银山矿边坡滑坡类型分析及边坡角优化

钟春晖

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.江西理工大学资源与环境工程学院,江西 赣州 341000 )

·安全与环保·

银山矿边坡滑坡类型分析及边坡角优化

钟春晖1,2

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.江西理工大学资源与环境工程学院,江西 赣州 341000 )

以银山矿为工程背景，通过现场区域地质情况及滑坡类型的调查，根据边坡失稳的力学理论，分析了银山矿高陡边坡滑坡模式及其失稳破坏原因。在此基础上，利用强度折减方法，借助三维数值计算软件，同时考虑水渗透作用，分别对各个坡面的整体稳定性进行了对比分析。结果表明，银山矿的北东边坡中的剖面1、剖面2和剖面8经过优化后能达到的最优边坡角分别为44°、46°和45°，西北边坡中的剖面3和剖面4经过优化后能达到的最优边坡角分别为45°和48°，西边坡中的剖面5和剖面6经过优化后能达到的最优边坡角分别为46°和44°，南边坡中的剖面7经过优化后能达到的最优边坡角为44°。对矿山整体设计45°的边坡角进行了整体系统的优化，通过本次边坡角的优化对矿山整体边坡的稳定性具有一定的实际意义，同时能为矿山的安全生产提供一定指导。

高陡边坡 强度折减法 坡角 优化

银山九区铜金矿露采5 000 t/d一期设计最低标高-192 m，封闭圈标高72 m，前期初步设计最终边坡角为45°，露天采场最终境界边坡最高达到420 m，属超高边坡。由于边坡岩体工程地质特性复杂，并且边坡下潜伏大量空区，边坡在扩帮过程特别是北东边坡局部发生了滑坡、崩落、塌陷等较为严重的地质灾害。现有的矿山工程岩体特性调查只是基于边坡出露地表的岩体进行，没有进行过专门的工程地质钻探，边坡设计资料不充分。因此，通过工程地质钻探，查明边坡工程地质、水文地质及岩体力学参数等基础资料，对最终边坡角优化设计及稳定性分析保证矿山正常安全生产具有重要意义。

1 现状边坡破坏类型调查与分析

影响边坡稳定性的因素较多，如岩体中的断层、节理、层理等不连续结构特征；雨水冲刷、人工削坡等改变斜坡外形，引起坡体应力分布的变化；风化作用等引起斜坡岩土体的力学性质，使坡体强度发生变化；此外，区域构造应力的变化、地震、爆破、地下静水压力和动水压力，以及施工荷载等都对斜坡稳定具有直接影响。在这些因素的综合作用下，边坡可能发生整体或局部的失稳破坏，岩坡的失稳破坏模式主要有平面剪切滑坡破坏、圆弧型旋转剪切滑坡破坏、倾倒与崩塌破坏。

(1)平面剪切滑坡破坏。平面滑动的特点是块体沿着平面滑移。它的产生是由于这一平面上的抗剪力与边坡形状不相适应。这种滑动往往发生在地质软弱面的走向平行于坡面，产状向坡外倾斜的地方。根据滑面的空间几何组成，平面滑动存在简单平面剪切滑坡破坏、阶梯式滑坡破坏、三维楔体滑坡破坏等。

(2)圆弧型旋转剪切滑坡破坏。旋转剪切滑动的滑面通常成弧形状，岩体沿此弧形滑面滑移。圆弧形破坏发生的条件是：当岩体中的单个颗粒与边坡尺寸相比是极其小的，且这些颗粒由于它们的形状关系不是互相咬合的，因而破坏就以圆弧形的模式出现。在均质的岩体中极易产生近圆弧形滑面；当岩体节理异常发育或已破碎，也常常表现为圆弧状滑动；高度蚀变和风化的岩石也倾向于以这种方式破坏。因而按圆弧破坏假定来设计露天采矿场周围覆盖层中的边坡是合适的。通过现场调查，现状边坡中未见明显的具有一定规模的圆弧型滑坡破坏。

(3)倾倒与崩塌破坏。倾倒与崩塌是指块状岩体与岩坡分离向前翻滚而下在崩塌过程中，岩体无明显滑移面，同时下落岩块或未经阻挡而直接坠落于坡脚。产生倾倒与崩塌破坏的原因，从力学机理分析，可认为是岩体在重力与其他外力共同作用下超过岩体强度而引起的破坏现象。岩坡的倾倒与崩塌常发生于既高又陡的边坡前缘地段。

2 边坡角优化

2.1 边坡角优化方法

强度折减法，即不断折减岩体的强度直至边坡失稳，强度折减的倍数就是边坡安全系数。这种强度折减理论应用到有限元或有限差分法中可以表述为：在保持外载荷不变的条件下，将黏聚力c和内摩擦角φ同时除以折减系数Fs，获得一组新的材料参数c′、φ′：

(1)

然后将新的材料参数进行数值模拟分析，借助三维有限差分数值计算软件FLAC3D，从塑性区贯通和计算不收敛2种判据来求解边坡临界失稳破坏的安全系数。经过循环计算直至边坡达到临界失稳状态，此时的强度折减系数Fs视为边坡安全系数。将边坡安全系数介于1.15～1.25视为边坡角优化设计的目标；边坡安全系数介于1.15～1.25，认为边坡角优化设计达到最优状态；当安全系数小于1.15时，认为边坡角比最优边坡角偏大，应适当减小边坡角；当安全系数大于1.25，认为边坡角比最优边坡角偏小，应适当增大边坡角，如表1所示。

表1 滑坡稳定性状态划分

2.2 边坡角模拟及结果分析2.2.1 计算剖面

银山九区铜金矿前期初步设计最终边坡角为45°，台阶高度为12 m。露天采场各边坡中，最终境界边坡最高为420 m，属超高边坡，位于北东边坡，即图1(a)中剖面1位置，西北边坡、西边坡和南边坡最高位置分别位于图1(a)中剖面3、剖面5和剖面7位置，最终边坡的高度对边坡稳定性具有重要影响，因此选取这些剖面作为最终边坡角优化的计算剖面。此外，适当增加计算坡面，可使计算结果精细化，更精确确定各边坡的最终边坡角，且各边坡含有不同的岩体组成及其结构特征，而这也是影响边坡稳定性的重要因素，因此增加剖面2、剖面4、剖面6和剖面8作为计算剖面。结合前期完成的边坡工程地质分区可知，西边坡共有剖面5和剖面6两个计算剖面，西北边坡共有剖面3和剖面4两个计算剖面，北东边坡共有剖面1、剖面2和剖面8三个计算剖面，南边坡有剖面7一个计算剖面。根据上述选取的各计算剖面位置特征及前期建立的反映各类型岩组空间分布的三维模型，确定各剖面上的岩体分布特征，基于此，分别建立各计算剖面的模型，鉴于篇幅，只给出了剖面1的计算模型,见图1(b)。模型计算所需参数参见表2。

表2 岩体相关力学参数

(a)剖面位置

(b)剖面1计算模型

2.2.2 结果分析

(1)边坡安全性分析。对建立的各计算剖面模型进行45°边坡角模拟计算，计算得到各剖面的未考虑渗流前的安全系数，再运用Geostudio软件，通过对比渗流前后的边坡安全系数，求得平均渗流折减系数，将此系数乘未考虑渗流求得的边坡安全系数，从而得出45°边坡角边坡各剖面考虑渗流后的安全系数，见表3 。图2为剖面1数值计算结果。

表3 各剖面的边坡安全系数计算结果

(2)边坡角度优化。按照前述边坡角优化方法，根据各剖面45°边坡角模拟计算结果，确定相应的边坡角调整方案。其中剖面4、剖面5和剖面2安全系数均大于1.25，因此应适量增大边坡角后重新进行计算；剖面3和剖面8安全系数分别为1.255和1.258，与安全系数优化范围上限值1.25接近，此处不再对其边坡角进行调整，以45°作为该剖面的最优边坡角；剖面1、剖面6和剖面7安全系数分别为1.145、1.131和1.129，接近并略小于安全系数优化范围下限值1.15，因此不再进行边坡角的模拟计算，以44°作为其最优边坡角。根据上述各剖面边坡角调整方案，剖面4安全系数最大，为1.880，将边坡角调整为48°时，其安全系数为1.274，介于安全系数优化范围内，因此以48°作为其最优边坡角。

(a)剖面1位移矢量图

(b)剖面1剪应变增量云图

根据上述计算结果，得出北东边坡剖面1、剖面2和剖面8最优边坡角分别为44°、46°、45°，西北边坡剖面3和剖面4的最优边坡角分别为45°、48°，西边坡剖面5和剖面6最优边坡角分别为46°、44°，南边坡剖面7最优边坡角为44°，边坡角优化模型如图3。

图3 优化后的边坡角三维示意

3 结 论

(1)北东边坡剖面1、剖面2和剖面8最优边坡角分别为44°、46°、45°，西北边坡剖面3和剖面4的最优边坡角分别为45°、48°，西边坡剖面5和剖面6最优边坡角分别为46°、44°，南边坡剖面7最优边坡角为44°。

(2)计算的8个剖面中，剖面1、剖面2、剖面5、剖面6和剖面8滑坡面由边坡坡顶贯通至坡脚；剖面3、剖面4和剖面7滑坡面的潜在剪出口位于边坡坡脚上方，其中剖面3的潜在剪出口约位于-170～-150 m标高位置，剖面4的潜在剪出口约位于-145～-120 m标高位置，剖面7的潜在剪出口约位于-95～-75 m标高位置。在相应的潜在剪出位置要进行边坡加固，并布置位移监测点。

(3)在结构面发育、岩体破碎等位置，应采取局部边坡加固措施，在大断层位置，需适当减缓边坡角，如南边坡的大断层位置，采用42°边坡角。

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(责任编辑 石海林)

Analysis of Slope Sliding Type and the Slope Angle Optimization in Yinshan Mine

Zhong Chunhui1,2

(1.SchoolofCivilandEnvironmentEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China;2SchoolofResources&EnvironmentEngineering，JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000,China)

With Yinshan mine as engineering background,and based on the field investigation of regional geology and the slope sliding type,the sliding mode of high steep slope in Yinshan Mine and the factors for destabilization were analyzed according to the theory of mechanics for slope sliding.Based on this,the integrated stability of each slope were contrasted and analyzed by strength reduction method and FLAC3Dnumerical method,meanwhile considering the water permeation.The results showed that:the optimal slope angle at section 1,section 2 and section 8 of North-East slope can reach 44°,46°and 45° respectively after optimization.The optimal slope angle at section 3 and section 4 of North-West slope reach 45°and 48°.The optimal slope angle at section5 and section 6 of Western slope is 46°and 44°,and the optimal slope angle at section 7 of southern slope is 44°.The mine design with slope angle of 45° is wholly optimized,which has practical significance on keeping slope stability.Meanwhile,the research provides guidance to safety production of Yinshan mine.

High slope，Strength reduction，Slope angle，Optimization

2014-05-21

钟春晖(1968—)，男，讲师，博士研究生。

TD854.6

A

1001-1250(2014)-08-116-04