陳 碩侯克鵬孫華芬袁明禮夏 輝李琪琪

（1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院；2.云南省中-德藍(lán)色礦山與特殊地下空間開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

我國(guó)社會(huì)發(fā)展進(jìn)入了新時(shí)代，礦產(chǎn)資源結(jié)構(gòu)逐漸優(yōu)化，越來越多的邊坡出現(xiàn)在工程建設(shè)中，邊坡失穩(wěn)、滑坡等問題時(shí)有發(fā)生。露天礦山的生產(chǎn)直接影響著邊坡的穩(wěn)定性，一旦發(fā)生事故，可能造成嚴(yán)重的人員財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)邊坡事先進(jìn)行分析預(yù)測(cè)是目前最為安全可靠的方法，可以極大減少邊坡災(zāi)害的發(fā)生。邊坡的穩(wěn)定性分析通常分為定性分析與定量分析這2 個(gè)階段［1］。常見的定性分析一般有工程類比法、地質(zhì)分析法、圖解法等。劉偉鵬等［2］使用Barton 模型計(jì)算出結(jié)構(gòu)面的物理參數(shù)，同時(shí)結(jié)合赤平投影法分析出邊坡潛在失穩(wěn)結(jié)構(gòu)面的空間組合關(guān)系，再由塊體理論確定各組合關(guān)系下塊體的穩(wěn)定系數(shù)。王喜華等［3］在赤平投影法的基礎(chǔ)上，使用空間向量構(gòu)建了結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)方程，并結(jié)合工程實(shí)際對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。工程中常用到的定量分析有極限平衡條分法、數(shù)值分析法等［4］。馬學(xué)寧等［5］設(shè)計(jì)了多因素水平下的正交試驗(yàn)，分別求解了各組試驗(yàn)中基于瑞典條分法、簡(jiǎn)化Bishop法、Janbu法以及強(qiáng)度折減法的邊坡安全系數(shù)。朱曉珍等［6］在運(yùn)用流—固耦合數(shù)值分析法，同時(shí)采用修正后的Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，在ABAQUS 平臺(tái)上對(duì)降雨入滲巖體軟化后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。駱波等［7］基于離散元軟件UDEC 運(yùn)用不連續(xù)體理論，構(gòu)建數(shù)值模擬分析模型，以研究軟硬互層邊坡傾倒影響因素和成因機(jī)制。李耀楠等［8］使用赤平投影分析確定邊坡可能發(fā)生滑移的位置，再進(jìn)行極限平衡法進(jìn)行計(jì)算，得出安全系數(shù)。鐘鑫等［9］對(duì)巖質(zhì)邊坡采用赤平投影分析穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)土質(zhì)邊坡使用理正軟件的圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，為后續(xù)施工提供了理論和數(shù)據(jù)支持。

邊坡失穩(wěn)是一種復(fù)雜的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，單一的定性或定量分析評(píng)價(jià)效果不夠全面、客觀，難以保證實(shí)際工程需求，將定量分析與定性分析在工程中有機(jī)地結(jié)合起來，使評(píng)價(jià)結(jié)果更有效，具有應(yīng)用價(jià)值。本研究以某礦山露天邊坡為例，使用定性+半定量+定量組合方式進(jìn)行穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)，先采用赤平投影法定性分析，再使用數(shù)值模擬法進(jìn)一步半定量確定破壞模式，最后基于極限平衡法計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)，綜合評(píng)價(jià)后指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 工程概況

某露天礦山地勢(shì)屬低山丘陵剝蝕地貌，地形切割較為強(qiáng)烈，整體地勢(shì)南東高、北西低，原始高程為+500.00～+580.00 m，最低處位于采場(chǎng)西北側(cè)約200 m 遠(yuǎn)的無名河谷，高程約+200.00 m，屬山坡+凹陷型露天礦，礦山采場(chǎng)南北長(zhǎng)約906 m，東西寬約384 m，原始地形坡度為14°～26°。至2021 年2 月，采場(chǎng)坡底標(biāo)高為+370.00～+380.00 m，坑口近似長(zhǎng)方形，坡頂最高臺(tái)階為+560.00 m。其東幫邊坡已開采形成15級(jí)工作平臺(tái)，每級(jí)臺(tái)階高約12 m，整體坡高為180 m，設(shè)計(jì)最終邊坡角為37°～43°。邊坡處于礦區(qū)背斜構(gòu)造的中心部位，地質(zhì)產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)大體走向SW（約39°），傾向NW（約298°），結(jié)構(gòu)傾角為18°～68°，礦山邊坡前緣地區(qū)褶皺構(gòu)造與邊坡角度呈現(xiàn)反傾狀，中部及后緣區(qū)域地質(zhì)產(chǎn)狀總體為順向坡，邊坡淺表部下伏基巖由測(cè)水組強(qiáng)風(fēng)化砂頁巖和石磴子組灰?guī)r組成。測(cè)水組強(qiáng)風(fēng)化砂頁巖為薄層或頁片狀構(gòu)造，泥質(zhì)、粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖石堅(jiān)硬程度為軟或極軟，受構(gòu)造應(yīng)力影響，局部地段受斷裂構(gòu)造擠壓，節(jié)理較發(fā)育，地層次級(jí)有褶曲，發(fā)育良好，局部地區(qū)地層結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀凌亂，巖體支離破碎，結(jié)構(gòu)疏松。巖體整體抗剪強(qiáng)度較低，遇水后軟化，同時(shí)具膨脹性。石磴子組灰?guī)r風(fēng)化程度較弱，抗剪強(qiáng)度高，巖石堅(jiān)硬程度較硬，局部巖體內(nèi)有溶洞（被黏性土、巖石碎屑填充）。選取2個(gè)代表性剖面作為研究對(duì)象（圖1、圖2），并結(jié)合露天礦山礦巖地質(zhì)情況與室內(nèi)外物理試驗(yàn)，確定數(shù)值模擬及計(jì)算過程中所需的基本物理力學(xué)參數(shù)（表1）。

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2 赤平投影法分析

2.1 方法原理

首先將目標(biāo)巖體的型心與模型的球心相重合，同時(shí)把巖體結(jié)構(gòu)面的空間幾何要素投影至赤道平面上，進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與臨空面的力學(xué)關(guān)系，可以便捷、直觀地反映出各組結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系，該方法可以進(jìn)行巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)方向、坡體破壞形態(tài)及穩(wěn)定性的初步分析評(píng)價(jià)［10-12］。

2.2 赤平投影圖分析

通過現(xiàn)場(chǎng)多處實(shí)地勘查，選取代表性優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分析，優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為（220°～230°）∠（24°～26°）和（230°～240°）∠（23°～60°）（表2、表3），采用赤平投影分析對(duì)所選取的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行定性分析。

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2.3 結(jié)果分析

圖3 為優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面赤平投影圖，優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面J1（節(jié)理1）、J2（節(jié)理2）均與坡面、巖層面出現(xiàn)小角度斜交，且傾角均小于巖層與坡面傾角，J1、J2與巖層面關(guān)系為外傾，因此易沿著該優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動(dòng)，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。巖層面與J1、J2 及J1 與J2 的交割線均與坡面大角度斜交，但是由于該處邊坡褶曲較為發(fā)育，使節(jié)理裂隙發(fā)育完全，巖體整體呈破碎狀，巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性欠佳。巖層面與J1、J2 及J1 與J2 的交割線呈現(xiàn)為楔形體，坡面與交線的傾向大致相同，易發(fā)生順層滑動(dòng)，交線傾角小于坡面傾角，在多重組合的節(jié)理切割下，可能發(fā)生局部滑坡。

3 基于FLAC3D的穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查并結(jié)合地質(zhì)勘查資料，使用FLAC3D對(duì)所選取的2 個(gè)代表性剖面進(jìn)行數(shù)值模擬分析［13-14］。首先對(duì)研究對(duì)象建立模型并生成網(wǎng)絡(luò)單元，對(duì)網(wǎng)絡(luò)單元設(shè)定邊界條件和初始條件，并對(duì)材料賦予力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行初始應(yīng)力平衡計(jì)算，完成模型的初始狀態(tài)。之后繼續(xù)建模，對(duì)初始狀態(tài)的模型施加外力開挖、爆破震動(dòng)等，打破模型的初始平衡狀態(tài)，給出約束要求，再次計(jì)算達(dá)到平衡或破壞狀態(tài)，輸出計(jì)算結(jié)果。

3.1 模型的相關(guān)參數(shù)設(shè)定

由礦體開采對(duì)周邊巖體的影響范圍，設(shè)置模型X方向長(zhǎng)度為600 m，Y方向長(zhǎng)度為400 m，為單向約束邊界，Z方向底部標(biāo)高為220 m，頂部為原始地表，模型共計(jì)246 903 個(gè)六面體單元和242 272 個(gè)節(jié)點(diǎn)。在土力學(xué)研究中，采用常見的Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則描述巖體破壞發(fā)生時(shí)的剪應(yīng)力和正應(yīng)力之間的關(guān)系，能較好地實(shí)現(xiàn)模擬效果。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

穩(wěn)定性分析計(jì)算分為工況Ⅰ（自重+正常水位）和工況Ⅱ（自重+爆破荷載+正常水位），計(jì)算結(jié)果見表4。

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由1 號(hào)剖面塑性變形計(jì)算結(jié)果（圖4、圖5）可知：開挖會(huì)導(dǎo)致邊坡處于不平衡狀態(tài)，塑性應(yīng)變區(qū)并未布滿整個(gè)剖面，僅出現(xiàn)在小范圍區(qū)域，邊坡內(nèi)部產(chǎn)生近似圓弧滑動(dòng)面。在工況Ⅰ的條件下，在452 m 平臺(tái)以下出現(xiàn)2個(gè)圓弧滑動(dòng)面，最大位移量出現(xiàn)在剖面邊坡的416～452 m 平臺(tái)。在工況Ⅱ的條件下，440 m 平臺(tái)以下出現(xiàn)了貫穿位移，最大位移量發(fā)生在邊坡的416～428 m 平臺(tái)，邊坡的安全系數(shù)沒有達(dá)到預(yù)設(shè)安全系數(shù)1.15，邊坡不會(huì)發(fā)生整體深層次的破壞，但局部可能會(huì)發(fā)生小型的滑坡。

從2 號(hào)剖面塑性變形計(jì)算結(jié)果（圖6、圖7）可以看出：塑性應(yīng)變區(qū)僅出現(xiàn)在局部區(qū)域并未貫通整個(gè)邊坡，剖面上最大位移量出現(xiàn)在臨空面附近的坡面上，坡內(nèi)滑動(dòng)面為圓弧滑動(dòng)面。在工況Ⅰ的情況下，392～452 m 平臺(tái)產(chǎn)生圓弧滑動(dòng)面，最大位移量出現(xiàn)在404～432 m 平臺(tái)的邊坡臨空面上。在工況Ⅱ的影響下，最大位移量沿坡面由392 m 平臺(tái)蔓延到416 m 平臺(tái)，邊坡的安全系數(shù)小于1.15，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可能發(fā)生多平臺(tái)貫穿滑坡，影響礦山生產(chǎn)施工。

4 極限平衡法分析

極限平衡法通常基于Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則，先假設(shè)邊坡具有內(nèi)潛在的滑動(dòng)面，并將滑動(dòng)面內(nèi)的土體分割成若干個(gè)條塊，再對(duì)各個(gè)條塊所需要承受的應(yīng)力系數(shù)建立方程，然后進(jìn)行力學(xué)平衡計(jì)算，得出極限平衡狀態(tài)下的安全系數(shù)，進(jìn)而對(duì)其邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)［15-16］。

4.1 極限平衡法計(jì)算

邊坡為巖質(zhì)邊坡，破壞面主要以圓弧滑動(dòng)面、楔形滑動(dòng)體為主，結(jié)合邊坡特征形狀，使用傳遞系數(shù)法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算［17-18］：

其中：

式中，F(xiàn)s為邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)；Wi為選取計(jì)算條塊i的質(zhì)量，kN；Ci為選取計(jì)算條塊i的黏聚力，kPa；φi為選取計(jì)算條塊i的內(nèi)摩擦角度，（°）；Li選取計(jì)算為條塊i的長(zhǎng)度，m；αi為選取計(jì)算條塊i的傾角，（°）；ψj為第i塊剩余下滑力的傳遞系數(shù)（j=i+1）；A為重力加速度，m/s2。

帶入巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算后取得結(jié)果見表5。

表 5 穩(wěn)定性定量分析計(jì)算結(jié)果計(jì)算工況剩余下滑力/kN 典型剖面1號(hào)剖面2號(hào)剖面ⅠⅡⅠⅡ穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs 1.001 0.976 0.998 0.974 1 467.36 1 810.46 2 539.11 3 027.38

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

實(shí)際工程應(yīng)用中，穩(wěn)定性安全系數(shù)一般取1.1～1.5，對(duì)于臨時(shí)邊坡，一般要求其穩(wěn)定性安全系數(shù)大于1.1，由于臺(tái)階邊坡和臨時(shí)性工作平臺(tái)的存在，允許出現(xiàn)一定程度的裂隙破壞，故本次設(shè)計(jì)安全系數(shù)選取1.15。根據(jù)表5，從滑坡體穩(wěn)定性來看，所選的2 個(gè)代表性剖面的安全系數(shù)均小于1.15，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)可以看出，2 個(gè)剖面在工況Ⅱ下的穩(wěn)定性系數(shù)均小于工況Ⅰ。

5 綜合分析

通過赤平投影法，可定性分析邊坡可能的破壞形式，巖層面與J1、J2及J1與J2的交割線呈現(xiàn)為楔形體，同時(shí)坡面與交線的傾向大致相同，易發(fā)生順層滑動(dòng)，交線傾角小于坡面傾角，在多重組合的節(jié)理切割下，可能發(fā)生局部滑坡。

圖8、圖9 為數(shù)值模擬法和極限平衡法計(jì)算所得的滑動(dòng)面及安全系數(shù)，由此可知，開挖會(huì)導(dǎo)致2 個(gè)代表性剖面均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡內(nèi)部存在潛在的滑移面。通過對(duì)比數(shù)值模擬分析與極限平衡法的計(jì)算結(jié)果，兩者得出的安全系數(shù)均小于預(yù)設(shè)值1.15，極限平衡法顯示的失穩(wěn)滑面底部深度比數(shù)值模擬得出的更深一些，但數(shù)值模擬在坡頂?shù)幕泼媪严段恢帽葮O限平衡法的位置更靠后。上述2 種方法得到的安全系數(shù)大體一致，與赤平投影分析得出的結(jié)論基本相同。3 種方法對(duì)比驗(yàn)證，提高了分析結(jié)果的可信度。

通過綜合分析顯示，邊坡整體穩(wěn)定性欠佳，局部易發(fā)生小型滑坡，后續(xù)生產(chǎn)建設(shè)需采取一定的防護(hù)治理措施。建議清除臨空坡面上可能松動(dòng)的楔形危巖體，對(duì)局部位移量大的危巖體平臺(tái)進(jìn)行放緩坡度角；采用經(jīng)濟(jì)合理的邊坡監(jiān)測(cè)措施，掌握崩塌或滑體的變形過程；控制工程爆破質(zhì)量，保證邊坡面有較好的平整度和良好的形態(tài)，有效保持其力學(xué)性能；做好坡體和平臺(tái)的疏排水工作，保證礦山生產(chǎn)安全運(yùn)行。

6 結(jié) 論

（1）由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘查得出的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)行赤平投影分析，判斷在多重組合的節(jié)理切割下，可能發(fā)生局部滑坡。

（2）通過數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析，在拉應(yīng)力與剪應(yīng)力組合作用下，邊坡內(nèi)部生成潛在滑移面，并且在剪切應(yīng)力的影響下易發(fā)生圓弧滑動(dòng)，塑性應(yīng)變區(qū)并未布滿整體剖面，邊坡的安全系數(shù)小于預(yù)設(shè)值1.15，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，模擬結(jié)果與定性分析結(jié)果相吻合。

（3）由極限平衡法對(duì)所選的2個(gè)代表性剖面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析，得到邊坡潛在滑移面位置與數(shù)值模擬圖大致相同，邊坡在2種工況下的安全系數(shù)小于1.15，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，后續(xù)生產(chǎn)建設(shè)需采取一定的防護(hù)治理措施。