)礦山工程裝備的現(xiàn)代化需求[J]. 國(guó)土資源情報(bào)， 2010（8）： 3743.

[2] 祝介旺. 薊縣礦山高切坡地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)模式及環(huán)境綜合治理研究： 以薊縣大興峪北礦區(qū)高切坡為例[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2018， 26（2）： 348355. DOI： 10.13544/j.cnki.jeg.2017027.

[3] 杜時(shí)貴， 雍睿， 陳咭扦， 等. 大型露天礦山邊坡巖體穩(wěn)定性分級(jí)分析方法[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2017， 36（11）： 26012611. DOI： 10.13722/j.cnki.jrme.2017.1236.