梁東強(qiáng)，韋文蓬，覃金字，黃忠耀

(中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司 大新錳礦分公司，廣西 崇左 532315)

0 前 言

當(dāng)邊坡角增大時(shí)，剝離成本會(huì)顯著節(jié)省，但是滑坡事故發(fā)生概率會(huì)大大增加，提高了邊坡加固和處理費(fèi)用。開(kāi)挖過(guò)程中邊坡角太小的話(huà)，不會(huì)發(fā)生滑坡事件，但生產(chǎn)成本巨大。邊坡穩(wěn)定性分析可以判定邊坡的穩(wěn)定性，或者剝離過(guò)程中基巖和土壤對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。這不影響支護(hù)方式，還為科學(xué)支護(hù)提供了理論依據(jù)。

目前，有兩種方法主要用于邊坡穩(wěn)定性分析，即極限平衡分析和數(shù)值分析法?；谶吔缙胶饫碚撨吔缙胶夥治?，結(jié)合結(jié)構(gòu)面的控制效果，將邊坡劃分為多個(gè)塊體，并創(chuàng)建邊坡平衡方程來(lái)獲得邊坡的穩(wěn)定性[1]。然而，用極限平衡方法的前提是假設(shè)邊坡存在滑動(dòng)面，同時(shí)還需要忽略土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，不能定量的獲得巖土體和支護(hù)單元的位移。隨著計(jì)算機(jī)軟件和硬件的不斷發(fā)展[2]，科研和工程界在邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，開(kāi)始逐步使用數(shù)值模擬的方法。

基于美國(guó)ITASCA開(kāi)發(fā)的有限差分法連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析軟件FLAC3D可用于模擬巖土體達(dá)到強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度時(shí)，其破壞形式和應(yīng)力變形等。操作方便，計(jì)算快捷。當(dāng)邊坡破壞機(jī)制復(fù)雜或邊坡分析需要考慮應(yīng)力和變形時(shí)，結(jié)合數(shù)值模擬能夠非常準(zhǔn)確地進(jìn)行模擬材料的流動(dòng)和塑性破壞，在解決巖土工程問(wèn)題上有很大的優(yōu)越性[3]。

本文以大新錳礦工業(yè)場(chǎng)地邊坡為研究對(duì)象，分析了初始設(shè)計(jì)在施工階段出現(xiàn)的問(wèn)題，并提出改進(jìn)方案。本文采用FLAC3D中的強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡開(kāi)挖的改進(jìn)方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析邊坡中的最大拉壓應(yīng)力，上鼓下沉位移及邊坡的安全系數(shù)，討論了邊坡的變形機(jī)制，綜合評(píng)判邊坡的整體穩(wěn)定性情況，為施工提供指導(dǎo)和建議的作用。

1 工程概況

廣西大新錳礦為滿(mǎn)足擴(kuò)大產(chǎn)能的需要，進(jìn)行產(chǎn)能擴(kuò)能改造工程，根據(jù)擴(kuò)能設(shè)計(jì)方案，需在北部礦段擴(kuò)建一條串車(chē)提升井，串車(chē)井走向?yàn)槌?，傾角27(°)。為降低井筒掘進(jìn)距離，選擇地勢(shì)較為低洼的山溝作為井口位置，礦體北部礦段地表均為丘陵，為滿(mǎn)足地表工業(yè)場(chǎng)地需求，需將井口對(duì)面邊坡進(jìn)行降坡處理拓寬地表工業(yè)場(chǎng)地；山溝南側(cè)為直立山崖硬質(zhì)巖，其巖石強(qiáng)度達(dá)11～14 MPa，滿(mǎn)足井口建設(shè)地質(zhì)條件，其山溝北側(cè)為土質(zhì)、風(fēng)化巖丘陵坡，土方開(kāi)挖單價(jià)成本低，工藝簡(jiǎn)單，工程難度小。

根據(jù)設(shè)計(jì)總圖提供的場(chǎng)地布置圖，本公司初步設(shè)計(jì)邊坡開(kāi)挖方案，其開(kāi)挖工程位置如圖1b所示，自水平+469 m標(biāo)高處開(kāi)始降坡，坡底水平標(biāo)高為+420 m，降坡高度49 m，土方開(kāi)挖量6萬(wàn)t。在降坡過(guò)程中，由于地質(zhì)條件的變化，邊坡部分區(qū)域砂土層變化大，其覆蓋厚度超過(guò)工程前期探明數(shù)據(jù)值，另外施工期正值雨季，經(jīng)過(guò)雨水沖刷，施工至+450 m水平標(biāo)高位置時(shí)，邊坡頂部分區(qū)域出現(xiàn)開(kāi)裂、小面積滑坡等情況，如圖2所示。鑒于該邊坡開(kāi)挖為了拓寬地表工業(yè)場(chǎng)地，已經(jīng)出現(xiàn)的邊坡開(kāi)裂及滑坡等情況，對(duì)工業(yè)場(chǎng)地的正常使用帶來(lái)較大安全隱患，該方案需重新設(shè)計(jì)。

(a)設(shè)計(jì)修改后開(kāi)挖部分示意；(b)設(shè)計(jì)修改前開(kāi)挖部分示意

圖2 邊坡范圍及初始設(shè)計(jì)施工時(shí)裂縫

邊坡開(kāi)挖方案經(jīng)修改，重新開(kāi)挖，本次開(kāi)挖工程位置如圖1a所示。土方開(kāi)挖量30萬(wàn)t。(新的設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖3)。

為論證本次開(kāi)挖方案合理性及開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性，采用Flac3D軟件構(gòu)建邊坡本構(gòu)模型，通過(guò)強(qiáng)度折減法對(duì)改進(jìn)方案的邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,分析邊坡的應(yīng)力分布、位移和安全系數(shù)，綜合評(píng)判邊坡的整體穩(wěn)定性情況，判斷邊坡開(kāi)挖方案合理性。

2 大新錳礦2號(hào)串車(chē)邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 強(qiáng)度折減法

對(duì)強(qiáng)度折減法而言，邊坡安全系數(shù)的定義是通過(guò)不斷折減巖土體的抗剪強(qiáng)度，當(dāng)邊坡到達(dá)臨界破壞狀態(tài)時(shí)，折減的大小即定義為邊坡安全系數(shù)：巖土體的實(shí)驗(yàn)抗剪強(qiáng)度與折減后抗剪強(qiáng)度的比值[4]。邊坡安全系數(shù)一般采用強(qiáng)度折減法來(lái)計(jì)算，原理是通過(guò)逐步減小邊坡巖土體的抗剪強(qiáng)度來(lái)逐漸逼近邊坡的極限平衡狀態(tài)，安全系數(shù)F一般采取如下的方程來(lái)定義：

式中φtrial—— 折減后的黏聚力；

φtrial——折減后的內(nèi)摩擦角；

Ftrial——折減系數(shù)。

通過(guò)數(shù)值模擬，不斷折減巖土體中的黏聚力及內(nèi)摩擦角，循環(huán)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算，直至邊坡到達(dá)臨界破壞狀態(tài)，所得的折減系數(shù)即為邊坡安全系數(shù)。在FLAC3D 5.0中，可以執(zhí)行SOLVEfos命令，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性循環(huán)數(shù)值計(jì)算的強(qiáng)度折減流程，進(jìn)而獲得邊坡安全系數(shù)[5]。

2.2 建立邊坡三維數(shù)值計(jì)算模型

模擬邊坡的地質(zhì)剖面建立了邊坡的三維數(shù)值計(jì)算模型，如圖4所示。模型的x、y、z軸分別為邊坡的水平滑動(dòng)方向，邊坡的寬度方向，邊坡的高度方向，3個(gè)方向的尺寸為330 m×250 m×230 m，模型包含243 781個(gè)單元，共計(jì)49 465個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)模型中所有節(jié)點(diǎn)的 y方向速度進(jìn)行約束，左右側(cè)面邊界進(jìn)行單向水平約束，模型底部采用固定約束。模型只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)，初始應(yīng)力平衡后清零各方向的位移和速度，然后對(duì)邊坡的巖土體賦力學(xué)參數(shù)，最后通過(guò)不斷地折減巖土體的力學(xué)參數(shù)，求解出邊坡的安全系數(shù)。根據(jù)礦山工程勘察結(jié)果，邊坡滑動(dòng)面在地下水位以上，故取天然狀態(tài)下巖土體的強(qiáng)度。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

邊坡體巖性主要為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化巖石、強(qiáng)風(fēng)化巖石和微風(fēng)化巖石4種。根據(jù)礦山開(kāi)展的巖土力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過(guò)折減以及參照類(lèi)似礦山參數(shù)確定邊坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

FLAC3D數(shù)值模擬最大不平衡力收斂曲線(xiàn)計(jì)算結(jié)果如圖5。對(duì)于邊坡的三維數(shù)值計(jì)算模型而言，不同的邊坡剖面圖中的應(yīng)力和位移分布特征會(huì)隨著位置的不同以及邊坡表面上的土質(zhì)覆蓋面積的差別而有不同，故在邊坡的穩(wěn)定性分析中，應(yīng)該首先采用三維數(shù)值計(jì)算模型，同時(shí)合理的選擇多個(gè)剖面來(lái)進(jìn)行分析，以確保邊坡位移和應(yīng)力分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，真實(shí)的反映出邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)。從圖5可以看出：邊坡模型內(nèi)的最大不平衡力隨著計(jì)算時(shí)步的增加而逐漸趨近于0，說(shuō)明模型的內(nèi)力達(dá)到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，這是后續(xù)開(kāi)挖模擬的基礎(chǔ)。

圖5 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果和最大不平衡力平衡過(guò)程

2.3.1 應(yīng)力結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)邊坡天然狀態(tài)下數(shù)值模擬計(jì)算，得出了邊坡x方向與z方向的應(yīng)力云圖，分別如圖6和圖7所示。

圖6 X方向應(yīng)力分布云圖

由圖6可以看出：x方向邊坡坡面上的最大應(yīng)力是37.35 kPa，拉應(yīng)力主要集中在坡面的位置，隨深度的增加拉應(yīng)力逐漸變成壓應(yīng)力，這是由于自重應(yīng)力引起的，且x方向的壓應(yīng)力的最大位置出現(xiàn)在作業(yè)平臺(tái)的下方，這說(shuō)明對(duì)坡面需要做進(jìn)一步的處理。

圖7 Z方向應(yīng)力分布云圖

由圖7可知：z方向的最大應(yīng)力出現(xiàn)在邊坡模型左側(cè)底部位置，天然狀態(tài)下此處的應(yīng)力為4.30 MPa。兩個(gè)方向的應(yīng)力分布符合地應(yīng)力變化規(guī)律，即隨著上覆巖土層厚度的增加而變大，同時(shí)邊坡坡面也出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，最大達(dá)到11.40 kPa。

2.3.2 位移結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)邊坡天然狀態(tài)下數(shù)值模擬計(jì)算，得出了大新錳礦邊坡x和z方向的位移云圖，如圖8和圖9所示。

圖8 X方向位移分布云圖

由圖8可以看出：坡體天然狀態(tài)下水平位移量最大值為向右的3.75 cm，出現(xiàn)在邊坡中下部靠近作業(yè)平臺(tái)的位置，且水平位移由最大值處向兩邊逐漸減小，且隨深度的增加也是逐漸減小的趨勢(shì)。在施工時(shí)需要注意中下部邊坡坡面的位移。

圖9 Z移分布云圖

由圖9可以看出：天然狀態(tài)下，位移均為下沉位移，且隨深度的增加，豎直位移為減小的趨勢(shì)。豎直位移最大值出現(xiàn)在邊坡內(nèi)部，達(dá)到4.22 cm，這說(shuō)明邊坡內(nèi)部的不穩(wěn)定的出現(xiàn)，可能會(huì)因?yàn)橄鲁廖灰戚^大而導(dǎo)致地面下沉的情況。坡面處的位移基本相同達(dá)到2 cm。但在坡腳位置的位移反而更小，達(dá)到0.75 cm，這表明邊坡坡面沒(méi)有大規(guī)模的下滑，否則會(huì)出現(xiàn)坡腳處因?yàn)檫吰孪禄至?dǎo)致坡腳位移向上的情況發(fā)生。

2.3.3 剪應(yīng)變?cè)隽颗c速度矢量分析

通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件，繪天然狀態(tài)下剪應(yīng)變?cè)隽颗c速度矢量圖，如圖10和圖11所示。

圖10 邊坡剪應(yīng)變?cè)隽?/p>

從圖10可知：邊坡上表面下的灰色塑性貫通區(qū)域內(nèi)的各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)速度與其外側(cè)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)速度差別不大，這表明由于塑性變形引起的邊坡滑動(dòng)的可能性不大。但邊坡上覆的全風(fēng)化巖石中網(wǎng)格各節(jié)點(diǎn)的速度(淺灰色部分)，明顯要大于邊坡下部巖石內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的速度(黑色區(qū)域)，且差值比較大，這表明綠色部分的坡面與邊坡下部的巖石之間發(fā)生了相對(duì)位移，即邊坡坡面整體與下部巖體的錯(cuò)動(dòng)，邊坡出現(xiàn)了一定的失穩(wěn)破壞。

由邊坡速度矢量圖圖11可以看出：滑動(dòng)的方向?yàn)檠仄旅嫦蛳禄瑒?dòng)。

2.3.4 塑性區(qū)和安全系數(shù)分析

通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件，繪天然狀態(tài)下邊坡塑性區(qū)和安全系數(shù)圖(如圖12所示)。

圖12 邊坡塑性區(qū)分布和安全系數(shù)

由圖12可知：在邊坡的坡面位置已經(jīng)出現(xiàn)大面積的剪切破壞區(qū)域，因?yàn)榈乇淼纳巴?、土體的黏聚性較差，因而在邊坡開(kāi)挖后容易發(fā)生剪切破壞，特別是在下過(guò)雨，邊坡處于飽和狀態(tài)下是最危險(xiǎn)的狀態(tài)。

基于有限差分法的 FLAC3D 軟件求出的安全系數(shù)為 1.28，滿(mǎn)足GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中對(duì)安全狀態(tài)的二級(jí)邊坡安全系數(shù)為1.25的要求[6]，因此新的設(shè)計(jì)方案所設(shè)計(jì)的邊坡符合技術(shù)規(guī)范的要求，是穩(wěn)定的邊坡。目前工程已經(jīng)進(jìn)入到尾聲，從目前施工情況看，邊坡的穩(wěn)定性良好。但因邊坡為土質(zhì)邊坡，坡面黃土裸露，沒(méi)有植被覆蓋，在雷雨天時(shí)的流水會(huì)沖刷坡面造成水土流失，故邊坡上應(yīng)設(shè)計(jì)有專(zhuān)門(mén)的排水系統(tǒng)，并植樹(shù)防治水土流失，最好是在工程完工后及時(shí)加固邊坡。

3 結(jié) 論

本文在分析大新錳礦工業(yè)場(chǎng)地邊坡施工情況的基礎(chǔ)上，提出新的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)強(qiáng)度折減法的FLAC3D數(shù)值模擬的方法，分析了邊坡的穩(wěn)定性，主要得出如下結(jié)論。

1)通過(guò)數(shù)值模擬分析得出：新的設(shè)計(jì)方案中坡面與邊坡結(jié)合的地方發(fā)生了位移變化，即邊坡發(fā)生了滑動(dòng)和邊坡坡面整體與下部巖體的錯(cuò)動(dòng)，邊坡出現(xiàn)了一定的失穩(wěn)破壞，滑動(dòng)的方向?yàn)檠仄旅嫦蛳禄瑒?dòng)，在施工時(shí)需要對(duì)表面的風(fēng)化巖層做一定的處理。

2)基于有限差分法的 FLAC3D 軟件求出的安全系數(shù)為 1.28，符合二級(jí)邊坡的安全系數(shù)1.25的要求，因此新的設(shè)計(jì)方案所設(shè)計(jì)的邊坡符合技術(shù)規(guī)范的要求，是穩(wěn)定的邊坡。

根據(jù)構(gòu)建巖土體的本構(gòu)模型，將設(shè)計(jì)方案中變量參數(shù)代入計(jì)算，得出計(jì)算結(jié)果可知：當(dāng)開(kāi)挖方案為砂土臺(tái)階坡面角為38(°)、巖質(zhì)臺(tái)階坡面角50(°)、清掃平臺(tái)8 m、安全平臺(tái)5 m、最終邊坡角41(°)、并段臺(tái)階高度96 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.28，該方案安全系數(shù)大于且最為接近瑞典條分法中露天邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)值1.25。修改的設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)內(nèi)容符合安全要求，形成的邊坡穩(wěn)定性符合安全要求。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：當(dāng)砂土臺(tái)階坡面角取36(°)、巖質(zhì)臺(tái)階坡面角取50(°)時(shí)，其安全系數(shù)為1.35，大于瑞典分條法中安全系數(shù)值1.25。根據(jù)工程量進(jìn)行計(jì)算，該方案將增加3萬(wàn)t土方量。根據(jù)方案安全可靠性及經(jīng)濟(jì)合理性，最終選擇砂土臺(tái)階坡面角為38(°)、巖質(zhì)臺(tái)階坡面角50(°)為推薦方案。