張劍（遼寧有色勘察研究院，遼寧　沈陽(yáng)　110013）

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基于ANSYS 的露天礦坑巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定分析

張劍
（遼寧有色勘察研究院，遼寧沈陽(yáng)110013）

摘要：介紹了某露天礦坑巖質(zhì)高邊坡的地形地貌及巖石特性，闡述了滑坡體的變形特征及原因，采用ANSYS有限元軟件對(duì)該巖質(zhì)高邊坡進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分析了邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)研究同地質(zhì)條件邊坡的穩(wěn)定性具有一定意義。

關(guān)鍵詞：巖質(zhì)高邊坡，三維數(shù)值模擬，穩(wěn)定性

0　引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展極大的刺激了自然資源的開(kāi)發(fā)與利用，由此形成的人工開(kāi)采邊坡給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了重大安全隱患，對(duì)邊坡的治理勢(shì)在必行。由于開(kāi)采邊坡的巖體性質(zhì)、地下水、地質(zhì)構(gòu)造作用、人類采礦活動(dòng)等原因誘發(fā)的邊坡失穩(wěn)所造成的地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重危及周邊環(huán)境安全，甚至導(dǎo)致人員傷亡及巨大的經(jīng)濟(jì)損失；且這種危險(xiǎn)性貫穿于露天礦的開(kāi)采，甚至在閉坑后尤為突出。所以，在露天礦開(kāi)采及閉坑之后都對(duì)露天礦坑巖質(zhì)高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，從而避免災(zāi)害的發(fā)生顯得尤為必要。

本文基于ANSYS軟件對(duì)某露天礦坑巖質(zhì)高邊坡進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，通過(guò)分析確定某露天礦坑巖質(zhì)高邊坡的基本穩(wěn)定性，為此邊坡的后續(xù)治理提供了依據(jù)，同時(shí)對(duì)同地質(zhì)條件下露天礦坑巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性分析提供參考。

1　邊坡概況

此露天礦坑巖質(zhì)高邊坡局部高度達(dá)280 m以上，目前是一個(gè)由臺(tái)階組成的，坡角25°～39°的露天開(kāi)采邊坡。此露天礦坑巖質(zhì)高邊坡滑坡危險(xiǎn)性大。該區(qū)地層可分成三個(gè)工程地質(zhì)巖組，即：1）砂質(zhì)頁(yè)巖—砂巖—夾薄煤層（或炭質(zhì)頁(yè)巖）巖組；2）煤層—粗砂巖—礫巖互層巖組；3）斷層破碎帶巖組。

1972年以來(lái)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，此礦坑總共發(fā)生滑坡90次，現(xiàn)有不穩(wěn)定區(qū)面積400萬(wàn)m2，局部滑坡隨時(shí)可能發(fā)生。

2　滑坡體主要變形特征

此露天礦坑巖質(zhì)高邊坡巖體具有典型的沉積巖系邊坡特點(diǎn)，巖層傾向與邊坡傾向一致，即為順傾的層狀巖體。構(gòu)成露天礦坑巖質(zhì)高邊坡的主要巖層為：砂質(zhì)頁(yè)巖、砂巖、頁(yè)巖、薄煤層及炭質(zhì)頁(yè)巖，邊坡傾角與巖體傾角基本一致，邊坡巖體內(nèi)賦存若干個(gè)與邊坡傾向一致的弱層，弱層的主要成分為頁(yè)巖及炭質(zhì)頁(yè)巖。

3　模型建立及參數(shù)選取

3.1數(shù)值模型建立

根據(jù)此邊坡的變形破壞機(jī)制，其巖體在空間上分布具有較顯著的不均一性。基于ANSYS軟件，建立三維數(shù)值模型模擬邊坡的穩(wěn)定特征，更符合實(shí)際情況。模型尺寸：高度350 m；寬度為500 m；長(zhǎng)度為500 m。巖體單元取為八節(jié)點(diǎn)六面體等參實(shí)體元，采用理想彈塑性本構(gòu)模型及Drucker—Prager屈服準(zhǔn)則。具體劃分情況如圖1所示。

3.2數(shù)值模型參數(shù)選取

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告以及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范等資料，選取計(jì)算參數(shù)如表1所示。

圖1　三維模型網(wǎng)格圖

表1　巖土物理力學(xué)參數(shù)表

4　基于ANSYS的三維數(shù)值模擬

由圖2和圖3可知，利用ANSYS三維數(shù)值模擬分析的計(jì)算結(jié)果表明，變形最大主要集中在標(biāo)高0 m～150 m區(qū)域，現(xiàn)狀此巖質(zhì)高邊坡坡腳位移大，不能保證安全要求，須進(jìn)行治理。

圖2　X方向位移云圖

圖3　Y方向位移云圖

5　結(jié)論及展望

5.1結(jié)論

由于開(kāi)采礦坑巖質(zhì)高邊坡巖體在空間上分布具有較顯著的不均一性，采用三維模型來(lái)模擬邊坡的變形特征，更符合實(shí)際情況。

有限元軟件ANSYS考慮了巖體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，求出每一單元的應(yīng)力與變形，反映了巖體真實(shí)狀態(tài)。

三維數(shù)值模擬分析的計(jì)算結(jié)果圖形顯示清楚，物理意義明確，對(duì)邊坡支護(hù)具有指導(dǎo)意義，本次結(jié)果表明，現(xiàn)狀邊坡坡腳位移大，難以保證要求，須進(jìn)行治理。

5.2展望

由于現(xiàn)狀邊坡坡腳位移大，建議該邊坡進(jìn)行削坡和回填相結(jié)合的治理方法。

本文采用的是靜態(tài)的穩(wěn)定性分析，而實(shí)際工程中，常常會(huì)涉及到動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定問(wèn)題，所以需要進(jìn)一步深入分析研究動(dòng)態(tài)方面的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉玲，趙中夏，程智.巖質(zhì)高邊坡預(yù)應(yīng)力錨固的幾個(gè)問(wèn)題［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，2004（3）：4-5.

［2］鄭穎人.巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)制有限元數(shù)值模擬分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22（12）：1943-1952.

［3］涂兵雄，劉春曉，李紅燕.邊坡穩(wěn)定分析方法討論［J］.山西建筑，2008，34（1）：92-93.

The stability analysis on open-air mine rock high slope based on ANSYS

Zhang Jian
（Liaoning Non-ferrous Exploration Institute，Shenyang 110013，China）

Abstract：This paper introduced the topography and rock characteristics of a open-air mine rock high slope，elaborated the deformation characteristics and reasons of landslide，using ANSYS finite element software made three-dimensional numerical simulation to the rock high slope，analyzed the slope stability，had great significance to research the geological conditions of slope stability.

Key words：rock high slope，three-dimensional numerical simulation，stability

中圖分類號(hào)：TU413.62

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-6825（2016）06-0072-02

收稿日期：2015-12-15

作者簡(jiǎn)介：張劍（1984-），男，工程師