基于FLAC3D的潼关废弃采石场边坡治理效果分析

连海波，毛正君，袁官思龙

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；2.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)

0 引言

随着经济的高速发展，石材的需求量急剧增加，采石场数量激增，由此产生了大量的废弃采石场。据统计，至2010 年广东省总计约13 000 个采石场，浙江省采石场5000 多个[1]。目前，矿山开发造成了大量的废弃采石场边坡，其治理措施大致分为4 类：对地表水、地下水采用排水疏干的方法、缓坡清理法和减重压脚法来减小坡体下滑力和增大抗滑力措施，边坡加固技术及周边爆破技术[2]。废弃采石场边坡治理不仅要考虑地质灾害隐患的消除，还要考虑生态环境的修复[3]。如今，我国对废弃采石场修复治理的问题越来越重视，众多学者开展了相关研究[4]。黄齐等[5]通过现场调查、勘探及室内试验，提出采石场不稳定边坡和矿区堆积废碴应采用“削高填低”的工程治理方案，坡面采用植被技术的生态环境恢复治理方案；席文明等[6]采用植被混凝土生态防护技术、新型复合生态护坡工程技术，对高陡岩质边坡的绿化进行了评价；沈俊等[7]采用工程类比法和经验法，对失稳岩质边坡采取了预应力锚索、自钻式锚杆、钢筋网和喷射混凝土联合加固的措施；王焘等[8]针对渭北废弃采石矿山，提出坡面危岩块体清理、刷坡、坡面复绿等措施。

边坡治理效果评价常采用解析法[9]、变形监测法[10]、数值模拟法等。解析法一般只适用于连续介质岩体，以及边界与受力条件比较简单的情况[11]，其通常不能精确确定最危险滑动圆弧的圆心位置，有时会出现稳定系数偏差较大的情况，从而影响边坡稳定性的判断[12]。变形监测法多为点状监测，无法实现长距离大面积监测，存在监测盲区，增加监测点数虽然可靠性有所提高，但工作量倍增，况且监测点数的增加也会影响岩土体的整体性和结构安全[13]。与解析法、变形监测法相比，数值模拟可反映较为真实的工程条件，且需要的人力和财力更少、研究周期更短、灵活性和方便性更大[14]。因此，众多学者利用数值模拟方法对边坡治理效果进行分析验证：潘长胜等[15]采用极限平衡法和FLAC3D数值模拟法对边坡治理前后的稳定性进行了计算分析，表明治理措施使坡体位移得到了有效控制；杨天鸿等[16]应用数值模拟方法介绍了抚顺西露天矿北帮边坡治理工程及效果；柏淼[17]采用MIDAS/GTS 软件模拟工程情况，论证了衡重式挡墙治理方案的可行性；张文华等[18]借助ANSYS 软件，对采用小型抗滑桩治理后的边坡进行数值模拟，分析了抗滑桩治理边坡的效果。

本文以潼关金矿区废弃采石场边坡为例，结合其工程地质条件，依据现场调查资料，利用FLAC3D有限差分数值模拟软件，对治理前后的边坡进行了稳定性分析与计算，为类似矿区废弃采石场边坡治理提供参考。

1 工程概况

1.1 废弃采石场工程地质条件

废弃采石场地处小秦岭太华台拱与汾渭断陷结合部，在新构造运动的作用下，山前断裂发生间歇性强烈抬升，山麓冲洪积扇群叠覆，长期遭受剥蚀夷平，形成了现代地质地貌景观，地层主要由第四系耕土、废石碴、粉质黏土、漂卵石、碎石土和燕山期花岗岩组成。废弃采石场周边沟道主要为潼峪河冲洪积物，漫滩上为大小不一的漂卵石，不利于植被发育；阶地表层以粉质黏土或含碎石粉质黏土为主，主要为村民耕地，植被较发育，种植花椒树或小麦；沟道两侧山体植被发育，主要为矮小灌木。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306−2001），治理区所在区域地震动峰值加速度为0.2 g，潼关县抗震设防烈度为8 度，地震反应谱特征周期为0.35 s[19]。

1.2 废弃采石场边坡基本特征

废弃采石场边坡整体形态呈簸箕形分布，上窄下宽，顺坡长约200 m，平均宽120 m，堆积物厚度约2.0～14.0 m，占地面积约41 500 m2，废石量约100 000 m3，堆积坡度36°，堆积时间约15 a。由于采石场在坡脚处开山取石，形成临空面，造成坡体顶部表层堆积层发生滑塌，滑塌平均厚度为1.5 m。堆积物沿斜坡自然随意堆积，无任何防护措施。斜坡表层开挖及碴堆堆积造成坡体植被基本全部破坏。表层堆积物为第四系全新统人工堆积（Q4ml），主要由采石场废石碴组成，呈黄褐色、灰褐色，一般粒径为50～150 mm，最大粒径为300 mm，棱角状，松散-密实状态。部分地段角砾、粉质黏土充填，有结块。该层主要分布在治理区中部东侧坡体上和新民沟沟口部位，厚度约2.2～14.2 m。基岩为花岗片麻岩，主要出露于峪道与山体接触部位，本层未揭穿，呈肉红色、深灰色和灰黑色，色杂，硬质岩较完整，块体结构，太古界太华群花岗片麻岩（Ar2D），中等-弱风化，岩芯呈短柱状、柱状，节理裂隙较发育。造岩矿物为花岗石、长石、云母和角闪石等[20]。

2 废弃采石场边坡治理措施及数值模拟

2.1 治理措施

首先，对废石碴堆进行清理，在边坡坡脚处设置拦碴挡墙，在上部地形陡峭可能发生崩塌的部位设置主动柔性防护网，防护网与垫墩锚杆防护结合，钢绳锚杆与压力注浆锚杆绑扎连接，若边坡岩层破碎、松散，钢绳锚杆可加长；整个坡体坡比为1:1.20，分10 级放坡开挖，每级坡高15 m，坡脚均设3.0 m 宽平台；拦碴挡墙采用M10 浆砌片石砌筑，石料强度等级不应低于MU30；基础埋置深度不得小于1.0 m，以漂石、卵石或碎石为持力层，片石厚度不得小于200 mm，砌筑时应分层错缝，不得有垂直通缝，外露面用M7.5 砂浆勾缝。清理的废弃松散堆积物及碴体，用于下方河道的整治及土地复垦[20]。治理工程剖面如图1 所示。

图1 废弃采石场及堆碴治理工程剖面

2.2 模型建立

根据工程地质剖面图，建立边坡三维模型。从图1 可以看出，废弃采石场原始边坡分为上下两层，表层为废石碴及堆积物，下层为基岩，因此边坡三维模型分上下两层。岩体采用弹塑性材料，选用Mohr-Coulomb 准则。原始边坡计算模型如图2 所示，模型尺寸长度取323.2 m，宽为60 m。边坡治理后的模型如图3 所示，坡脚处红色部分为拦碴挡墙模型，该边坡模型的拦碴挡墙采用实体单元模拟，坡顶处采用cable 单元模拟主动柔性挂网。模型底部边界固定x、y、z3 个方向的位移，边坡模型前后边界固定x方向位移，边坡模型左右两侧边界固定y方向位移，模型边界为自由边界[21]。

图2 原始边坡计算模型

图3 治理后的边坡计算模型

模型网格划分采用六面体，原始边坡模型共84 423 个单元，71 205 个节点，治理后的边坡模型共76 737 个单元，64 469 个节点。

2.3 参数选取

模型的建立需要进行本构模型以及相关参数的确定，根据地质勘察报告和试验结果并结合以往的地质资料，不考虑降雨和地表水的入渗。本例中，岩土体采用Mohr-Coulomb 本构模型，主动柔性防护网采用cable 结构单元，拦碴挡墙采用实体单元并赋予弹性本构模型进行模拟。各材料的物理力学参数见表1 和表2。

表1 材料物理力学参数

表2 主动柔性网cable 单元参数

3 结果与分析

3.1 边坡治理前数值模拟结果分析

（1）边坡治理前的最小主应力云图如图4 所示。由图4 可以看出，原始边坡的最小主应力分布特征与一般斜坡应力场特征一致，主要受到重力场控制，最小主应力迹线与坡面平行，且在坡面出现了小范围的拉应力分布。

图4 边坡治理前的最小主应力分布云图

（2）边坡治理前的最大剪应变增量云图如图5 所示。剪应变增量多集中在坡面和坡脚的堆积物部分，坡肩处剪应变增量很小。通常来说，剪应变增量集中的范围是坡体在剪应力作用下最可能发生破坏的薄弱部位，这也说明了清理坡面堆积物的必要性。

图5 边坡治理前剪应变增量分布云图

（3）边坡治理前的位移云图如图6 所示。由于基岩部分为花岗片麻岩，属于岩质边坡，稳定性非常好。从模拟结果来看也是如此，其下部基岩部分没有出现峰值区域，表明基岩没有发生位移，处于稳定状态。同时，坡肩部位相较于坡面和坡脚位移很小。但是坡面堆积体部分出现大量红色区域，表明坡面堆积物有滑动的可能，再次说明对废石碴堆积物进行清理十分有必要。

图6 边坡治理前位移分布云图

3.2 边坡治理后数值模拟结果分析

（1）边坡治理后最小主应力云图如图7 所示，从图7 可以看出，滑坡治理后应力场仍受到重力场控制，与图4 相比，坡体表面的拉应力分布消失，表明治理措施有效地改善了坡面的应力状态。

图7 边坡治理后的最小主应力分布云图

（2）边坡治理后剪应变增量分布云图见图8。由图8 可知，坡脚在拦碴挡墙的作用下，剪应变增量集中的现象大幅改善，虽然坡体仍有剪切变形，但主要分布在拦碴挡墙后，与图5 相比，最大剪应变增量的分布范围和数值都明显减小，说明在采取了组合治理措施之后，坡体的稳定性有了较大提升，放坡开挖和堆积物清理消除了废石碴滑落的隐患，对承灾体潼洛公路起到了保护作用，但治理后期应加强对坡脚的监测。

图8 边坡治理后剪应变增量分布云图

（3）对比图6 的模拟结果，从图9 可以看出，边坡位移量明显降低，云图红色区域消失，峰值出现在坡脚处橙色区域，数值由坡面向坡内逐渐减小，没有出现明显的滑动面，边坡稳定性提高。由坡面中部红色区域的消失可以看出，边坡进行开挖放坡后提高了边坡的稳定性。

图9 边坡治理后位移分布云图

最后，对比分析边坡治理前后的安全系数。地质勘查报告中，含有废石碴堆积物的坡面只考虑自重作用条件，用理正软件进行计算得到安全系数为1.24，稳定性评价结果为稳定[19]，用FLAC3D强度折减法计算得到的结果为1.387，两结果相差不大，表明分析结果是合理的。治理后计算得到边坡的安全系数是2.10。比较安全系数的大小可以看出，组合治理措施的实施使得边坡稳定性得到了显著提高。

4 结论

（1）潼关金矿区废弃采石场边坡治理工程措施包括：坡面废碴清理、边坡整体放坡、坡脚设置拦碴挡墙、坡顶设置主动柔性防护网。边坡治理后，消除了危岩及崩塌地质灾害隐患，提高了边坡安全性，放坡有效提高了边坡的稳定性，整体生态修复效果良好，绿化程度高，边坡美观。

（2）拦碴挡墙工程：清理潼洛公路东侧废弃采石场及碴堆上的陡立孤石、局部不稳定堆碴，整平潼峪主峪道两侧弃碴，推高填低，修筑拦碴挡墙、以稳碴固碴；危岩清理及柔性网防护工程：对潼洛公路东侧山坡上的危岩、崩塌地质灾害，采用人工清理危岩、柔性防护网进行防护，消除危岩及崩塌地质灾害隐患；拦碴挡墙和主动柔性防护网主要起防护作用，边坡开挖放坡对稳定性的提高起着主要作用。

（3）运用FLAC3D软件对边坡治理前后进行了数值模拟，并对比分析了其应力场、位移场、应变增量和稳定系数。在只考虑重力作用下，潼关废弃采石场原始边坡稳定系数为1.387，处于稳定状态，但坡面上覆堆积体位移较大，应及时治理。边坡治理后稳定系数增加到2.1，位移量明显减小。结果较好地反映了边坡的实际治理效果，验证了边坡治理的有效性，也表明本次数值模拟的结论是合理的，达到了预期的效果。