云南某矿山高边坡稳定性模拟分析

2020-10-10

世界有色金属 2020年13期

（滨州市建筑设计研究院有限公司，山东滨州 256600）

云南某矿山高边坡形态为一孤山梁，山梁顶部植被茂盛。山坡地形陡峻，天然坡度为35°～45°，局部基岩出露形成陡崖，山体平缓、低凹部位被坡、崩积层覆盖。

自开挖以来，目前已形成高达100m的边坡，其开挖至今受自然及人为因素影响已多次发生变形、开裂、垮塌现象；由于工程建设需要，仍需继续对其开挖，为保证开挖过程中边坡的安全稳定，通过数值模拟分析，找出塑性破坏区域，以便更好的辅助设计工作[1]。

本文基于该矿山地质勘察资料，利用Gocad软件三维可视化技术，建立该边坡三维地质模型。借助Gocad和Ansys以及Flac3d接口程序，将三维地质模型转化为Flac3d的计算模型，通过Flac3d对其弹塑性分析和强度折减计算，根据边坡位移场和应力场的分布规律，评价边坡的天然稳定性，探讨其潜在破坏情况[2]。

1 边坡模型建立

根据地层分布情况，将该模型简化为4个地层结构进行建模。由实测地形线及钻孔勘察资料在Gocad中建立实体模型及各个地层面，将该模型通过接口导入Ansys中，经过简单的布尔运算得到边坡在Ansys中的模型并划分网格（图1）。

图1 Gocad模型及ansys模型图

2 计算分析

2.1 计算模型

通过Ansys与FLac3d的接口程序将模型转换为FLac3d可读取的计算模型。

2.2 边界条件及物理力学参数

边坡除坡面设为自由边界外，模型底部为固定约束边界，模型四周为单向边界。计算参数使用前期勘察及实验建议参数（表1）。

表1 边坡岩土体物理力学参数

2.3 计算方法及步骤

计算时，按下述步骤进行：首先，选择弹性本构模型，按前述约束条件，只考虑重力，进行弹性求解，计算至平衡后对位移场和速度场清零，生成初始应力场；然后进行Mohr-Coulomb模型的弹塑性求解，直至系统达到平衡。

3 模拟结果分析

将FLac3d计算结果导入Tecplot，通过其强大的后处理功能，绘制边坡的整体及典型剖面（Y=180m）的位移云图及最大、最小主应力等值线图，对该边坡的位移场和应力场进行分析。

图2 Y=180剖面位移矢量图及位移云图

3.1 位移场分析

从位移矢量图可知，边坡上部位移矢量垂直向下，表现为“沉降”；中部位移矢量近乎与坡面平行，表现为“剪切”；与之对应，位移分布图表现形态为：在边坡中上部呈半封闭状，而后在近坡面处上翘；在下部则与边坡底部近乎平行。最大位移为50mm，位于边坡中后部[3]。这些现象表明，边坡的潜在破坏以浅表层圆弧形剪切破坏为主。

3.2 应力场分析

从典型剖面的应力分布图可以看出，该剖面附近的最大主应力基本顺着坡面方向，并一直延伸到坡脚，但在松散碎石层等值线不再光滑连续，发生了间断跳跃，说明该部位已发生明显的应力集中，这对边坡稳定性不利。而边坡内部，最大主应力方向与水平轴的夹角逐步变大，直至铅直；地层分界面附近区域的最大主应力方向要比其它区域变化得大且迅速，但并未影响主应力分布的总趋势。这些都表明边坡深部岩土体主要受垂直方向的压应力作用，体现为受压屈服。由最小主应力图（图3）可知，边坡中部出现部分拉应力集中，如果拉应力大于该部位岩体抗拉强度将出现拉裂破坏。

图3 Y=180m剖面最大及最小主应力等值线图

3.3 塑性区分析

为定量分析边坡的稳定性，采用FLac3d内置的solve fos命令计算边坡的安全系数Fs，该命令以强度折减法为基础，边坡安全系数定义为：边坡刚好达到临界破坏状态时，对岩土体抗剪强度的折减程度。

图4 边坡剪切塑性变形云图及等值线图

经计算，边坡安全系数Fs=1.09，表明其在天然状态处于基本稳定状态。从塑性变形云图可知边坡的破坏范围主要分布在中后部松散碎石层；由8剖面塑性变形等值线云图中可知，边坡中后部等值线较为密集，且剖面塑性区已贯通。由此可知，假如该边坡发生塌方、滑移现象，最可能原因是松散碎石层在饱水或震动条件下的变形区塑性破坏贯通破坏，模拟与实际情况相符。