臨界滑動場法在露天礦邊坡穩定性分析中的應用*

宋志飛 徐秀鳴 孫世國

(北方工業大學建筑工程學院)

對于任意形狀的邊坡，以往經典的條分法很難解決搜索出安全系數最小的臨界滑動面這個問題，為此，朱大勇提出了臨界滑動場法(Critical Slip Field，簡稱CSF)［1-2］。筆者以金川露天礦邊坡為例，在應用極限平衡條分法基礎上，通過數值模擬方法模擬出邊坡內任意點的危險滑動方向，以及條塊間最不利推力，確定初始滑動面，由此驗證該方法在工程應用中的準確性及優勢，進行邊坡穩定性分析的研究。

1 臨界滑動場法概述

朱大勇根據最優控制理論提出了邊坡臨界滑動場的概念，并提出了模擬臨界滑動場的數值方法［1-2］。該方法繼承了極限平衡條分法的主要框架，綜合了簡化Janbu法、Sarma法和剩余推力法，直接從整體出發，將邊坡體離散為眾多個狀態點(如圖1(a)所示)，通過數值方法模擬出邊坡體內任一點的危險滑動方向和條塊間最不利推力，最終得到一簇任意形狀危險滑動面(其中一條為臨界滑動面)的臨界滑動場(如圖1(b)所示)，并以剩余推力值表示其穩定性程度。

圖1 邊坡滑移場法

若最大剩余推力Pmax為零或者充分接近零，則此時對應的穩定系數Fs就是邊坡最小安全系數，此時危險滑動場即為臨界滑動場，其中的最大剩余推力為零時所對應的滑動面就是臨界滑動面。該法求解方便可靠，所得臨界滑移面能逼近解析解，可以全面定量評價整體和局部的穩定性，有利于工程更加全面的判斷與決策。

2 金川石英石露天礦邊坡穩定分析

石英石礦區位于甘肅省金昌市金川區高石咀，隸屬金川集團股份有限公司三礦區開采，項目區至省道有普通柏油公路相連，交通十分方便。本研究范圍在石英石露天礦區北幫邊坡。

根據優化設計及工程的經濟效益綜合分析，石英石露天礦將開采至高程1 696 m處，考慮到向下開采延深過程中，形成不同的坡高和坡角大小，使得坡體處于不同的穩定狀態。為了確保生產過程中的安全生產，本次研究首先確定到界邊坡允許的最大坡角，由此確定露天開采的境界線，設定2－2剖面現狀邊坡及后續降深開采過程，對2－2剖面向下延深開挖過程中的邊坡設計及其坡角允許最大值分別進行分析和優化設計。相關力學參數如表1所示。

表1 北幫各巖層物理力學參數

2.1 用滑移場法搜尋滑移面

根據金川露天礦北幫現存的邊坡剖面圖，應用滑移場理論方法編制相應的程序，搜尋危險的滑移面，將邊坡數據導入程序中，建立邊坡數值模型如圖2(a)所示。設定Fs=1.26時，根據現存邊坡輪廓搜尋出危險滑面，如圖2(b)所示。

2.2 用Geo－slope尋找滑移面

在Geo－slope中建立數值模型及搜尋出的滑移面如圖3所示，在本研究中，采用4種常用的邊坡穩定性評價方法，然后取穩定系數最小的數值作為邊坡評價是否穩定的依據，并取各個剖面中滿足穩定性要求最小的坡角作為最終整體坡角設計的依據。現狀邊坡穩定狀態計算結果如表2所示，在無地震條件下排土場邊坡最小穩定系數為1.401，最大值為1.635，平均值為1.5;在有地震條件下，排土場邊坡穩定系數最小值為1.096，最大值為1.357，平均值為1.195。由此說明排土場邊坡處于非常穩定狀態，在有無地震作用時邊坡體都是安全的。

圖2 搜尋邊坡危險滑移面

圖3 2－2剖面現狀邊坡穩定狀態計算

表2 2－2剖面現狀邊坡穩定狀態計算結果

經過系統的滑面搜尋和穩定性評價，最終得出:當坡角為36°時，2－2剖面滿足2種工況條件下的邊坡穩定性的要求，于是初步設定將石英礦邊坡進行8步減載開挖，如圖4所示。在減載方案的優化中，依據露天向下延深過程中每個臺階10 m所形成的邊坡高度及坡角大小，將考慮2種工況條件，即正常條件下無地震影響和和有地震的影響。在2種工況條件下排土場邊坡穩定性均要滿足安全要求為前提;在有地震作用時，如果此條件下還能滿足排土場邊坡穩定性要求，那么基本可以保證排土場的安全。

根據上述評價規則，應用滑移場理論方法依次搜尋、確定最危險滑坡位置，然后分析其穩定狀態，通過最危險滑面的搜尋，找出給定工程地質條件下最危險的位置，并進行各次降深對邊坡穩定狀態的影響，并分析生產過程中的安全性，其邊坡穩定狀態的計算結果如表3所示。

表3 不同分析方法下2－2剖面向下開采延深邊坡穩定狀態評價結果

從表3中的計算結果可以看出，淺部開采邊坡穩定狀態要好于最終邊坡穩定性，這主要是坡高和坡角逐漸增大的結果。如果考慮礦區地震影響，2－2剖面允許的最大坡角為36°。

根據一系列優化設計計算顯示，邊坡的滑移面與實際工程的土層交界面接近，符合巖質邊坡滑移的一般情況。由于實際工程地質的不均勻性和復雜性，在計算的過程中，難免會與實際情況有些差異，這也是需要再進一步完善的地方。

3 結論

(1)金川露天礦北幫2－2剖面邊坡在最后一次開挖至1 696 m處時，正常條件與有地震條件下穩定性明顯不同。在正常條件下，當邊坡角最小時，穩定系數為1.365;在地震條件下，邊坡角最小時，穩定系數只有1.057。與現狀邊坡相比，穩定性大大降低，幾乎處于極限狀態，有滑坡的危險。

(2)瑞典法和Janbu法計算出來的滑移位置與實際差距較大，穩定系數偏低10%～20%，相比之下，滑移場法更加接近實際情況，CSF法在金川露天礦中，已經成功運用滑移場法計算了多個剖面的穩定性，較為符合實際情況，取得了良好的效果。

(3)根據上述判定的邊坡穩定性，仍應該在露天礦邊坡開挖之前做好加固防滑措施，以降低滑坡的危險。

［1］ 朱大勇，錢一虎，周早生，等.巖體邊坡臨界滑移場計算方法及其在露天礦邊坡設計中的應用［J］.巖石力學與工程學報，1999，18(5):567-572.

［2］ 朱大勇，余振錫.臨界滑動場法GCSF分析——以新橋硫鐵礦為例［J］.水文地質與工程地質，1999，26(3):9-12.

［3］ 陳祖煜.邊坡穩定分析——極限平衡法的改進和應用［D］.北京:清華大學，1991.

［4］ 鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理［M］.1版.北京:人民交通出版社，2007.