露天礦最終邊坡角優(yōu)化設(shè)計模擬分析*

胡 斌 王 偉 張 騰 王新剛 郭利娜

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院)

1 研究現(xiàn)狀

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，一種基于數(shù)值模擬的新方法即強度折減法在國內(nèi)外受到關(guān)注［8］。該方法就是通過逐漸降低結(jié)構(gòu)面的強度(C和φ值)直到其達(dá)到破壞狀態(tài)為止，此時的折減系數(shù)即為邊坡的強度儲備安全系數(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)進行強度折減得到的安全系數(shù)可靠性較低。故本研究采用數(shù)值計算方法進行邊坡角優(yōu)化設(shè)計，然后用國際通行軟件Slide進行驗算求解邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

2 邊坡角的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)研究目的和對已獲得的工程地質(zhì)資料、試驗資料的整理和綜合定性分析，結(jié)合采礦方面的經(jīng)驗，對研究區(qū)的地質(zhì)情況進行科學(xué)合理的概化，確定出切實可行的邊坡優(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)值模擬的整個過程及設(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)計的整個過程變得清晰、直觀，對邊坡優(yōu)化有很好的指導(dǎo)作用。

圖1 邊坡優(yōu)化設(shè)計流程

建立工程地質(zhì)模型后進行計算的一個關(guān)鍵問題是如何根據(jù)計算結(jié)果來判別邊坡是否處于破壞狀態(tài)，目前常見的邊坡失穩(wěn)判據(jù)主要有:

(1)計算過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)在整個坡體大面積貫通作為邊坡破壞的標(biāo)志［11］。

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

3 工程實例分析

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，地勢險峻，切割強烈，平均海拔在5 000 m以上，最高標(biāo)高為+5 330 m，自然地理條件異常惡劣，地形地貌復(fù)雜。礦區(qū)斷層與裂隙發(fā)育，第四系強風(fēng)化層分布較廣。礦體呈柱體向下延伸，最終露天開采境界形成后，露采境界最終邊坡達(dá)1 065 m，其邊坡長度在1 400 m左右，屬于復(fù)雜地質(zhì)條件下超高、超長露天邊坡。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，對露采邊坡穩(wěn)定性分區(qū)評價是十分必要的。分區(qū)的依據(jù)是礦區(qū)露采邊坡設(shè)計參數(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)特征等因素進行分區(qū)。經(jīng)過對礦區(qū)地形地貌特征分析，將該礦分別分為為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5個分區(qū)，如圖2。以第Ⅴ區(qū)的典型剖面5－5為例進行計算。

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)試驗確定，包括單軸壓縮變形試驗、結(jié)構(gòu)面直剪試驗、抗拉強度試驗、抗剪強度試驗等，同時考慮礦區(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，這時可以根據(jù)工程經(jīng)驗對表1中獲得的計算數(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，但他所說的禮已不僅僅是原本意義上的周禮了。在禮的實踐上，孔子也有了不同的看法。對個人而言，禮是道德主體道德實踐的規(guī)范和準(zhǔn)則；對于社會而言，禮是道德主體實踐和諧有序的家庭、社會結(jié)構(gòu)；對道德的主體的實踐域（倫理場或道德域）而言，禮是推動道德主體境界、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剖面總體趨勢為西側(cè)低東側(cè)高，地形起伏較大。該剖面計算邊坡最大高程約為4 738 m，前期開采終了境界(礦坑底部)高程為4 498 m，邊坡相對高差約為240 m。剖面自地表向下依次是碎石土、全強風(fēng)化層、閃長斑巖、花崗巖。為消除邊界效應(yīng)及尺寸效應(yīng)的影響，最后劃定計算剖面區(qū)域，取x、y軸的計算范圍為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的前處理平臺上建立5－5剖面邊坡計算模型，然后運用FLAC3D采用Morh－Coulomb破壞準(zhǔn)則進行計算。模型建立了詳細(xì)的邊坡邊界、地層、開挖范圍等空間形態(tài)，共劃分單元1 368個、節(jié)點2 884個。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)進行過渡。按照邊坡優(yōu)化設(shè)計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種方案進行計算，將計算所得到的位移、塑性區(qū)進行比較分析，最后確定最優(yōu)邊坡角。5－5剖面的計算結(jié)果如圖4～圖5。

由以上各圖中方案的計算結(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。可見當(dāng)采用方案3時，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算中很小且出現(xiàn)在上部軟弱巖層，對下部基巖幾乎沒有影響，方案3計算時，塑性區(qū)迅速貫通。

圖4 不同邊坡角的位移矢量

通過上述對比分析可得:當(dāng)邊坡角由39°增大到40°時，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)計方案的穩(wěn)定性評價

3.4.1 設(shè)計安全系數(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)說明了邊坡穩(wěn)定系數(shù)的取值。對新設(shè)計的邊坡、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。采用峰值強度時取大值，采取殘余強度時取小值。驗算已有邊坡穩(wěn)定時，取1.10～1.25。長沙礦冶研究院根據(jù)多年觀察資料，提出了針對閃長巖、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)過上述綜合分析并結(jié)合礦區(qū)實際情況，確定此次西藏邦鋪Mo(Cu)多金屬礦露天開采第一期高陡邊坡穩(wěn)定性計算的安全系數(shù)取值為1.2。

3.4.2 Slide求邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

Slide是一款評價巖質(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，能自動搜索到邊坡臺階上去，發(fā)現(xiàn)最小的穩(wěn)定性系數(shù)位置。Slide軟件還可以對巖質(zhì)邊坡進行敏感度分析，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)計的方向，這對于優(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)，得出幾組潛在滑動面的可能形式。圖6為Slide計算各危險滑動面的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

圖6 Slide的計算結(jié)果

通過對已選方案邊坡(即39°一期最終邊坡角)潛在滑移面的計算得出: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，且其中最危險滑動面的穩(wěn)定性系數(shù)為1.233，略高于1.2，說明該剖面采用39°的的一期最終邊坡角是安全、經(jīng)濟合理的開挖方案。

4 結(jié)論

(1)在工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上建立了礦山邊坡優(yōu)化設(shè)計流程圖，考慮了影響邊坡穩(wěn)定的各種因素，使邊坡優(yōu)化的整個過程顯得清楚、簡單，對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)濟效益。針對坡頂碎石土等軟弱巖體，應(yīng)該采取放緩坡頂臺階坡腳或進行簡單的噴錨支護等措施，以防止頂部巖石墜落，造成不必要的損失。

(3)用實例證明了:采用有限差分軟件FLAC3D對邊坡的多種指標(biāo)進行對比分析，然后利用國際通行軟件Slide驗算得到其穩(wěn)定性系數(shù)的方法對于邊坡角優(yōu)化設(shè)計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、切實可行的邊坡設(shè)計方案。

［1］ 鄭穎人.巖土數(shù)值極限分析方法的發(fā)展與應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31(7):1297-1316.

［2］ 聶守智.基于有限元強度折減法的邊坡穩(wěn)定性數(shù)值研究［D］.西安:西安理工大學(xué)，2010.

［3］ 蔡美峰，喬 蘭，李長洪，等.深凹露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性分析與設(shè)計優(yōu)化［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2004，26(5):465-470.

［4］ 王海軍，王 青，顧曉薇，等.露天礦最終境界的優(yōu)化研究［J］.礦冶，2010，20(4):33-37.

［5］ 劉麗峰，朱 明，等.用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析露天礦邊坡穩(wěn)定性［J］.金屬礦山，2008(9):38-40.

［6］ 李文秀，梁 旭，等.動力影響下山區(qū)露天礦合理邊坡角的確定［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(17):2949-2953.

［7］ 李 云，楊 珊，鐘福生.基于有限元與極限平衡分析的露天礦邊坡角優(yōu)化［J］.中國安全科學(xué)學(xué)，2012，22(2):145-150.

［8］ 鄭穎人，趙尚毅，等.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(19):3381-3388.

［9］ 趙尚毅，鄭穎人.用有限元強度折減法進行節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(2):254-260.

［10］ 鄭穎人，趙尚毅，鄧衛(wèi)東.巖質(zhì)邊坡破壞機制有限元數(shù)值模擬分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(12):l943-1952.

［11］ 鄭 宏，李春光，李焯芬，等.求解安全系數(shù)的有限元法［J］.巖土工程學(xué)報，2002，24(5):626-628.

［12］ 胡 斌，王新剛，劉智權(quán)，等.西藏邦鋪露天礦巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面與邊坡穩(wěn)定性分析［J］.金屬礦山，2011(4):12-15.

［13］ 王新剛，胡 斌，李 博，等.西藏邦鋪露天礦臺階邊坡破壞類型分析［J］.工程勘察，2011(11):23-28.

［14］ 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50021—2001 巖土工程勘察規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.