临界滑动场法在露天矿边坡稳定性分析中的应用*

2013-06-26宋志飞徐秀鸣孙世国

金属矿山 2013年9期

宋志飞徐秀鸣孙世国

(北方工业大学建筑工程学院)

对于任意形状的边坡，以往经典的条分法很难解决搜索出安全系数最小的临界滑动面这个问题，为此，朱大勇提出了临界滑动场法(Critical Slip Field，简称CSF)［1-2］。笔者以金川露天矿边坡为例，在应用极限平衡条分法基础上，通过数值模拟方法模拟出边坡内任意点的危险滑动方向，以及条块间最不利推力，确定初始滑动面，由此验证该方法在工程应用中的准确性及优势，进行边坡稳定性分析的研究。

1 临界滑动场法概述

朱大勇根据最优控制理论提出了边坡临界滑动场的概念，并提出了模拟临界滑动场的数值方法［1-2］。该方法继承了极限平衡条分法的主要框架，综合了简化Janbu法、Sarma法和剩余推力法，直接从整体出发，将边坡体离散为众多个状态点(如图1(a)所示)，通过数值方法模拟出边坡体内任一点的危险滑动方向和条块间最不利推力，最终得到一簇任意形状危险滑动面(其中一条为临界滑动面)的临界滑动场(如图1(b)所示)，并以剩余推力值表示其稳定性程度。

图1 边坡滑移场法

若最大剩余推力Pmax为零或者充分接近零，则此时对应的稳定系数Fs就是边坡最小安全系数，此时危险滑动场即为临界滑动场，其中的最大剩余推力为零时所对应的滑动面就是临界滑动面。该法求解方便可靠，所得临界滑移面能逼近解析解，可以全面定量评价整体和局部的稳定性，有利于工程更加全面的判断与决策。

2 金川石英石露天矿边坡稳定分析

石英石矿区位于甘肃省金昌市金川区高石咀，隶属金川集团股份有限公司三矿区开采，项目区至省道有普通柏油公路相连，交通十分方便。本研究范围在石英石露天矿区北帮边坡。

根据优化设计及工程的经济效益综合分析，石英石露天矿将开采至高程1 696 m处，考虑到向下开采延深过程中，形成不同的坡高和坡角大小，使得坡体处于不同的稳定状态。为了确保生产过程中的安全生产，本次研究首先确定到界边坡允许的最大坡角，由此确定露天开采的境界线，设定2－2剖面现状边坡及后续降深开采过程，对2－2剖面向下延深开挖过程中的边坡设计及其坡角允许最大值分别进行分析和优化设计。相关力学参数如表1所示。

表1 北帮各岩层物理力学参数

2.1 用滑移场法搜寻滑移面

根据金川露天矿北帮现存的边坡剖面图，应用滑移场理论方法编制相应的程序，搜寻危险的滑移面，将边坡数据导入程序中，建立边坡数值模型如图2(a)所示。设定Fs=1.26时，根据现存边坡轮廓搜寻出危险滑面，如图2(b)所示。

2.2 用Geo－slope寻找滑移面

在Geo－slope中建立数值模型及搜寻出的滑移面如图3所示，在本研究中，采用4种常用的边坡稳定性评价方法，然后取稳定系数最小的数值作为边坡评价是否稳定的依据，并取各个剖面中满足稳定性要求最小的坡角作为最终整体坡角设计的依据。现状边坡稳定状态计算结果如表2所示，在无地震条件下排土场边坡最小稳定系数为1.401，最大值为1.635，平均值为1.5;在有地震条件下，排土场边坡稳定系数最小值为1.096，最大值为1.357，平均值为1.195。由此说明排土场边坡处于非常稳定状态，在有无地震作用时边坡体都是安全的。

图2 搜寻边坡危险滑移面

图3 2－2剖面现状边坡稳定状态计算

表2 2－2剖面现状边坡稳定状态计算结果

经过系统的滑面搜寻和稳定性评价，最终得出:当坡角为36°时，2－2剖面满足2种工况条件下的边坡稳定性的要求，于是初步设定将石英矿边坡进行8步减载开挖，如图4所示。在减载方案的优化中，依据露天向下延深过程中每个台阶10 m所形成的边坡高度及坡角大小，将考虑2种工况条件，即正常条件下无地震影响和和有地震的影响。在2种工况条件下排土场边坡稳定性均要满足安全要求为前提;在有地震作用时，如果此条件下还能满足排土场边坡稳定性要求，那么基本可以保证排土场的安全。

根据上述评价规则，应用滑移场理论方法依次搜寻、确定最危险滑坡位置，然后分析其稳定状态，通过最危险滑面的搜寻，找出给定工程地质条件下最危险的位置，并进行各次降深对边坡稳定状态的影响，并分析生产过程中的安全性，其边坡稳定状态的计算结果如表3所示。