某露天矿边坡失稳因子潜在关系研究

秦庆词，李克钢

(昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093)

某露天矿边坡失稳因子潜在关系研究

秦庆词，李克钢

(昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093)

通过对某露天铜矿东部高边坡失稳机理进行分析研究，并采用Slide软件展开数值模拟，寻找边坡最小滑移面。分析了该边坡在无裂隙水、有裂隙水、爆破震动条件下的边坡安全系数变化情况。并采用Monte-Carlo统计分析法对软弱层随机抽取1 000个数据进行统计，得出边坡安全系数分布频率直方图及最佳拟合曲线。同时对几个边坡稳定性的影响因子进行敏感度分析，将影响边坡稳定性的因子进行定量化，对该边坡的稳定性准确评价以及后期防治措施具有重要的指导意义。

失稳机理；数值模拟；概率分析；敏感度分析

0 前 言

边坡失稳因素随着地质、水文等条件的不同，加上人工开挖扰动，加强对边坡失稳机理的分析和准确评价边坡安全性对后期的加固和防护措施尤为关键。

云南某露天铜矿东部边坡随着采坑线区域的不断剥采，受到底部软弱凝灰岩、断层、风化等因素的影响开始出现变形开裂，并有逐渐加剧的趋势。采坑范围内裂缝由标高1 360 m一直延伸到1 100 m，高差为260 m，采坑范围外裂缝由标高1 360 m一直延伸到1 280 m，高差为80 m。山顶区域裂缝交错，由于东南部边坡开挖尚未靠帮，坑底水平距离最终剥采深度还有160 m左右，如果继续向深部开采，东南部边坡的坡脚部位将进一步卸荷，对变形体的发展造成更为不利的影响，目前变形体的存在严重制约后续矿山的深部生产；另东南部边坡有两条重要的运输道路通过，如果边坡继续变形，将影响后续生产的进行；目前边坡的边坡角仅为26(°)左右，边坡角较小但仍有发生严重的大区域变形滑坡隐患，因此有必要对其进行详细的分析与研究，对今后此类矿山边坡的防治和稳定性评价具有新的指导意义。

1 工程概况

1.1 矿山开采现状

该采场东部边坡最高标高为1 360 m，最低标高为1 090 m，垂直高差达270 m，1 270～1 360 m台阶高度10 m，平台宽度10 m，台阶坡面角53(°)，最终帮坡角为26(°)。1 160～1 270 m台阶高度10 m，平台宽度8 m，台阶坡面角65(°)，开采帮坡角为31(°)，1 090～1 160 m台阶高度10 m，平台宽度10 m，台阶坡面角53(°)开采帮坡角为25(°)。东部边坡开采现状总帮坡角为23(°)；安全平台宽度15～20 m；在1 380，1 360，1 350，1 340，1 320 m均设有排水沟，受沉降开裂影响，水沟已经造成错位，虽然采取土工布临时处理，但作用不大。运输道路分两条，运输道路宽度20 m，坡度10%；一条沿采场主公路1 200 m进入，经东南部边坡到达采坑底部1 060 m平台；一条沿采场主公路沿东南部山顶到达1 360 m平台。两条运输道路均从东南部边坡变形体通过。

1.2 滑坡体工程地质概况

1.2.1 工程地质

流纹岩为浅灰、灰绿色、被硅质胶结，硅化强，岩石坚硬，抗剪抗压强度高，边坡稳定性好，普氏坚固性系数14。上盘岩石为英安岩，灰绿色岩、石致密坚硬、节理裂隙发育，具有较好的抗压强度，抗剪强度低，受断层、风化等因素影响边坡稳定性差，普氏坚固性系数13.7。流纹岩与英安岩间为凝灰岩，为一泥质软弱夹层，为V1矿赋存层位，浅灰色，岩体松软，极易风化破碎，遇水极易泥化，极不稳固。边坡滑坡代表性滑动剖面见图1。

图1 边坡滑坡代表性滑动剖面

1.2.2 水文地质条件

矿区水系属澜沧江水系小黑江支流，侵蚀基准面高程为654 m。矿体分布于侵蚀基准面之上的次火山岩中，矿体出露标高980～1 250 m，埋深0～300 m不等。上伏地层为英安岩，岩石节理裂隙发育，孔隙度低，为不含水或弱含水层。下部凝灰岩为隔水层，遇水易泥化、裂隙水常顺这凝灰岩渗出。地表水的补给靠大气降水或少量裂隙水，水文地质条件属裂隙充水的简单类型。

1.2.3 断层

采场东南部边坡上盘为破碎的英安岩，下盘为流纹岩，中间是松软凝灰岩。断层发育较多，有两个较大的纵断层和许多小断层发育，东部岩石风化层较厚、风化程度较深，标高1 200 m以上岩石风化都比较强烈，导致岩石稳定性较差。矿区总体为一北西走向的背斜构造，由于受断裂、斜长花岗斑岩及流纹斑岩侵入破坏，背斜形态不完整。区域上，主断层F3断层从矿区南西侧穿过，此外，矿区尚有一些小断层分布。

2 滑坡变形体数值模型

滑坡变形体建模采用slide软件的极限平衡理论[1-4]，用统计学原理和该软件的概率分析功能探索趋于基本稳定的边坡发生滑坡的概率，再对裂隙水、岩体容重、内聚力、内摩擦角和抗震系数四因子对该边坡的稳定性影响进行敏感度分析。

2.1 极限平衡法基本原理

从滑坡变形体的裂隙来看，主要是由于随着开采的推进，坡脚底部软弱层的揭露和切断导致上部边坡形成较大的下滑力，加之凝灰岩层遇水易泥化，雨水从上部岩体裂缝下渗至凝灰岩层极大的降低了凝灰岩层的抗剪切能力；上部岩体的重力对边坡的影响转化成了对边坡的水平推力作用。毕晓普法(Bishop)刚好是一种将变形体分为若干条块，只考虑条块间水平作用力，不考虑条块间竖向剪切力，运用极限平衡理论对条块间水平作用力学原理进行分析的一种方法。其力学作用原理如图2。

图2 Bishop法条块间接触力学作用分析

将条块i所有力投影在x′轴上，可得：

Ti′=-△Eicosαi+Qicosαi+Wicosαi

(1)

当边坡处于极限平衡状态时，有：

(2)

将(2)式带入(1)式，可得：

(3)

将所有△Ei迭加，由于边坡处于极限平衡状态，所以Σ△Ei=0，化简可得：

(4)

利用竖向力的平衡条件得到上式中的未知数 ：

(5)

将Ni值代入(4)式Qi仅为分条所受的地震力，若坡顶张裂隙中有水，则仍应保留水平力，在无地震力时，可得：

(6)

式中Q——张裂隙中的水压；

△Xi——条块之间的宽度，△Xi=Licosαi；

n——安全系数。

经迭代计算即可算出安全系数n。

2.2 滑坡变形岩体力学参数的选取

本文中岩体力学参数来源于该矿山经取样试验后得出，滑坡体由坡面、坡体和坡角构成，滑坡变形体由上部的易风化的英安岩和表层土体，中部为极易泥化的凝灰岩层和下部坚硬致密的流纹岩构成，矿体主要赋存于凝灰岩层。岩土体力学参数见表1。

表1 岩土体力学参数表

3 数值模型计算与分析

3.1 数值模拟计算

模型选取为滑坡体最具代表性的纵剖面图，利用slide边坡稳定性分析软件，选取水平投影总长1 152 m，边坡总高度为270 m，边坡坡角26(°)，坡面斜长654 m的区域进行模拟分析，建立滑坡体二维模型(见图3)，无裂隙水压力和爆破震动时安全系数见图4。

图3 滑坡体剖面模型

图4表明：危险滑移面集中于软弱带凝灰岩层，开挖剥离工程已经开始切割软弱带，导致边坡稳安全系数迅速降低；当工程开挖到图中所示位置时，边坡安全系数为1.085。这也解释了边坡已经开始出现下滑，影响了矿山生产与经营。

图4 无裂隙水压力和爆破震动时安全系数

3.2 边坡稳定不确定性影响因素分析

3.2.1 裂隙水压力对边坡稳定性的影响分析

1) 裂隙水压力下边坡稳定性

该边坡上部和中部出现了沉降产生了裂隙，在坡脚处有裂隙水析出，因此裂隙水压力对边坡稳定性的影响不可忽略[5]，图5计算结果表明：在有裂隙水压力的情况下安全系数下降为0.736，处于不稳定状态，并且最小滑移面上移至坡脚底端(图5)，即当有裂隙水压力影响时，开挖工程进行到目前的1 090 m水平滑坡体便开始出现下滑，甚至彻底下滑。

图5 有裂隙水情况下边坡安全系数

2) 裂隙水条件下边坡稳定性概率分析

为了探究裂隙水条件下边坡失稳的概率，借助Slide软件在凝灰岩层随机模拟抽取1 000个样本数据，采用Monte-Carlo(蒙特卡洛法)统计方法绘制了在凝灰岩层(软弱面)各滑移面安全系数在无裂隙水影响下(见图6)和有裂隙水影响下(见图7)相对频率与安全系数的分布直方图。

图6 无裂隙水影响下的安全系数分布直方图及最佳拟合曲线

图7 裂隙水影响下的安全系数直方图及最佳拟合曲线

在没有裂隙水影响下，从频率—安全系数直方图中显示安全系数集中于区间(1.0，1.2)，处于基本稳定状态理论上不会产生滑坡或下滑现象；在裂隙水影响下凝灰岩层安全系数集中在区间(0.65，0.85)之间，在此软弱层最小安全系数为0.523 4，最大为0.975 6，没有失效滑移面，均在临界值1以下，显示了裂隙水对该软弱层的侵蚀很严重，凝灰岩本身易泥化特性对该边坡的稳定性影响巨大。

3.2.2 边坡稳定性敏感度分析

通常爆破震动或地震以及岩石物理力学性质对边坡稳定性的影响程度在不确定的情况下难以评判价，为寻找其影响程度本文中对其敏感度进行分析[6-7]，得出当水平地震系数采用0.1时，边坡安全系数由原来的1.085下降至0.863(见图8)。

图9为软弱面岩体内聚力、内摩擦角、岩石容重、抗震系数四变量对边坡稳定性敏感度曲线。

图8 抗震系数为0.1时边坡安全系数

图9 四变量对边坡稳定性敏感度曲线

图9敏感度曲线表明：岩体内聚力和岩石容重对边坡的稳定性影响并不明显，而抗震系数和内摩擦角与边坡稳定性敏感曲线斜率大，说明爆破震动对此边坡的影响程度明显，因此可从调整单次爆破炸药量降低爆破震动对边坡的破坏，对后期工程进行中爆破参数的设计提供了可靠地依据。

3.2.3 滑坡体失稳机理

综上分析得出：该边坡目前已处于初滑阶段的主要原因是由于开采至1 090 m平台后，切断了凝灰岩，由于凝灰岩本身易泥化，雨水的渗入大大降低了凝灰岩层的抗剪强度，加之工程爆破震动对整个滑坡体的牵引破坏，造成边坡较大的下滑力， 在上述两种作用机制下造成该边坡失稳破坏，产生变形和开裂。因此，从力学机理看，该变形属于混合式变形。

3.3 边坡加固和治理措施建议

基于以上分析，裂隙水压力、爆破震动是加速边坡下滑的主因，因此加固和防止该边坡下滑可从以下几点展开。

1) 加强边坡削坡减载和加固方案研究[8-9]，对凝灰岩层进行更详细的地质勘探，及时给出治理方案及时加固。对变形体的开挖应从变形体两侧向中间、自上而下分层开挖，弃土不得堆在主滑区，施工中应有专人观察，严防变形；在开挖工作面的下方严禁人员、机械设备进入，除设有明显的安全警示外，还应派专人现场监护；施工中要对边坡的稳定性进行严密监测，发现有异常变化，要立即报告处理，对风化危石要及时清除；在陡坡上修筑机行道时，必须保证机械的自身安全。如不能满足施工机械工作水平度，要先用人工整修，不得强行用机械作业。

2) 优化边坡排水系统，严密管控台阶裂隙水的下渗，对已出现的裂缝及时采取填实并用土工布遮盖，做好水防控。由于边坡顶部覆盖有土体，大气降水及地表水会随土体下渗至滑坡边界沿裂缝渗入下部软弱层泥化凝灰岩层改变软弱面的抗剪能力[10-11]，对边坡破坏极为隐秘，因此对裂缝周边的监测和防洪尤为关键。

3) 加强对工程质量的检查，严格按设计参数预留安全平台，对超挖、超高台阶，人为放大边坡角情况进行及时纠正，确保露天边坡的稳定性。开挖过程中严格按自上而下、先清除危石、变形体，后开挖的程序施工，严禁将坡面挖成反坡；在清扫过程中不得留有根底、伞檐和浮石，大块和残留碎石必须清理干净；清理形成边坡时，平台保证平整。

4) 坡面上原岩没有受到破坏时，可以留有部分原岩，不受坡面角的限制，但在岩石破碎时，必须严格按坡面角清理；坡面上原岩受破坏产生裂缝，不能保证其稳定性时，在小于坡面角时，须对松散岩体进行压实和堵住裂缝，防止地表水和雨水注入裂缝，在大于坡面角时，必须清理以确保稳定性或其他切实有效的措施确保边坡安全。

5) 加强爆破管理，控制一次性爆破装药量，并采取适宜控制爆破、防震、减震爆破工艺，对产生的爆破震动进行监控，实时调整爆破用药量确保边坡稳定。

4 结 论

1) 该边坡失稳力学机理主要是由于底部工程的开挖切断了软弱带使上部岩体产生下滑，下滑的应力进一步向坡脚集中产生下滑的推力，变形体的不断下移使重心逐渐向坡脚靠近撕裂上部岩体从而产生裂缝，而下移的变形体使坡脚显现为鼓起。而裂隙水压力和爆破震动却是使该边坡变形的主因。

2) 对于临界稳定边坡的评价通常采取扩大安全系数来设计，具有不确定性。本文中通过对边坡失稳概率和影响因子敏感度进行分析，将内摩擦角、自重、内聚力以及爆破震动影响程度定量化，数字化，为边坡防护与加固提供了有力的数据支撑。

[1] 曾亚武，田伟明. 边坡稳定性分析的有限元法与极限平衡法的结合[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(11): 5355-5359.

[2] 刘金龙, 陈陆望, 王吉利. 边坡稳定性分析方法简述[J]. 水电能源科学, 2008, 26(2): 133-137.

[3] 崔中良, 张东方, 姚艳领. 极限平衡法在边坡稳定性分析中的应用[J]. 中国锰业, 2016, 34(5):135-137.

[4] 董捷, 宋绪国. 圆弧直线型滑面岩土质边坡稳定性分析方法[J]. 铁道工程学报, 2015, 10(10): 17-21.

[5] 许建聪，尚岳全. 降雨作用下碎石土滑坡解体变形破坏机制研究[J]. 岩土力学，2008, 29(1): 109-113.

[6] 闰永富, 张吉. 铁矿边坡敏感度分析[J]. 露天采矿技术, 2015(2): 19-23.

[7] 张江伟，李小军. 地震作用下边坡稳定性分析方法[J]. 地震学报, 2015(1): 180-191.

[8] 王建钧, 曹净. 岩质陡高边坡稳定性分析方法与治理方案探讨[J]. 岩土工程界， 2007, 12(5): 57-59.

[9] 张成良，刘磊，王超. 高等岩石力学及工程运用[M]. 昆明：云南大学出版社，2016.

[10] 王光进, 袁利伟, 孔祥云, 等. 边坡工程稳定与不确定性分析Slide程序的应用[M]. 北京：冶金工业出版社，2015.

[11] 陈善雄, 陈守义. 考虑降雨的非饱和土边坡稳定性分析方法[J]. 岩土力学, 2001, 4(12): 447-450.

Potential Relationship of Slope Instability in An Open-pit Mine

QIN Qingci, LI Kegang

(SchoolofLandandResourcesEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650093,China)

Through the mechanism of high slope of open copper mine in an eastern instability, we have made an analysis of numerical simulation by using the slide software to look for minimum slope slip plane. The analysis begins with the slope in the absence of crack water, including crack water, the safety factor of slope under blasting vibration conditions. It tells that Monte-Carlo statistical of weak layer random with 1 000 data statistics will be obtained in distribution frequency histograms of slope safety factor. Simultaneously on several of the factors affecting slope stability for sensitivity analysis, we have found the quantification of factors influencing slope stability is on the slope stability evaluation. The prevention is of great guiding significance in the late.

Instability mechanism; Numerical simulation; Probability analysis; Sensitivity analysis

2017-04-03

秦庆词(1992-)，男，云南宣威人，在读硕士研究生，研究方向：岩石力学，手机：18082958057，E-mail: 1457186548@qq.com；通讯作者：李克钢(1978-)，男，山西介休人，教授，研究方向：岩石力学、工程岩体温定性等，手机：13808734055.

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10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.03.029