基于FLAC3D的第四系邊坡穩(wěn)定性分析

王 森 關 迪

(包鋼礦山研究院)

隨著我國露天礦生產規(guī)模的不斷擴大，邊坡穩(wěn)定性成為人們越來越關心的問題。邊坡穩(wěn)定性影響著礦山的生產效益，直接關系到礦山生產安全。因此，開展露天礦邊坡穩(wěn)定性研究與評價，對礦山生產具有十分重要的意義。研究邊坡穩(wěn)定性，確定最終邊坡角，國內外過去常用Bishop法、Janhu法、Sarma法等極限平衡分析方法[1]。采用彈塑性有限元法，不用事先假定滑動面，但除ABAQUS外一般有限元程序不能直接計算邊坡穩(wěn)定性的安全系數，必須借助極限平衡法[2]。FLAC3D能較好地模擬材料在達到強度極限時發(fā)生的破壞或塑性流動，特別適用于分析漸進破壞和失穩(wěn)以及模擬巖體大變形，還能直接計算邊坡的穩(wěn)定性系數[4-6]。本文借助FLAC3D數值分析軟件，主要對某礦山采場中部含第四系邊坡進行分析，模擬出基巖接觸面與第四系的形態(tài)，從微觀上分析雙路塹邊坡及南北幫邊坡的破壞機理[7-10]。

1 工程概述

某礦區(qū)長9.8 km，寬1.9 km，面積為17.45 km2，呈近東西狹長帶狀展布，在2～48勘探線范圍內形成了一個大型的露天采場，地表長4 700 m，寬1 100 m左右，標高為1 536 m以下。該礦以26～28勘探線中間位置分為東、西2個露天采場。采場邊坡開采階段高度為12 m，開采至最終境界時每2個階段并段，并段高度為24 m；坡面角為65°；采場平臺寬7～9 m；采場運輸平臺寬30 m(單線20 m)；第四系地層階段坡面角為45°，平臺寬7.5 m。

評價區(qū)域位于東、西采場中間部分25～32線，最終邊坡高度為480 m，設計總體邊坡角為45°～47°。邊坡巖體主要由第四系巖組(Q)、板巖(ST)和白云巖(DT)組成。白云巖主要為中厚層狀-塊狀結構，板巖主要為層狀結構。南幫白云巖及板巖質量較好，工程巖體分級為Ⅲ級，北幫板巖質量較差，工程巖體分級為Ⅳ～Ⅴ級，白云巖呈厚層狀結構，屬Ⅲ～Ⅳ級。同時北幫板巖與白云巖之間還發(fā)育有FB1斷層。

2 數值模型的建立

某礦采場地質條件復雜，數值模擬反映不出采場地質的真實情況，需對其進行簡化處理。不考慮第四系中所含的透鏡體或夾層，僅通過土體力學參數控制來實現；小斷層、巖體節(jié)理及裂隙等在選取參數時集中考慮，不作單獨考慮；各巖層、斷層產狀不規(guī)則，為便于建立模型，對巖層界面進行一定簡化；考慮到大斷層對邊坡穩(wěn)定性影響較大，將斷層面取軟弱結構面參數，其次對其周圍巖石參數進行弱化模擬斷層影響帶。

根據鉆探資料、測量數據，采用上述簡化方法，利用四面體單元建立評價區(qū)三維地質模型，見圖1。模型尺寸為800 m×1 400 m×500 m，共計15 599個節(jié)點，79 974個單元。模型X正方向為沿礦體走向，Y正方向為垂直礦體走向，Z正方向為垂直向上。圖2為不含第四系巖組(Q)裸露基巖面的模型，采場中部為一道南北向沖溝，溝寬約800 m，覆蓋層最厚達144 m。

圖1 三維地質模型

以標準剖面為基礎建立應變模型，對其施加位移邊界條件。X方向位移受左右邊界約束，允許Y、Z方向位移；Y方向位移受前后邊界約束，允許X和Z方向位移；對底部邊界進行固定，模型頂部表面自由。

圖2 基巖面形態(tài)模型

采用彈塑性本構模型，計算采用的指標為巖土體強度與變形參數，根據計算結果，并結合地質經驗，具體取值見表1。原巖初始應力場按巖體自重計算。

表1 巖土體物理力學參數指標

3 數值模擬分析

模型按照開采邊界自1 632 m開采，設定體系最大不平衡力與典型內力比值下限為1×10-5，小于此值認為系統達到近似平衡。為便于分析，分別在X及Y方向切出典型剖面。針對不同采深條件下各剖面分別進行位移場、應力場、速度矢量規(guī)律分析，研究邊坡巖土體的力學響應特性及可能的變形及破壞機理。

3.1 位移場規(guī)律分析

采深為1 212 m時邊坡整體位移見圖3。可以看出，邊坡位移量逐漸加大，邊坡整體位移量最大值為196 mm，發(fā)生在開采至1 212 m時中間南幫土體尖端部分，北幫土體出露部分位移值也較大，最大值為170 mm。邊坡位移量自上而下、自外向內逐漸減小，位移值較大部分均發(fā)生在第四系巖組中。西采場開采深度為384 m，東采場開采深度為420 m，開采終了位移量表現為西采場位移量較小，東采場較大。

圖3 采深為1 212 m時邊坡總位移

隨著開采深度的增加，位移逐漸向巖體內部發(fā)展。第四系巖組邊坡位移量逐漸增加，開采至1 440 m 時位移量接近最大值196 mm；巖質邊坡從出露開始至開采結束，位移量呈增長趨勢，直至開采終了達到最大，表明第四系巖組邊坡發(fā)生移動速度大于巖質邊坡，巖質邊坡出露后達到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間更長。

邊坡坡形凸向采場部位位移量大于兩側凹陷部分，表明側向約束對邊坡總位移有利。

開采完畢后X方向位移見圖4，圖中顯示雙肩坡自中間一分為二，東側坡體向東運動，西側坡體向西運動，呈對稱狀態(tài)。開采完畢后Y方向位移見圖5，可知，南側坡體向北運動，北側坡體向南運動。開采完畢后X方向最大位移值為45 mm，Y方向最大位移值為90 mm，均不及整體邊坡位移最大值的一半，說明邊坡以自重應力下的壓縮沉降為主。

圖4 開采至1 212 m時X方向位移

圖5 開采至1 212 m時Y方向位移

3.2 應力場規(guī)律分析

采深為1212m時邊坡總應力見圖6?？梢钥闯?，應力值均為負值，表明邊坡開挖卸荷并未出現明顯的拉應力區(qū)，基本上以壓應力為主，即邊坡若發(fā)生破壞，則以壓-剪破壞模式為主。豎向應力數值自上而下逐漸增大，表明邊坡中自重應力為最大應力。

圖6 開采至1 212 m時邊坡總應力

各部分巖組豎向應力等值線平滑，近似平行；斷層上盤附近應力明顯大于周圍巖層，表明斷層上盤在運動中于斷層交匯處產生應力集中；斷層豎向應力發(fā)生突變，應力值變小，表明破碎的斷層在開采過程中吸收了一部分應變能。

開采完畢后X、Y方向應力見圖7、圖8?？芍谒南祹r組(Q)部分X、Y方向應力值明顯小于下方巖組，表明第四系巖組(Q)因開挖卸荷而產生的回彈效應明顯。X方向應力最大值為-11 MPa，Y方向應力最大值為-12 MPa，約為豎向應力最大值的1/3。

圖7 開采至1 212 m時X方向應力

圖8 開采至1 212 m時Y方向應力

3.3 速度矢量分析

開采終了各剖面速度矢量分布見圖9?？芍?，北側邊坡速度矢量明顯大于南側邊坡，第四系巖組(Q)速度矢量表現較為明顯。1 392 m平臺巖質邊坡速度矢量表現為沿斷層的折線向1 392 m平臺坡腳圓弧型剪出逐漸轉變；1 392 m平臺以下坡面速度矢量指向采坑方向，與深部巖體速度矢量形成圓弧狀，表明1 392 m以下深部邊坡以圓弧型破壞為主。

圖9 開挖至1 212 m時X方向各剖面速度矢量分布

4 結 論

(1)邊坡主要的變形為巖體在自重應力下的壓縮沉降，邊坡整體位移量最大值為196 mm，位移量自上而下逐漸減??；水平位移坡面最大，向深部逐漸減小。

(2)邊坡應力值均為負值，表明邊坡開挖卸荷并未出現明顯的拉應力區(qū)，基本以壓應力為主，即邊坡若發(fā)生破壞，則以壓-剪破壞模式為主。斷層上盤產生了應力集中，斷層吸收了一部分應變能，導致應力等值線在斷層附近發(fā)生突變。

(3)第四系巖組(Q)破壞模式為圓弧型破壞；南側巖質邊坡以順坡向的淺層圓弧型破壞為主；北側巖質邊坡破壞模式分為2種，1 392 m平臺上部臺階為折線-圓弧型破壞，1 392 m以下臺階以深層圓弧型破壞為主。

(4)雙路塹破壞模式為兩側雙圓弧型破壞，巖質雙肩坡應力條件優(yōu)于土質雙肩坡；北側邊坡速度矢量明顯大于南側邊坡。

(5)計算結果是以Mohr-Coulomb屈服準則為依據，該準則表示材料若受到屈服即破壞，事實上在屈服狀態(tài)下并不意味著破壞，它在一定程度上仍然可以在硬化狀態(tài)下繼續(xù)工作，因而邊坡實際的穩(wěn)定性狀態(tài)要比計算結果的還要好一些。