基于GeoStudio的露天礦邊坡穩定性影響特征研究

席 偉，張詔飛

(廊坊市中鐵物探勘察有限公司， 河北 廊坊 065000)

露天礦開采過程中，邊坡的穩定狀態直接決定礦區生產效率。在實際工程中，因為露天采場邊坡失穩造成人員和經濟損失是非常慘重的。因此對邊坡穩定性的分析判斷是重要的研究課題。

目前，針對露天礦邊坡穩定性的研究，除了傳統的極限平衡方法，眾多專家學者將數值模擬分析方法運用到邊坡穩定性評價和礦區生產領域[1-4]. 何保等[5]以大連某邊坡為例，基于GeoStudio軟件分析其穩定性，并提出支護方案。盧茜等[6]基于GeoStudio軟件分析模擬土質邊坡壩體的安全系數和臨界滑動面，確保工程的安全。胡海等[7]基于GeoStudio軟件分析某露天礦排土場邊坡穩定性，為減少安全事故提供技術支持。劉淵釗等[8]以銅仁市某滑坡為例，采用GeoStudio軟件計算邊坡在降雨工況下的安全系數，分析了其在不同降雨條件下的穩定性。趙宇宸[9]以甘肅西和某滑坡為研究對象，利用GeoStudio軟件對目標滑坡在天然狀態下和地震作用下的穩定性進行建模分析計算。張紅良[10]采用GeoStudio軟件建立某尾礦庫的模型，計算分析了該尾礦庫校核水位、設計水位兩種工況條件下的穩定性。

上述研究表明，采用數值模擬研究邊坡穩定性，是一種簡便高效的分析方法，GeoStudio軟件被廣泛運用到滑坡穩定研究和各項礦區生產建設中。

1 工程概況

1.1 礦區地層

剛果(金)某銅鈷礦出露地層主要為第四系、新近系及羅安群地層。

第四系、新近系在近地表廣泛發育，厚度一般5～8 m，主要是腐殖層、泥沙質及殘坡積物。

羅安群是本區的主要地層，是一套淺海相的細碎屑巖和化學巖，層厚>500 m，原巖為白云巖、頁巖、黏土巖、砂巖等，主要分為R1組、R2和R3組地層。上部巖層(RGS、CMN、部分SDS、BOMZ)常受構造作用較為松散破碎呈沙狀、次棱角、渾圓狀角礫狀，中下部巖層(部分SDS、BOMZ以及大部分SDB、RSC、RSF、RAT)較為完整。羅安群礦山組地層柱狀圖見圖1.

圖1 某礦區羅安群礦山組地層柱狀圖

1.2 剖面設置

露天采場邊坡工程勘察成果資料表明，采場邊坡現狀處于穩定狀態。隨著采場范圍、深度的增加，采場邊坡逐漸變化，最終達到設計境界邊坡。在設計境界邊坡布置5條具有代表性地質剖面，分別為DE-1剖面、DE-2剖面、MN-1剖面、MN-2剖面、DS-P剖面；采用GeoStudio軟件建立設計境界邊坡的地質模型，研究分析設計境界邊坡的穩定性。各剖面位置見圖2.

圖2 設計境界邊坡剖面位置圖

1.3 巖體結構類型

受剖面邊坡巖層特性及結構構造的影響，將每個巖組分為3個亞巖組，即：-1為散體狀結構體亞巖組,-2為碎裂狀結構體亞巖組,-3為層狀、塊狀結構體亞巖組，見圖3.

圖3 巖體結構圖

1.4 剖面參數

根據采場邊坡工程地質勘察成果，設計境界邊坡巖層參數見表1，巖組物理力學參數見表2.

表1 剖面巖層參數表

表2 剖面巖組的物理力學性質參數表

根據《礦區水文地質工程地質勘查規范》[11]，研究區域內影響剖面邊坡穩定性主要為Ⅲ級結構面，表現為散體結構巖組，其受層間斷裂和地下水浸蝕作用的雙重影響，膠結結構被破壞，呈現出散沙狀態，力學強度低，發育厚度約10 m. 根據勘察鉆孔、采場外圍疏干井和采坑底水位綜合形成水頭計算邊界。

2 數值模擬

2.1 安全系數和極限平衡方法的選取

通過參考國內外礦山邊坡的安全系數，結合露天采場邊坡實際情況，綜合確定在天然狀態自重+地下水工況下，設計許用安全系數[K]是1.15.若剖面計算所得的安全系數：K>[K]時屬邊坡穩定；1

一般情況下，穩定邊坡：邊坡不會發生明顯的變形，對邊坡失穩無不利影響?；痉€定邊坡：邊坡目前處于穩定狀態，但近期可能發生明顯變形造成小規模的塌滑等地質災害。不穩定邊坡：邊界條件不利，邊坡已處于不穩定狀態，必須進行處理才能達到穩定狀態。

因剖面巖體存在第四系殘坡積物、三組及以上軟弱結構面、碎裂結構巖體等，則綜合判定邊坡潛在滑坡模式為圓弧形。依據《非煤露天礦邊坡工程技術規范》[12]，“碎裂邊坡﹑散體介質邊坡，當破壞模式為圓弧破壞時，宜采用簡化Bishop 法和M-P進行穩定性計算”。

2.2 Geo-SLOPE/W模擬計算

通過Geo-SLOPE /W 模塊進行極限平衡分析，首先根據露天采場邊坡工程勘察成果，建立設計境界剖面的2 D模型，將模型導入SLOPE /W 模塊中，形成模擬邊界范圍。采用Fix約束模型水平方向和底部位移，模型頂部為自由邊界不受約束，研究天然工況(自重+地下水)下剖面最終境界邊坡的穩定性。模塊的可視圖形化界面可以清晰地看到最危險滑動面、滑動中心位置和相應的安全系數，計算邊坡穩定系數的效率高。

2.3 剖面穩定性分析

1) DE-1剖面。

該剖面位于采場東北部，現狀邊坡高度155 m. 隨著邊坡開采境界逐漸向北擴展，最終在剖面北段(1 290～1 425 m)形成坡面角50°左右、總邊坡角27°的緩坡，南段1 290 m以下為寬大臺階的設計境界邊坡，模型見圖4.

圖4 DE-1剖面設計境界邊坡模型圖

在自重+地下水工況下，DE-1剖面設計境界邊坡穩定性計算結果見表3，圖5. 結果顯示：剖面整體安全系數大于設計許用安全系數，剖面上部巖體安全系數小于設計許用安全系數。表明DE-1剖面設計境界邊坡整體處于穩定狀態，但上部巖體的極軟巖組RGS和散體結構巖組CMN2是影響邊坡穩定的主要因素，邊坡巖體在自重、地下水作用下，上部的極軟巖體易發生變形，可能沿以上巖組的接觸面剪出，潛在破壞模式為沿軟弱結構面的圓弧型滑動。

圖5 DE-1剖面設計境界邊坡穩定性計算圖

表3 DE-1設計境界邊坡穩定性計算表

2) DE-2剖面。

該剖面位于采場西北部，現狀邊坡高度205 m. 隨著邊坡開采境界逐漸向北擴展，最終形成坡底標高達1 155 m，邊坡總高度達到247 m，總邊坡角27°，南段1 155 m為寬大臺階的設計境界邊坡，模型見圖6.

圖6 DE-2剖面設計境界邊坡模型圖

在自重+地下水工況下，DE-2剖面設計境界邊坡穩定性計算結果見表4，圖7. 結果顯示：剖面上部、中部安全系數均大于設計許用安全系數。表明DE-2剖面設計境界邊坡整體處于穩定狀態，邊坡上部的RGS極軟巖組是影響邊坡穩定的主要因素，在自重力、水壓力的作用下，潛在破壞模式為巖層內部的圓弧型滑動。

圖7 DE-2剖面設計境界邊坡穩定性計算圖

表4 DE-2設計境界邊坡穩定性計算表

3) MN-1剖面。

該剖面位于采場東部，現狀邊坡高度156 m. 隨著邊坡采深進一步推進，最終形成坡底標高為1 260 m，邊坡總高度達到173 m，總邊坡角32°，坡底1 260 m為寬大臺階的設計境界邊坡，模型見圖8.

圖8 MN-1剖面設計境界邊坡模型圖

在自重+地下水工況下，MN-1剖面設計境界邊坡穩定性計算結果見表5，圖9. 結果顯示：剖面上部、中部安全系數均大于設計許用安全系數。表明MN-1剖面設計境界邊坡整體處于穩定狀態，坡頂的第四系及CMN2散體結構巖組是影響邊坡穩定的主要因素，在自重力、水壓力作用下，可能沿坡面擠出，潛在破壞模式為巖層內部的圓弧型滑動。

表5 MN-1設計境界邊坡穩定性計算表

圖9 MN-1剖面設計境界邊坡穩定性計算圖

4) MN-2剖面。

該剖面位于采場東北部，現狀邊坡高度93 m. 隨著開采境界向東北少量擴展，采深進一步推進，最終形成坡底標高為1 260 m，邊坡總高度為165 m，1 275 m以上總邊坡角28°，以下是寬大臺階的設計境界邊坡，模型見圖10.

圖10 MN-2剖面設計境界邊坡模型圖

在自重+地下水工況下，MN-2剖面設計境界邊坡穩定性計算結果見表6，圖11. 結果顯示：剖面上部、整體安全系數均略小于設計許用安全系數。表明MN-2剖面設計境界邊坡整體處于基本穩定狀態，但剖面上部的第四系尾砂、尾砂層下部覆蓋的極軟巖組RGS區域和散體結構巖組CMN2是影響邊坡穩定的主要因素；在自重力、水壓力的作用下，可能沿坡面擠出，潛在破壞模式為軟弱巖層內部的圓弧型滑動。

表6 MN-2設計境界邊坡穩定性計算表

圖11 MN-2剖面設計境界邊坡穩定性計算圖

5) DS-P剖面。

該剖面位于采場東南部，邊坡與南排土場連成一體。隨著采深進一步推進，最終形成坡底標高為1 140 m，邊坡總高度達336 m，總邊坡角23°的設計境界邊坡，模型見圖12.

圖12 DS-P剖面設計境界邊坡模型圖

在自重+地下水工況下，該剖面設計境界邊坡穩定性計算結果見表7，圖13. 結果顯示：剖面整體安全系數大于設計許用安全系數，剖面中部安全系數略小于設計許用安全系數。表明該剖面設計境界邊坡整體處于穩定狀態，但剖面中部的極軟巖RAT巖組在附近地表水的持續作用下，可能沿坡面擠出，發生弧形破壞，潛在破壞模式為巖層內部的圓弧-平面形滑動。

圖13 DS-P剖面設計境界邊坡穩定性計算圖

表7 DS-P設計境界邊坡穩定性計算表

3 結 論

基于GeoStudio建立露天采場設計境界邊坡模型，通過設置5個剖面對設計境界邊坡的穩定性進行了極限平衡分析。主要結論如下：

1) DE-1、DE-2、MN-1和DS-P剖面整體處于穩定狀態；MN-2剖面整體處于基本穩定狀態。

2) DE-1剖面上部和DS-P剖面中部處于基本穩定狀態；MN-2剖面上部處于不穩定狀態。表明剖面上中部存在的第四系尾礦砂、極軟巖RGS、RAT組和散體結構CMN2巖組是潛在滑坡體影響邊坡穩定的主要因素，潛在破壞模式為圓弧形-平面形破壞。

3) MN-2剖面上部巖體極易發生塑性變形并相互貫通造成滑坡，滑坡體推移至剖面中下部完整巖體寬大臺階形成穩定平衡狀態，滑坡規模有限不會造成邊坡整體失穩。MN-2剖面上部巖體是后續礦區采場境界優化、邊坡滑坡地質災害防治重點區域。