露天礦最終邊坡角優化設計模擬分析*

胡 斌 王 偉 張 騰 王新剛 郭利娜

(中國地質大學(武漢)工程學院)

1 研究現狀

隨著計算機技術的發展，一種基于數值模擬的新方法即強度折減法在國內外受到關注［8］。該方法就是通過逐漸降低結構面的強度(C和φ值)直到其達到破壞狀態為止，此時的折減系數即為邊坡的強度儲備安全系數［9］。筆者認為，由于礦山地形地貌較為復雜，不同方位的地層受風化、侵蝕、溫度變化等因素影響的程度也有很大差別，若按統一的標準進行強度折減得到的安全系數可靠性較低。故本研究采用數值計算方法進行邊坡角優化設計，然后用國際通行軟件Slide進行驗算求解邊坡穩定性系數。

2 邊坡角的優化設計

根據研究目的和對已獲得的工程地質資料、試驗資料的整理和綜合定性分析，結合采礦方面的經驗，對研究區的地質情況進行科學合理的概化，確定出切實可行的邊坡優化循環流程，如圖1。該流程綜合考慮了影響邊坡穩定性的各種因素，包含了數值模擬的整個過程及設定了結束循環的邊坡破壞的依據，使邊坡優化設計的整個過程變得清晰、直觀，對邊坡優化有很好的指導作用。

圖1 邊坡優化設計流程

建立工程地質模型后進行計算的一個關鍵問題是如何根據計算結果來判別邊坡是否處于破壞狀態，目前常見的邊坡失穩判據主要有:

(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的標志［10］。

(2)以塑性應變及塑性區在整個坡體大面積貫通作為邊坡破壞的標志［11］。

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

3 工程實例分析

3.1 工程背景

西藏邦鋪Mo(Cu)多金屬礦區位于岡底斯山脈與念青唐古拉山脈結合部位，地勢險峻，切割強烈，平均海拔在5 000 m以上，最高標高為+5 330 m，自然地理條件異常惡劣，地形地貌復雜。礦區斷層與裂隙發育，第四系強風化層分布較廣。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1 065 m，其邊坡長度在1 400 m左右，屬于復雜地質條件下超高、超長露天邊坡。根據地質勘探工作結論，該礦床工程地質類型為第二類，其邊坡穩定性是該礦床工程地質的主要問題［12-13］。

由于礦區工程地質條件復雜，邊坡不同部位的影響因素不同，其穩定性和變形破壞形式亦各異。因此，對露采邊坡穩定性分區評價是十分必要的。分區的依據是礦區露采邊坡設計參數和主要工程地質條件，即根據邊坡的走向、坡向、結構面發育特征、邊坡結構特征等因素進行分區。經過對礦區地形地貌特征分析，將該礦分別分為為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5個分區，如圖2。以第Ⅴ區的典型剖面5－5為例進行計算。

圖2 礦區露采高邊坡分區

3.2 巖體的物理力學參數

巖體的物理力學參數由一系列的巖體力學試驗確定，包括單軸壓縮變形試驗、結構面直剪試驗、抗拉強度試驗、抗剪強度試驗等，同時考慮礦區內各類巖體的地質與結構特征等因素，給出各類巖土體計算參數的建議值，如表1。由于礦山邊坡地表及淺部巖土體因受風化、降水等因素作用，其力學性質往往比中深部巖土體差，這時可以根據工程經驗對表1中獲得的計算數據乘以適當的系數(一般不大于 0.85)予以折減。

孔子雖然倡導禮，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范和準則；對于社會而言，禮是道德主體實踐和諧有序的家庭、社會結構；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、倫理整體的發展的工具和紐帶。

表1 巖體的物理力學參數

3.3 FLAC3D數值分析

5－5剖面總體趨勢為西側低東側高，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、全強風化層、閃長斑巖、花崗巖。為消除邊界效應及尺寸效應的影響，最后劃定計算剖面區域，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破壞準則進行計算。模型建立了詳細的邊坡邊界、地層、開挖范圍等空間形態，共劃分單元1 368個、節點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格劃分技術進行過渡。按照邊坡優化設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、塑性區進行比較分析，最后確定最優邊坡角。5－5剖面的計算結果如圖4～圖5。

由以上各圖中方案的計算結果可得:邊坡位移在坡頂碎石土區及風化層較大，各方案最大位移分別為5.9、6.6、12.6 mm。可見當采用方案3時，邊坡位移顯著增大，出現突變;塑性區范圍在前兩中方案的計算中很小且出現在上部軟弱巖層，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:當邊坡角由39°增大到40°時，邊坡位移顯著增大，塑性區貫通，位移與塑性區均出現突變，完全符合上述破壞判據，因此39°(方案2)為最優邊坡角，若提高1°則邊坡發生破壞。

3.4 設計方案的穩定性評價

3.4.1 設計安全系數的確定

圖5 不同邊坡角的塑性區分析

規范［14］中詳細說明了邊坡穩定系數的取值。對新設計的邊坡、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。驗算已有邊坡穩定時，取1.10～1.25。長沙礦冶研究院根據多年觀察資料，提出了針對閃長巖、大理巖邊坡安全系數與其穩定性的關系:k＞1.2為穩定的邊坡地段;k=1.08～1.2為較穩定的邊坡地段;k＜1.08為不穩定的邊坡地段。經過上述綜合分析并結合礦區實際情況，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定性計算的安全系數取值為1.2。

3.4.2 Slide求邊坡穩定性系數

Slide是一款評價巖質或土質邊坡安全系數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，發現最小的穩定性系數位置。Slide軟件還可以對巖質邊坡進行敏感度分析，借助敏感度分析，判斷影響安全系數的關鍵因素，明確加固、設計的方向，這對于優化邊坡角、坡形等大有裨益。

根據圖5(c)中邊坡破壞時塑性區出現的位置范圍，結合結構面勘察資料、數據，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定性系數。

圖6 Slide的計算結果

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定性系數分別1.339、1.233、1.318，都能滿足安全系數1.2的規范要求，且其中最危險滑動面的穩定性系數為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、經濟合理的開挖方案。

4 結論

(1)在工程經驗的基礎上建立了礦山邊坡優化設計流程圖，考慮了影響邊坡穩定的各種因素，使邊坡優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作用。

(2)采用該方法將西藏邦鋪Mo(Cu)多金屬礦第Ⅴ區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，提高了礦山經濟效益。針對坡頂碎石土等軟弱巖體，應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對邊坡的多種指標進行對比分析，然后利用國際通行軟件Slide驗算得到其穩定性系數的方法對于邊坡角優化設計是一條合理和有效的途徑。該方法可為礦山提出安全、經濟、切實可行的邊坡設計方案。

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