露天矿最终边坡角优化设计模拟分析*

胡 斌 王 伟 张 腾 王新刚 郭利娜

(中国地质大学(武汉)工程学院)

1 研究现状

随着计算机技术的发展，一种基于数值模拟的新方法即强度折减法在国内外受到关注［8］。该方法就是通过逐渐降低结构面的强度(C和φ值)直到其达到破坏状态为止，此时的折减系数即为边坡的强度储备安全系数［9］。笔者认为，由于矿山地形地貌较为复杂，不同方位的地层受风化、侵蚀、温度变化等因素影响的程度也有很大差别，若按统一的标准进行强度折减得到的安全系数可靠性较低。故本研究采用数值计算方法进行边坡角优化设计，然后用国际通行软件Slide进行验算求解边坡稳定性系数。

2 边坡角的优化设计

根据研究目的和对已获得的工程地质资料、试验资料的整理和综合定性分析，结合采矿方面的经验，对研究区的地质情况进行科学合理的概化，确定出切实可行的边坡优化循环流程，如图1。该流程综合考虑了影响边坡稳定性的各种因素，包含了数值模拟的整个过程及设定了结束循环的边坡破坏的依据，使边坡优化设计的整个过程变得清晰、直观，对边坡优化有很好的指导作用。

图1 边坡优化设计流程

建立工程地质模型后进行计算的一个关键问题是如何根据计算结果来判别边坡是否处于破坏状态，目前常见的边坡失稳判据主要有:

(1)计算过程中采用力和位移的不收敛即解的不收敛性作为边坡失稳的标志［10］。

(2)以塑性应变及塑性区在整个坡体大面积贯通作为边坡破坏的标志［11］。

(3)把计算时边坡不收敛或者滑面上节点塑性应变和位移突变作为边坡破坏的依据。

3 工程实例分析

3.1 工程背景

西藏邦铺Mo(Cu)多金属矿区位于冈底斯山脉与念青唐古拉山脉结合部位，地势险峻，切割强烈，平均海拔在5 000 m以上，最高标高为+5 330 m，自然地理条件异常恶劣，地形地貌复杂。矿区断层与裂隙发育，第四系强风化层分布较广。矿体呈柱体向下延伸，最终露天开采境界形成后，露采境界最终边坡达1 065 m，其边坡长度在1 400 m左右，属于复杂地质条件下超高、超长露天边坡。根据地质勘探工作结论，该矿床工程地质类型为第二类，其边坡稳定性是该矿床工程地质的主要问题［12-13］。

由于矿区工程地质条件复杂，边坡不同部位的影响因素不同，其稳定性和变形破坏形式亦各异。因此，对露采边坡稳定性分区评价是十分必要的。分区的依据是矿区露采边坡设计参数和主要工程地质条件，即根据边坡的走向、坡向、结构面发育特征、边坡结构特征等因素进行分区。经过对矿区地形地貌特征分析，将该矿分别分为为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5个分区，如图2。以第Ⅴ区的典型剖面5－5为例进行计算。

图2 矿区露采高边坡分区

3.2 岩体的物理力学参数

岩体的物理力学参数由一系列的岩体力学试验确定，包括单轴压缩变形试验、结构面直剪试验、抗拉强度试验、抗剪强度试验等，同时考虑矿区内各类岩体的地质与结构特征等因素，给出各类岩土体计算参数的建议值，如表1。由于矿山边坡地表及浅部岩土体因受风化、降水等因素作用，其力学性质往往比中深部岩土体差，这时可以根据工程经验对表1中获得的计算数据乘以适当的系数(一般不大于 0.85)予以折减。

孔子虽然倡导礼，但他所说的礼已不仅仅是原本意义上的周礼了。在礼的实践上，孔子也有了不同的看法。对个人而言，礼是道德主体道德实践的规范和准则；对于社会而言，礼是道德主体实践和谐有序的家庭、社会结构；对道德的主体的实践域（伦理场或道德域）而言，礼是推动道德主体境界、伦理整体的发展的工具和纽带。

表1 岩体的物理力学参数

3.3 FLAC3D数值分析

5－5剖面总体趋势为西侧低东侧高，地形起伏较大。该剖面计算边坡最大高程约为4 738 m，前期开采终了境界(矿坑底部)高程为4 498 m，边坡相对高差约为240 m。剖面自地表向下依次是碎石土、全强风化层、闪长斑岩、花岗岩。为消除边界效应及尺寸效应的影响，最后划定计算剖面区域，取x、y轴的计算范围为780 m×550 m;x轴取剖面向左为正，y轴竖直向上，如图3。

图3 工程地质剖面

在ANSYS的前处理平台上建立5－5剖面边坡计算模型，然后运用FLAC3D采用Morh－Coulomb破坏准则进行计算。模型建立了详细的边坡边界、地层、开挖范围等空间形态，共划分单元1 368个、节点2 884个。模型底面采用全约束，垂直于x轴向的左右端面均采用法向约束，垂直于z轴的前后表面采用法向约束;竖直方向的自然坡面自由。对于灵敏度较高的地层，采用密集的小单元，其余部分采用合理的网格划分技术进行过渡。按照边坡优化设计流程分别建立最终边坡角为36°、39°、40°的3种方案(分别称为方案1、方案2、方案3)，以这3种方案进行计算，将计算所得到的位移、塑性区进行比较分析，最后确定最优边坡角。5－5剖面的计算结果如图4～图5。

由以上各图中方案的计算结果可得:边坡位移在坡顶碎石土区及风化层较大，各方案最大位移分别为5.9、6.6、12.6 mm。可见当采用方案3时，边坡位移显著增大，出现突变;塑性区范围在前两中方案的计算中很小且出现在上部软弱岩层，对下部基岩几乎没有影响，方案3计算时，塑性区迅速贯通。

图4 不同边坡角的位移矢量

通过上述对比分析可得:当边坡角由39°增大到40°时，边坡位移显著增大，塑性区贯通，位移与塑性区均出现突变，完全符合上述破坏判据，因此39°(方案2)为最优边坡角，若提高1°则边坡发生破坏。

3.4 设计方案的稳定性评价

3.4.1 设计安全系数的确定

图5 不同边坡角的塑性区分析

规范［14］中详细说明了边坡稳定系数的取值。对新设计的边坡、重要工程宜取1.3～1.5，一般工程宜取1.15～1.3，次要工程宜取1.05～1.15。采用峰值强度时取大值，采取残余强度时取小值。验算已有边坡稳定时，取1.10～1.25。长沙矿冶研究院根据多年观察资料，提出了针对闪长岩、大理岩边坡安全系数与其稳定性的关系:k＞1.2为稳定的边坡地段;k=1.08～1.2为较稳定的边坡地段;k＜1.08为不稳定的边坡地段。经过上述综合分析并结合矿区实际情况，确定此次西藏邦铺Mo(Cu)多金属矿露天开采第一期高陡边坡稳定性计算的安全系数取值为1.2。

3.4.2 Slide求边坡稳定性系数

Slide是一款评价岩质或土质边坡安全系数或者失效概率的二维极限平衡程序，边坡滑面可以是圆弧或者非圆弧形式，程序计算方法是基于竖直条分法极限平衡分析。使用Slide软件，选择合适的搜索方式后，能自动搜索到边坡台阶上去，发现最小的稳定性系数位置。Slide软件还可以对岩质边坡进行敏感度分析，借助敏感度分析，判断影响安全系数的关键因素，明确加固、设计的方向，这对于优化边坡角、坡形等大有裨益。

根据图5(c)中边坡破坏时塑性区出现的位置范围，结合结构面勘察资料、数据，得出几组潜在滑动面的可能形式。图6为Slide计算各危险滑动面的边坡稳定性系数。

图6 Slide的计算结果

通过对已选方案边坡(即39°一期最终边坡角)潜在滑移面的计算得出:在相同的外界条件下，最终边坡角为39°下，几组潜在滑动面的稳定性系数分别1.339、1.233、1.318，都能满足安全系数1.2的规范要求，且其中最危险滑动面的稳定性系数为1.233，略高于1.2，说明该剖面采用39°的的一期最终边坡角是安全、经济合理的开挖方案。

4 结论

(1)在工程经验的基础上建立了矿山边坡优化设计流程图，考虑了影响边坡稳定的各种因素，使边坡优化的整个过程显得清楚、简单，对矿山的施工起到很好的指导作用。

(2)采用该方法将西藏邦铺Mo(Cu)多金属矿第Ⅴ区的一期最终边坡角由36°提升到39°，大大减少了矿山的剥离量，提高了矿山经济效益。针对坡顶碎石土等软弱岩体，应该采取放缓坡顶台阶坡脚或进行简单的喷锚支护等措施，以防止顶部岩石坠落，造成不必要的损失。

(3)用实例证明了:采用有限差分软件FLAC3D对边坡的多种指标进行对比分析，然后利用国际通行软件Slide验算得到其稳定性系数的方法对于边坡角优化设计是一条合理和有效的途径。该方法可为矿山提出安全、经济、切实可行的边坡设计方案。

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