云南某礦山高邊坡穩定性模擬分析

（濱州市建筑設計研究院有限公司，山東 濱州 256600）

云南某礦山高邊坡形態為一孤山梁，山梁頂部植被茂盛。山坡地形陡峻，天然坡度為35°～45°，局部基巖出露形成陡崖，山體平緩、低凹部位被坡、崩積層覆蓋。

自開挖以來，目前已形成高達100m的邊坡，其開挖至今受自然及人為因素影響已多次發生變形、開裂、垮塌現象；由于工程建設需要，仍需繼續對其開挖，為保證開挖過程中邊坡的安全穩定，通過數值模擬分析，找出塑性破壞區域，以便更好的輔助設計工作[1]。

本文基于該礦山地質勘察資料，利用Gocad軟件三維可視化技術，建立該邊坡三維地質模型。借助Gocad和Ansys以及Flac3d接口程序，將三維地質模型轉化為Flac3d的計算模型，通過Flac3d對其彈塑性分析和強度折減計算，根據邊坡位移場和應力場的分布規律，評價邊坡的天然穩定性，探討其潛在破壞情況[2]。

1 邊坡模型建立

根據地層分布情況，將該模型簡化為4個地層結構進行建模。由實測地形線及鉆孔勘察資料在Gocad中建立實體模型及各個地層面，將該模型通過接口導入Ansys中，經過簡單的布爾運算得到邊坡在Ansys中的模型并劃分網格（圖1）。

圖1 Gocad模型及ansys模型圖

2 計算分析

2.1 計算模型

通過Ansys與FLac3d的接口程序將模型轉換為FLac3d可讀取的計算模型。

2.2 邊界條件及物理力學參數

邊坡除坡面設為自由邊界外，模型底部為固定約束邊界，模型四周為單向邊界。計算參數使用前期勘察及實驗建議參數（表1）。

表1 邊坡巖土體物理力學參數

2.3 計算方法及步驟

計算時，按下述步驟進行：首先，選擇彈性本構模型，按前述約束條件，只考慮重力，進行彈性求解，計算至平衡后對位移場和速度場清零，生成初始應力場；然后進行Mohr-Coulomb模型的彈塑性求解，直至系統達到平衡。

3 模擬結果分析

將FLac3d計算結果導入Tecplot，通過其強大的后處理功能，繪制邊坡的整體及典型剖面（Y=180m）的位移云圖及最大、最小主應力等值線圖，對該邊坡的位移場和應力場進行分析。

圖2 Y=180剖面位移矢量圖及位移云圖

3.1 位移場分析

從位移矢量圖可知，邊坡上部位移矢量垂直向下，表現為“沉降”；中部位移矢量近乎與坡面平行，表現為“剪切”；與之對應，位移分布圖表現形態為：在邊坡中上部呈半封閉狀，而后在近坡面處上翹；在下部則與邊坡底部近乎平行。最大位移為50mm，位于邊坡中后部[3]。這些現象表明，邊坡的潛在破壞以淺表層圓弧形剪切破壞為主。

3.2 應力場分析

從典型剖面的應力分布圖可以看出，該剖面附近的最大主應力基本順著坡面方向，并一直延伸到坡腳，但在松散碎石層等值線不再光滑連續，發生了間斷跳躍，說明該部位已發生明顯的應力集中，這對邊坡穩定性不利。而邊坡內部，最大主應力方向與水平軸的夾角逐步變大，直至鉛直；地層分界面附近區域的最大主應力方向要比其它區域變化得大且迅速，但并未影響主應力分布的總趨勢。這些都表明邊坡深部巖土體主要受垂直方向的壓應力作用，體現為受壓屈服。由最小主應力圖（圖3）可知，邊坡中部出現部分拉應力集中，如果拉應力大于該部位巖體抗拉強度將出現拉裂破壞。

圖3 Y=180m剖面最大及最小主應力等值線圖

3.3 塑性區分析

為定量分析邊坡的穩定性，采用FLac3d內置的solve fos命令計算邊坡的安全系數Fs，該命令以強度折減法為基礎，邊坡安全系數定義為：邊坡剛好達到臨界破壞狀態時，對巖土體抗剪強度的折減程度。

圖4 邊坡剪切塑性變形云圖及等值線圖

經計算，邊坡安全系數Fs=1.09，表明其在天然狀態處于基本穩定狀態。從塑性變形云圖可知邊坡的破壞范圍主要分布在中后部松散碎石層；由8剖面塑性變形等值線云圖中可知，邊坡中后部等值線較為密集，且剖面塑性區已貫通。由此可知，假如該邊坡發生塌方、滑移現象，最可能原因是松散碎石層在飽水或震動條件下的變形區塑性破壞貫通破壞，模擬與實際情況相符。

4 結論

（1）該礦山高邊坡安全系數為1.09，天然狀態下基本穩定。

（2）邊坡目前已多次發生坍塌，在強降雨或震動條件下極有可能再次發生坍塌或滑坡現象。

（3）該邊坡塑性變形最大的區域位于中后部松散碎石層，該區域塑性區已發生貫通，也是最有可能發生坍塌、滑坡的區域。

（4）邊坡巖體受鉛直應力作用表現為受壓屈服，潛在破壞以松散碎石層的圓弧剪切破壞為主。

（5）該模擬結果與現實情況相符，應加強對塑性區范圍的支護，并加強監測。