岩质边坡稳定性分析

2016-11-08代永新

现代矿业 2016年9期

关键词：安全系数滑动剖面

张春代永新刁虎

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室;3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

岩质边坡稳定性分析

张春1，2，3代永新1，2，3刁虎1，2，3

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室;3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

应用极限平衡法，对首钢水厂铁矿边坡的代表性剖面及优化方案的各剖面进行稳定性分析，分别得到了各种情况下各剖面的整体和局部最小安全系数，并得到以下结论：按照原设计境界开采，边坡最小安全系数在震动情况下小于1.20，低于规范值，安全储备不足，边坡处于不稳定状态，需对其剖面进行相应调整与优化。优化调整后稳定性增强，边坡达到允许安全系数要求，边坡安全储备充足。在此基础上，应用强度折减法进行数值模拟，初始状态下塑性区分布较浅；参数调整优化之后，塑性区分布向坡底延伸，边坡破坏方式可能由局部转变成整体，边坡可能发生整体性破坏。计算结果显示，滑动面与极限平衡法相近，验证了结果的合理性。

安全系数边坡稳定性强度折减法

水厂铁矿是一座大型火山沉积变质岩型磁铁矿床，具有矿石储量大、品位高、埋藏浅，便于露天开采的特征。截止2008年底，累计采出矿石2.94亿t、剥离岩石10.5亿t。目前，实际采矿规模约1 100万t/a，是首都钢铁公司自有矿石资源的主要矿山和重要铁矿石基地之一。

2015年10月20日，北采场上盘K2路基59#～89#皮带架子外侧边坡在-20 m水平按设计采装到界的过程中发生顺层滑坡，导致59#～89#架子的路基宽度由设计的8 m变窄为5～7 m，滑坡体积约2 600 m3,绝大部分堆积在-20 m水平作业平台上，另一部分残留在K2路基外侧坡面上。2013年12月3日，K2皮带113#～147#架子处外侧-10～-35 m 水平边坡(27#～29#线)发生顺层滑坡，走向长度约40 m，宽度4～6 m，段高17～26 m，滑坡体积约4 000 m3,一部分滑落体堆积在-35 m水平电铲作业平台上，另一部分残留在-10～-35 m水平坡面上,造成K2皮带停产，严重影响水厂铁矿的安全生产。为此，本研究分别采用极限平衡法和强度折减法，选择有代表性的剖面进行边坡稳定性分析，为矿山安全运行提供条件。

1 简化Bishop法计算原理

Bishop法[1]是圆弧形滑动面普遍使用的稳定性计算方法，且满足所有条块力的平衡条件，力学机理如图1所示。

图1 Bishop法计算原理

条块受力为

(1)

(2)

式中,Ci、φi分别为材料的有效黏结力和内摩擦角；其他符号意义同图1。

2 计算模型

基于该矿山边坡现状境界图、现场勘察资料和试验结果(表1)，选取一典型剖面(A-A剖面)，利用geoslope软件得到现状边坡以及优化调整之后边坡的稳定性结果，计算结果见图2、表2。

表1 强度参数

图2 A-A剖面荷载组合Ⅰ下安全系数(Bishop)

台阶地下水情况Kc最小安全系数BishopM-P总体160m以上有01.1951.195有0.0251.1451.146无01.2511.250无0.0251.2011.200有01.1861.179有0.0251.1361.132无01.1861.179无0.0251.1361.132

在荷载组合下，A-A剖面边坡整体和局部均不能满足规范要求，160 m以上最危险滑面位于浸润线以上，因此通过降水并不能提高该剖面的边坡稳定性，必须对边坡台阶参数进行适当的调整。

经优化方案后，在荷载组合下A-A剖面整体和局部最危险滑面如图3所示，安全系数见表3。

图3 A-A剖面优化方案荷载组合Ⅰ下安全系数(Bishop)

3 强度折减法[2]

随着计算机的飞速发展，采用理论体系更为严格的方法进行边坡稳定性分析已经成为可能。有限差分法全面满足了静力许可、应变相容和应力-应变的本构关系，同时可以不受边坡几何形状不规则、材料不均性的限制，是分析边坡应力、变形和稳定性的理想工具。同传统的极限平衡法相比，有限差分法(或有限元法)[3]的优点：①破坏面的形状或位置发生在岩土材料的抗剪强度不能抵抗剪应力的地带，不需要事先假定；②由于有限元法引入变形协调的本构关系，也不需要引入假定条件，保持了严密的理论体系；③提供了应力、变形的全部信息。

表3 第一优化方案A-A剖面边坡最小安全系数

3.1 安全系数的定义

边坡达到临界破坏状态时，对岩土体抗剪强度折减的程度，岩土体的实际抗剪强度与临界破坏时的折减后剪切强度的比值即安全系数[4]：

(3)

以此对边坡进行有限差分法计算，并通过一定的失稳判据确定边坡达到极限平衡状态，则此时强度折减系数即边坡的安全系数，否则程序将重复计算，直至边坡达到临界极限平衡状态[5]。

3.2 模型建立

本次数值分析模型是在极限平衡法稳定性分析的剖面基础上建立的，采用混合单元离散模型[6]、摩尔-库伦准则，区域划分采用六面体单元。边界约束条件：坡底Z向约束，X水平方面约束，Y向约束。计算剖面见图4。

图4 A-A剖面计算

3.3 数字模拟结果及分析

初始状态下边坡模拟结果见图5，优化后边坡模拟结果见图6。

从剪应变增量等值云图可知：A-A剖面潜在最危险滑动面位于边坡体中上部，局部单台阶也可能发生塌落危险；由塑性区分布图可知，A-A剖面塑性区分布较浅，说明该边坡滑动带较浅，边坡发生整体性破坏的可能性较小；由水平位移云图可知，A-A剖面水平位移潜在危险破坏面的底部处较大，即该处较容易屈服，潜在危险滑动面可能从该处剪出；参数调整优化之后，塑性区分布向坡底延伸，边坡破坏方式可能由局部转变成整体，边坡可能发生整体性破坏(图6(b)、图6(c))。其计算结果与极限平衡法显示的潜在危险滑动面位置相近，显示其结果的合理性。由滑移面的形状可以看出，利用强度折减法计算出的滑移面上端与下端显示为近似圆弧状，中部较为平缓，显示为非圆弧状，与极限平衡法计算出的圆弧滑移面有所差异，表明两种方法显示的边坡破坏模式不同；数值模拟可以较清晰地反映出边坡潜在危险滑动面的位置变化趋势，并可以对局部台阶发生失稳的原因给出一定合理的解释，弥补了极限平衡法在此方面的不足，体现出了数值模拟的合理性、优越性。