广西大新锰矿工业场地边坡稳定分析

梁东强，韦文蓬，覃金字，黄忠耀

(中信大锰矿业有限责任公司 大新锰矿分公司，广西 崇左 532315)

0 前 言

当边坡角增大时，剥离成本会显着节省，但是滑坡事故发生概率会大大增加，提高了边坡加固和处理费用。开挖过程中边坡角太小的话，不会发生滑坡事件，但生产成本巨大。边坡稳定性分析可以判定边坡的稳定性，或者剥离过程中基岩和土壤对边坡稳定性的影响。这不影响支护方式，还为科学支护提供了理论依据。

目前，有两种方法主要用于边坡稳定性分析，即极限平衡分析和数值分析法。基于边界平衡理论边界平衡分析，结合结构面的控制效果，将边坡划分为多个块体，并创建边坡平衡方程来获得边坡的稳定性[1]。然而，用极限平衡方法的前提是假设边坡存在滑动面，同时还需要忽略土体与支护结构的关系，不能定量的获得岩土体和支护单元的位移。随着计算机软件和硬件的不断发展[2]，科研和工程界在边坡稳定性分析时，开始逐步使用数值模拟的方法。

基于美国ITASCA开发的有限差分法连续介质力学分析软件FLAC3D可用于模拟岩土体达到强度或屈服强度时，其破坏形式和应力变形等。操作方便，计算快捷。当边坡破坏机制复杂或边坡分析需要考虑应力和变形时，结合数值模拟能够非常准确地进行模拟材料的流动和塑性破坏，在解决岩土工程问题上有很大的优越性[3]。

本文以大新锰矿工业场地边坡为研究对象，分析了初始设计在施工阶段出现的问题，并提出改进方案。本文采用FLAC3D中的强度折减法对边坡开挖的改进方案进行数值模拟计算，分析边坡中的最大拉压应力，上鼓下沉位移及边坡的安全系数，讨论了边坡的变形机制，综合评判边坡的整体稳定性情况，为施工提供指导和建议的作用。

1 工程概况

广西大新锰矿为满足扩大产能的需要，进行产能扩能改造工程，根据扩能设计方案，需在北部矿段扩建一条串车提升井，串车井走向为朝南，倾角27(°)。为降低井筒掘进距离，选择地势较为低洼的山沟作为井口位置，矿体北部矿段地表均为丘陵，为满足地表工业场地需求，需将井口对面边坡进行降坡处理拓宽地表工业场地；山沟南侧为直立山崖硬质岩，其岩石强度达11～14 MPa，满足井口建设地质条件，其山沟北侧为土质、风化岩丘陵坡，土方开挖单价成本低，工艺简单，工程难度小。

根据设计总图提供的场地布置图，本公司初步设计边坡开挖方案，其开挖工程位置如图1b所示，自水平+469 m标高处开始降坡，坡底水平标高为+420 m，降坡高度49 m，土方开挖量6万t。在降坡过程中，由于地质条件的变化，边坡部分区域砂土层变化大，其覆盖厚度超过工程前期探明数据值，另外施工期正值雨季，经过雨水冲刷，施工至+450 m水平标高位置时，边坡顶部分区域出现开裂、小面积滑坡等情况，如图2所示。鉴于该边坡开挖为了拓宽地表工业场地，已经出现的边坡开裂及滑坡等情况，对工业场地的正常使用带来较大安全隐患，该方案需重新设计。

(a)设计修改后开挖部分示意；(b)设计修改前开挖部分示意

图2 边坡范围及初始设计施工时裂缝

边坡开挖方案经修改，重新开挖，本次开挖工程位置如图1a所示。土方开挖量30万t。(新的设计方案见图3)。

为论证本次开挖方案合理性及开挖边坡稳定性，采用Flac3D软件构建边坡本构模型，通过强度折减法对改进方案的边坡进行数值模拟计算,分析边坡的应力分布、位移和安全系数，综合评判边坡的整体稳定性情况，判断边坡开挖方案合理性。

2 大新锰矿2号串车边坡稳定性分析

2.1 强度折减法

对强度折减法而言，边坡安全系数的定义是通过不断折减岩土体的抗剪强度，当边坡到达临界破坏状态时，折减的大小即定义为边坡安全系数：岩土体的实验抗剪强度与折减后抗剪强度的比值[4]。边坡安全系数一般采用强度折减法来计算，原理是通过逐步减小边坡岩土体的抗剪强度来逐渐逼近边坡的极限平衡状态，安全系数F一般采取如下的方程来定义：

式中φtrial—— 折减后的黏聚力；

φtrial——折减后的内摩擦角；

Ftrial——折减系数。

通过数值模拟，不断折减岩土体中的黏聚力及内摩擦角，循环进行边坡稳定性数值计算，直至边坡到达临界破坏状态，所得的折减系数即为边坡安全系数。在FLAC3D 5.0中，可以执行SOLVEfos命令，进行边坡稳定性循环数值计算的强度折减流程，进而获得边坡安全系数[5]。

2.2 建立边坡三维数值计算模型

模拟边坡的地质剖面建立了边坡的三维数值计算模型，如图4所示。模型的x、y、z轴分别为边坡的水平滑动方向，边坡的宽度方向，边坡的高度方向，3个方向的尺寸为330 m×250 m×230 m，模型包含243 781个单元，共计49 465个节点。对模型中所有节点的 y方向速度进行约束，左右侧面边界进行单向水平约束，模型底部采用固定约束。模型只考虑自重应力场，初始应力平衡后清零各方向的位移和速度，然后对边坡的岩土体赋力学参数，最后通过不断地折减岩土体的力学参数，求解出边坡的安全系数。根据矿山工程勘察结果，边坡滑动面在地下水位以上，故取天然状态下岩土体的强度。

图4 数值计算模型

边坡体岩性主要为粉质黏土、全风化岩石、强风化岩石和微风化岩石4种。根据矿山开展的岩土力学实验结果，经过折减以及参照类似矿山参数确定边坡岩土体的物理力学参数，如表1所示。

表1 岩土物理力学参数

2.3 数值模拟结果分析

FLAC3D数值模拟最大不平衡力收敛曲线计算结果如图5。对于边坡的三维数值计算模型而言，不同的边坡剖面图中的应力和位移分布特征会随着位置的不同以及边坡表面上的土质覆盖面积的差别而有不同，故在边坡的稳定性分析中，应该首先采用三维数值计算模型，同时合理的选择多个剖面来进行分析，以确保边坡位移和应力分析结果的准确性，真实的反映出边坡的稳定性状态。从图5可以看出：边坡模型内的最大不平衡力随着计算时步的增加而逐渐趋近于0，说明模型的内力达到初始应力平衡状态，这是后续开挖模拟的基础。

图5 数值模拟计算结果和最大不平衡力平衡过程

2.3.1 应力结果分析

通过对边坡天然状态下数值模拟计算，得出了边坡x方向与z方向的应力云图，分别如图6和图7所示。

图6 X方向应力分布云图

由图6可以看出：x方向边坡坡面上的最大应力是37.35 kPa，拉应力主要集中在坡面的位置，随深度的增加拉应力逐渐变成压应力，这是由于自重应力引起的，且x方向的压应力的最大位置出现在作业平台的下方，这说明对坡面需要做进一步的处理。

图7 Z方向应力分布云图

由图7可知：z方向的最大应力出现在边坡模型左侧底部位置，天然状态下此处的应力为4.30 MPa。两个方向的应力分布符合地应力变化规律，即随着上覆岩土层厚度的增加而变大，同时边坡坡面也出现一定的拉应力，最大达到11.40 kPa。

2.3.2 位移结果分析

通过对边坡天然状态下数值模拟计算，得出了大新锰矿边坡x和z方向的位移云图，如图8和图9所示。

图8 X方向位移分布云图

由图8可以看出：坡体天然状态下水平位移量最大值为向右的3.75 cm，出现在边坡中下部靠近作业平台的位置，且水平位移由最大值处向两边逐渐减小，且随深度的增加也是逐渐减小的趋势。在施工时需要注意中下部边坡坡面的位移。

图9 Z移分布云图

由图9可以看出：天然状态下，位移均为下沉位移，且随深度的增加，竖直位移为减小的趋势。竖直位移最大值出现在边坡内部，达到4.22 cm，这说明边坡内部的不稳定的出现，可能会因为下沉位移较大而导致地面下沉的情况。坡面处的位移基本相同达到2 cm。但在坡脚位置的位移反而更小，达到0.75 cm，这表明边坡坡面没有大规模的下滑，否则会出现坡脚处因为边坡下滑分力导致坡脚位移向上的情况发生。

2.3.3 剪应变增量与速度矢量分析

通过FLAC3D数值模拟软件，绘天然状态下剪应变增量与速度矢量图，如图10和图11所示。

图10 边坡剪应变增量

从图10可知：边坡上表面下的灰色塑性贯通区域内的各网格节点速度与其外侧的网格节点速度差别不大，这表明由于塑性变形引起的边坡滑动的可能性不大。但边坡上覆的全风化岩石中网格各节点的速度(浅灰色部分)，明显要大于边坡下部岩石内各节点的速度(黑色区域)，且差值比较大，这表明绿色部分的坡面与边坡下部的岩石之间发生了相对位移，即边坡坡面整体与下部岩体的错动，边坡出现了一定的失稳破坏。

由边坡速度矢量图图11可以看出：滑动的方向为沿坡面向下滑动。

2.3.4 塑性区和安全系数分析

通过FLAC3D数值模拟软件，绘天然状态下边坡塑性区和安全系数图(如图12所示)。

图12 边坡塑性区分布和安全系数

由图12可知：在边坡的坡面位置已经出现大面积的剪切破坏区域，因为地表的砂土、土体的黏聚性较差，因而在边坡开挖后容易发生剪切破坏，特别是在下过雨，边坡处于饱和状态下是最危险的状态。

基于有限差分法的 FLAC3D 软件求出的安全系数为 1.28，满足GB 50330-2013《建筑边坡工程技术规范》中对安全状态的二级边坡安全系数为1.25的要求[6]，因此新的设计方案所设计的边坡符合技术规范的要求，是稳定的边坡。目前工程已经进入到尾声，从目前施工情况看，边坡的稳定性良好。但因边坡为土质边坡，坡面黄土裸露，没有植被覆盖，在雷雨天时的流水会冲刷坡面造成水土流失，故边坡上应设计有专门的排水系统，并植树防治水土流失，最好是在工程完工后及时加固边坡。

3 结 论

本文在分析大新锰矿工业场地边坡施工情况的基础上，提出新的设计方案，并通过强度折减法的FLAC3D数值模拟的方法，分析了边坡的稳定性，主要得出如下结论。

1)通过数值模拟分析得出：新的设计方案中坡面与边坡结合的地方发生了位移变化，即边坡发生了滑动和边坡坡面整体与下部岩体的错动，边坡出现了一定的失稳破坏，滑动的方向为沿坡面向下滑动，在施工时需要对表面的风化岩层做一定的处理。

2)基于有限差分法的 FLAC3D 软件求出的安全系数为 1.28，符合二级边坡的安全系数1.25的要求，因此新的设计方案所设计的边坡符合技术规范的要求，是稳定的边坡。

根据构建岩土体的本构模型，将设计方案中变量参数代入计算，得出计算结果可知：当开挖方案为砂土台阶坡面角为38(°)、岩质台阶坡面角50(°)、清扫平台8 m、安全平台5 m、最终边坡角41(°)、并段台阶高度96 m时，边坡安全系数为1.28，该方案安全系数大于且最为接近瑞典条分法中露天边坡稳定安全系数值1.25。修改的设计方案的设计内容符合安全要求，形成的边坡稳定性符合安全要求。

根据计算结果可知：当砂土台阶坡面角取36(°)、岩质台阶坡面角取50(°)时，其安全系数为1.35，大于瑞典分条法中安全系数值1.25。根据工程量进行计算，该方案将增加3万t土方量。根据方案安全可靠性及经济合理性，最终选择砂土台阶坡面角为38(°)、岩质台阶坡面角50(°)为推荐方案。