基于Geo-Studio的某边坡稳定性分析

周忠志　陈换换

摘 要：本文以准东露天煤矿首采区非工作帮软弱煤层底板边坡作为研究对象，通過分析该矿区工程地质条件和边坡特征，得出堆土高度为0 m、20 m、40 m、60 m、80 m、100 m和120 m七种工况的等效附加荷载值。采用二维有限元数值模拟软件Geo-Studio对不同工况进行模拟分析，结果表明，在坡顶排土场堆积土体高度不断增加的情况下，在非工作帮470 m平台以上的坡体剪应力集中严重，边坡失稳的可能性增大，得出坡顶堆载对影响软弱煤层底板边坡失稳的规律，对准东煤矿非工作帮边坡做出科学评价。

关键词：应力应变分析;边坡稳定性;稳定系数;Geo-Studio

中图分类号：TU457     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）3-0063-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.015

Analysison Stability of Slope Based on Geo-Studio Software

ZHOU Zhongzhi    CHEN Huanhuan

（1.Qingdao Housing Security Center，Qingdao 266000，China;2.Qingdao Real Estate Registry，Qingdao 266000，China）

Abstract：In this paper， the floor slope of non working side weak coal seam in the first mining area of Zhundong open pit coal mine is taken as the research object. By analyzing the engineering geological conditions and slope characteristics of the mining area， the equivalent additional load values of seven working conditions with soil stacking heights of 0 m， 20 m， 40 m， 60 m， 80 m， 100 m and 120 m are obtained. The two-dimensional finite element numerical simulation software Geo-Studio is used to simulate and analyze different working conditions. The results show that with the increasing height of the accumulated soil in the slope top dump， the shear stress concentration of the slope above the 470 m platform of the non working slope is serious， and the possibility of slope instability is increased. The law of slope top surcharge affecting the slope instability of the floor of weak coal seam is obtained， The non working slope of Zhundong coal mine is scientifically evaluated.

Keywords：stressstrainanalysis;slopestability;safetyfactor;Geo-Studio

0 引言

20世纪，许多露天矿煤矿主急于取得经济效益，并且相关规划设计人员不顾及煤矿长远发展，因此，部分露天矿存在设计上的不合理。其中，以排土场紧邻露天矿边坡问题最为突出。随着露天矿开采量的日益增长，排土场上堆积的排弃物逐渐增多，紧邻排土场的坡体下滑力增大，边坡失稳的可能性上升，从而增大滑坡灾害的可能性。因此，研究坡顶堆载对边坡稳定性的影响具有重大意义[1-4]。

本文以准东露天煤矿首采区非工作帮边坡为例，在分析边坡岩土体力学特性的基础上，采用Geo-Studio软件中的模拟分析，得到坡体在不同高度的坡顶堆载作用下剪应力云图，从而得出了边坡失稳的内因[5-7]。再通过Geo-Studio软件对非工作帮边坡进行稳定性分析，计算得到坡体在不同高度的坡顶堆载作用下的稳定系数，得出引起边坡失稳时的极限堆积土体高度[8-10]。为准东露天煤矿的边坡治理提供理论依据，并提出具体的预防和治理措施。

1 工程地质条件

准东露天煤矿位于新疆维吾尔自治区吉木萨尔县，距吉木萨尔县的距离为130 km，距离乌鲁木齐市的距离为220 km[11]。矿区处于准噶尔盆地腹地内，地貌类型主要以冲积湖平原、剥蚀残余丘陵、风积沙漠和剥蚀波状平原为主。矿区年平均降水量为106 mm，年蒸发量为1 202～2 382 mm，5—8月偶有雷阵雨，冬季积雪稀少。区内常年多风，风力一般为4～5级，经常有7～8级大风，最大可达10级，多以西北风为主。降雨量稀少，属于大陆性沙漠气候[12-13]。

首采区现状：露天坑南北向长约为2.2 km，东西向宽约为1.4 km。准东露天煤矿首采区的西侧为工作帮，在工作帮上设计台阶。其中，542 m水平以上，台阶高度为10 m;542 m水平以下，台阶高度为16 m。非工作帮不设计台阶，边坡角为8～13°，首采区最大采深320 m。本文的研究对象为准东露天煤矿非工作帮边坡，经过不断露天开采之后，首采区的Bm煤层已经得到充足开采，非工作帮边坡即经已开挖完煤层之后得到的Bm煤底板，主要是以泥岩为主，厚度仅为0.5～5 m。

2 应力应变数值模拟分析

为了更好展现坡体在不同高度的堆积土体作用下应力应变变化，采用二维有限元模拟软件Geo-Studio中的SIGMA/W模块进行模拟，得到坡体剪应力场的变化特征。

2.1 计算参数的选取

计算参数主要来源于神华新疆公司提供的《新疆准东煤田-吉木萨尔县五彩湾矿的勘探报告》，见表1。

2.2 计算工况的确定

通过实地踏勘，排土场堆积物以碎石、开采的煤层块和煤砂泥岩为主，计算得出土体容重为25 kN/m，在进行模拟分析时，视为堆积物近似均匀地分布于排土场上。依据准东煤田五彩湾矿区三号露天煤矿一期工程设计，排土场设计最大堆土高度为120 m，分析时取堆土高度为0 m、20 m、40 m、60 m、80 m、100 m和120 m，得到了不同高度下坡顶堆载的等效附加荷载值，见表2。

2.3 建立模型

因为研究对象为非工作帮边坡即，经已开挖完煤层之后得到的Bm煤底板，主要以泥岩为主，在建模型时仅考虑了泥岩层。依据研究对象底部X、Y方向无位移，左侧和右侧X方向无位移，Y方向可自由移动，定义研究对象边界条件，建立模型。

2.4 数值模拟结果及分析

为了研究坡体在不同高度的堆积土体作用下的变化特征和稳定性发展趋势，同时考虑滑坡发生的潜在模式，模拟堆土高度为0 m、60 m、120 m时三种工况下的剪应力云图，如图1至图3所示。

在坡顶排土场堆积土体高度不断增加的过程中，坡顶、便道493 m台阶和首采区坑底位置出现了明显的应力集中现象。随着每增加20 m高堆积土体，坡顶处的剪应力值由50 kPa增加到400 kPa;便道493 m台阶位置剪应力值由100 kPa增加到150 kPa;首采区坑底位置处的剪应力值由200 kPa增加到250 kPa。应力集中现象在坡顶位置处最为明显。因此，随着排土场堆积土体高度的增加，在470 m平台以上的边坡极易发生失稳。

通过以上SIGMA/W模块对坡体进行应力应变的模拟分析得到：坡顶排土场堆积土体荷载主要引起470 m台阶以上坡体应力集中严重和应变明显增大，造成上部土体的滑动变形，从而挤压下部坡体产生变形而失稳，从滑坡受力类型分析，属于后推式滑坡。

3 稳定性计算及结果分析

按照《岩土工程勘察规范》取Fs=1.20作为边坡安全系数的参考值。为了更加明确边坡在不同高度堆积土体下稳定状况，再采用SLOPE/W模块进行稳定性计算，分别得到7种不同堆积高度下的安全系数，为1.339、1.314、1.275、1.238、1.110、1.014、0.971，整理得到稳定系数曲线图，如图4所示。

从图4可以得出，坡体在堆积土体为0 m时的稳定系数时1.339，与选定的边坡安全系数的参考值Fs=1.20比较，坡体处于稳定状态。随着坡顶堆积土体高度由20 m增加到120 m后，坡体的稳定系数由1.314下降到0.971。通过分析可以得到，随着坡顶排土场堆积土体高度的不断增加，坡体的稳定性系数与土体堆积高度呈负相关，即堆积土体高度增加时坡体的稳定安全系数随之减小。

在坡顶排土场堆积土体的高度低于60 m时，坡顶排土场堆积土体对边坡稳定性影响较小。如在堆积土体高度为20 m时，经与0 m时的边坡进行分析对比研究，发现此种工况下边坡的稳定系数与0 m下基本相同。在堆積土体高度由20 m到60 m逐渐增大的过程中，边坡稳定系数虽然在逐渐降低，但都是高于选定的边坡安全系数的参考值Fs=1.20，表明坡体在稳定状态。分析得出原因，在堆积土体未达到一定高度时，边坡的失稳与坡顶排土场堆积土体相关性较小，其他影响因素在对边坡的稳定性起主要作用，如开采爆破震动和软弱夹层。在坡顶排土场堆积土体高度由60 m增大80 m时，边坡稳定系数由1.238快速下降到1.110，低于选定的边坡安全系数参考值Fs=1.20，坡体处于不稳定状态。当土体堆积高度增大到80 m时，整个边坡的滑面上移，造成滑体由坡体的中部滑出。分析得出原因，滑面的上移造成了抗滑力降低，滑体由坡体中部剪出，此时坡顶排土场堆积土体对边坡失稳起到主要作用。

随着坡顶排土场土体堆积高度的增大，边坡的稳定系数不断降低，两者是负相关。并且可以看出，在堆积土体的高度为0～60 m时，边坡稳定系数下降幅度较小;当堆积土体高度由60 m增加到80 m时，边坡稳定系数下降幅度较大，并且已经低于选定的边坡安全系数参考值Fs=1.20。分析其原因，随着坡顶排土场堆积高度的增加，滑面明显上移，坡顶荷载直接将滑体由边坡中部压出，此时，滑体上下滑力增大，抗滑力减小。

4 结语

采用SIGMA/W和SLOPE/W模块相结合的数值模拟手段，从剪应力场和稳定系数对坡体稳定性进行研究，结果表明。

①坡顶排土场堆积土体荷载主要引起470 m台阶以上坡体应力集中严重和应变明显增大，造成上部土体的滑动变形挤压下部坡体产生变形而失稳，属于后推式滑坡。

②随着坡顶排土场堆积土体高度的增加，造成边坡稳定系数从1.339减小到0.971，稳定系数逐渐降低，边坡失稳的趋势可能性增大。

③当坡顶排土场堆积土体高度达到60 m时，稳定系数已接近极限平衡值，当达到80 m以上时，稳定系数已经低于选定的安全系数参考值Fs=1.20，因此，当堆积高度达到60 m时，要预防边坡失稳的发生。

④因堆土荷载的存在，需要对准东露天煤矿非工作帮边坡不稳定的区域进行加固治理，通过布置抗滑桩进行加固处理，并引入监测预警预报系统，对边坡实时监控。

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