基于FLAC3D的露天矿边坡破坏成因研究与预测

赵东阳 祝介旺 袁博

摘要： 针对某矿区发生多起大规模滑坡、崩塌等地质灾害，对露天矿的安全和正在进行的残矿回采工作造成威胁的问题，以矿区内某矿山为研究对象，利用FLAC3D软件建立露天矿坑边坡数值分析模型，采用传统地质分析方法结合数值模拟对边坡破坏成因进行分析。结果显示，凝灰岩中发育的顺坡向节理是边坡发生滑塌的关键因素。强度折减法计算结果可知，边坡内部沿节理面形成贯通滑带，是最危险的潜在破坏面;随着时间的推移，深层节理面强度弱化，边坡可能再次发生滑塌。

关键词： 露天矿;边坡;地质灾害;滑坡;数值模拟;强度折减法

Abstract： As to the problem that there are many geological disasters such as the large scale landslide and collapse in a mining area， and the safety of open pit and the residual depesit mining are threatened， taking a mine of the mining area as the research object， the numerical analysis model of the open pit slope is built by FLAC3D software， and the traditional geological analysis method is combined with the numerical simulation to analyze the cause of slope failure. The results show that the joints along the slope direction developed in tuff are the key factor for slope landslide and collapse. According to the calculation results of the strength reduction method， a penetrating slidingzone is formed along the joint surface of the slope internal， which is the most dangerous potential failure surface. Over time， the strength of the deep joint surface is weaken， and then the slope may collapse once again.

Key words： open pit;slope;geological disaster;landslide;numerical simulation;strength reduction method

0 引 言

自20世紀50年代至今，全球露天矿开采总量约为160亿 t，其中露天开采约占80%。[1]随着露天矿开采持续向深部发展，矿山边坡的高度不断增加，但是受地质环境和用地规模的限制，矿坑的开口不能无限扩大。为开采更多的地下矿床，矿坑边坡的设计坡度越来越大，导致闭坑后的边坡存在安全隐患。据不完全统计，在我国大型露天矿山中，不稳定边坡或具有潜在滑坡危险的边坡约占边坡总量的15%～20%。[1]边坡失稳已成为露天矿山中发生频率最高、对安全生产影响最大的灾害之一。[2]

废弃矿山的治理和利用是目前的热点问题，其关键在于如何改造好、利用好废弃矿山，使其安全、环保、有效益。杜时贵等[3]提出大型露天矿山边坡岩体稳定性分级分析方法;杜时贵[4]提出大型露天矿山边坡等精度评价方法;郑敏等[5]将废弃露天矿坑的利用归纳为博物资源、旅游开发、垃圾处理和坑塘养殖等方向;高文文[6]构建基于推理条件和推理规则的废弃露天矿坑再利用方式选择方法;还有众多国内外学者对矿坑边坡稳定性、闭矿规划政策等要素进行研究[79]。随着研究的深入，废弃矿坑是一种新型资源的理念逐渐形成。这种新型资源的充分利用对节约资源和保护环境都具有重要意义。但是，矿坑再利用的前提是保证安全，必须对废弃矿山潜在危险进行科学预测并有效治理。

某矿区曾是我国最大的铜多金属矿区，是我国重要的有色金属生产基地。矿区内包含5个大中型露天矿山和若干矿点，总面积达25 km2。该矿区是西北地区典型的露天矿山，地质灾害频发，研究此类典型矿坑边坡对整个矿区的治理具有重要意义。以矿区内某国家矿山公园为研究对象，搜集相关地质信息，利用传统地质分析方法和有限元数值分析方法对其南帮边坡进行研究。研究结果表明，边坡破坏主要受地形陡峭、结构面发育和人为扰动等因素的影响，高应变区与弱层贯通、表层岩体沿节理面相对位移明显是边坡破坏的内在原因。利用FLAC3D软件的强度折减法对选取的边坡危险截面进行计算，结果显示该截面处边坡安全系数为1.19。随着岩体强度弱化，边坡内部出现一条滑带，未来有可能再次发生滑坡。

1 工程概况

1.1 矿坑边坡地形地貌

露天矿坑呈东西向分布，尺寸为1030 m×580 m×274 m，坑口标高1 873 m，坑底标高1 660 m，总体坡角35°～50°。[10]矿坑东、西两侧边坡分别设有选硫厂房和内排土场。矿坑南、北帮边坡主要布置交通路线，标高1 780 m以下区域采用螺旋方式布线，标高1 780 m以上区域分布多个独立运输系统。

本文以南帮边坡为研究对象，边坡整体呈凸形断面，地形陡峭，标高1 816 m以上区域的总体坡角为40°，标高1 816 m以下区域的总体坡角为50°。南帮边坡采用多台阶并段的方式构成，台阶高度和坡度较大。并段后自下而上共有5级主体台阶，高度均为48～60 m，平台宽度均为10～15 m，坡角均为55°～69°。南帮边坡布置双出口、双道交岔运输线，东、西两侧各有1个出口，平面示意见图1。

图 1 某露天矿坑平面示意

1.2 地层岩性

该矿区出露的地层自上而下分别为中下奥陶统酸性火山岩组、千枚岩中基性火山岩组。岩石种类主要有石英角斑凝灰岩、千枚岩、石英纳长斑岩、硅质岩、细碧玢岩等。南帮边坡剖面Ⅳ显示，矿坑顶部有约30 m厚的第四纪堆积物，标高1 880～1 900 m区域主要出露的地层为辉绿岩和基性凝灰岩，标高1 840～1 880 m区域为千枚岩，标高1 750～1 840 m区域为石英角斑凝灰岩，见图2。辉绿岩岩体较为完整，质地坚硬，力学性质良好;中下部的凝灰岩和千枚岩为力学性质较差的变质岩，坡面出露的岩体破碎且节理发育，是地质灾害的主要载体。

1.3 地质构造

该矿区地质构造复杂，属于北祁连山加里东褶皱带东部区，在折腰山—火焰山复合褶皱的南端（见图3）。复合褶皱主要由2个规模较大的背斜和向斜构成[1112]，火焰山矿坑南帮边坡为向斜转折端，向斜为倒转向斜（位置①）。主矿体位于倒转背斜的转折端（位置②），F断层（位置③）是矿区内最大断层，但距离矿坑较远，对矿坑边坡影响甚微。南帮边坡结构面发育，岩体完整性较差。西南侧的炭质锰质千枚岩受倒转向斜影响，轴面劈理发育，总体产状集中于200°∠50°。边坡中下部的石英角斑凝灰岩片理发育，间距约1～3 mm，产状为355°∠85°，并发育有1组顺向节理，产状为350°∠45°。在多组结构面的切割作用下，坡面岩体破碎，容易发生崩塌、滑坡灾害。

2 破坏现状与成因分析

2.1 破坏现状

自该露天矿闭坑以来，由于长期缺乏维护，加上各种地质因素影响，矿坑边坡多处发生崩塌和滑坡等地质灾害。

矿坑南帮边坡破坏最为集中，见图4。

在南帮边坡西南侧剖面Ⅳ到剖面Ⅵ之间，标高1 840～1 880 m的千枚岩多处发生崩塌。在边坡中部剖面Ⅲ到剖面Ⅵ之间，标高1 686～1 840 m处的凝灰岩2处发生大规模滑坡，是矿坑边坡最主要的地质灾害。这2处滑坡主要发生在剖面Ⅳ标高1 804 m的运输公路和剖面Ⅴ标高1 816 m的主体台阶上，其规模和机理不尽相同。剖面Ⅳ滑坡为顺层滑移拉裂破坏，标高1 804 m的运输公路整体滑坡，滑体后缘拉裂，滑体体积约13 000 m3。剖面Ⅴ滑坡规模最大，滑坡范围为标高1 744～1 840 m，多级台阶整体垮塌，滑体体积约30 000 m3。

边坡目前仍有安全隐患，许多灾害尚在发展过程中，随着边坡岩体风化，有可能出现新的地质灾害。

2.2 破坏成因分析

矿坑南帮边坡发生破坏主要有以下几个因素。

2.2.1 地形因素

矿坑南帮边坡高度达270 m，由于运输路线的交岔和回转，交汇处台阶的宽度、坡度和高度明显增加，其中台阶最高80 m、坡角最大70°，为滑坡与崩塌灾害提供几何空间条件。

2.2.2 构造因素

边坡西南侧的炭质锰质千枚岩中劈理发育，随着劈理不断张开，边坡最终倾倒并向下滚落造成崩塌。边坡中下部凝灰岩片理和顺向节理发育，节理面和片理面外倾且与台阶坡走向基本一致，台阶坡角大于节/片理面倾角，节/片理面与台阶坡面的赤平投影示意见图5。矿区内发育有1条斜切采矿场西南和东北部边坡的大断层和多条压扭性断层，将坡体切割成不连续状，因此边坡在节/片理面的切割作用下容易发生顺层滑坡。

2.2.3 人为因素

在使用传统爆破法开采矿山时，受爆炸振動的影响，岩体产生松动圈，导致岩石裂隙发育。边坡上部20～30 m的废石堆积物、矿坑东部1 845 m平台上的选硫厂房和2处硫精矿自然干燥库，以及装载矿石的卡车等均增加边坡负荷。

综上所述，矿坑南帮边坡地形陡峭、构造复杂、易受人为干扰。局部边坡存在坡体高、坡度大、节理面和片理面密集、表层岩体破碎等特点，工程地质性质较差是边坡失稳的重要原因。

3 数值模拟分析与稳定性预测

3.1 数值模型

3.1.1 建立模型

边坡体量巨大、结构复杂，建模难度极高，本文选用多款软件协同建模。首先，由Locaspace Viewer地图获取等高线，利用Rhino3D软件的三维建模功能建立初步山体模型;然后，将山体模型导入Ansys软件进行网格划分和分组;最后，将Ansys模型导入FLAC3D软件[1314]建立计算模型。原边坡计算模型见图6。模型中地层由上至下依次为辉绿岩、千枚岩和石英角斑凝灰岩。采用现场实际尺寸，模型沿边坡倾向长度为600 m，最高垂直高度为270 m，涵盖主要滑坡区域。

3.1.2 构建接触面

矿区内发育的断层和节理对边坡破坏具有较大影响。该边坡滑坡区域主要发育有1组顺向节理， 节理两侧分别有1条贯穿西南边坡的大断层和1条压扭性小断层（见图6），均采用无厚度接触单元对结构面进行模拟。

3.1.3 模型计算和参数选择

坡角与力学参数均参照现场勘察报告和露天矿初步设计报告[15]选取。岩土和弱层体物理力学参数见表1。

3.2 模拟结果与破坏原因分析

模型前、后以y方向位移约束，左、右以x方向位移约束，底部以x、y、z方向位移约束，从而构成边界位移条件。输入各类岩土和弱层体物理力学参数，施加重力载荷对模型进行计算，根据边坡应力和应变分布特征分析边坡破坏机理。

3.2.1 应力分布

边坡应力分布云图见图7。边坡主应力由表面至内部逐渐增大，表面出现2处正应力，其最大值为2.1×105 N/m2，与坡体变形有关。受岩体自重影响，接触面剪应力由坡内部至坡表面逐渐增大。由于断层约束作用较弱，节理面剪应力由中间向两端增大。

3.2.2 应变分布

边坡应变分布云图见图8。由于岩层力学性质各异，应变分布受到岩性分布的影响，千枚岩和凝灰岩区域应变更加明显。最大主应变和剪应变均集中在边坡中部的台阶处且与弱层贯通，成为最危险的潜在破坏面。

3.2.3 位移分布

边坡位移分布云图见图9。边坡位移从坡体内部到坡表面逐渐增大。节理面以上的岩体位移最大，且靠近断层两侧的位移显著增加，与实际滑坡位置一致，证明模拟结果可靠[16]。根据图9（b）和（c）可知，力学性质较差的凝灰岩和千枚岩区域沉降较大，浅层节理面上部岩体与坡体相对位移明显，竖向和水平最大位移分别为62.0和2.8 mm，主要表现为沿节理面向下滑移，证明坡面出现正应力是由于坡体变形造成的。图9（d）反映被结构面切割的岩体与坡体的相对位移分布，位移分布与剪应力分布基本一致，即由内部至表面、由中间至两端位移逐渐增大，也与坡体主位移分布吻合。

3.2.4 破坏成因分析

通过数值模拟计算可知，由于边坡陡峭和结构面的切割作用，边坡坡面出现拉应力，高应变区域与弱层体贯通，节理面以上岩体相对位移明显。因此，顺坡向节理和断层切割边坡岩体是造成滑坡的主要原因，而较差的物理力学性质、节理发育和陡峭的地形特征导致边坡发生大规模滑坡灾害。边坡局部破坏是从结构面开始的，因此结构面力学性质对边坡具有重要作用。

3.3 危险截面分析与稳定性预测

1976年6月8日，南帮边坡剖面Ⅳ到剖面Ⅵ之间发生大规模滑坡，滑体体积约96 000 m3。闭坑后在无人为扰动的情况下，经过数十年的风化侵蚀作用，扩帮后的边坡再次沿顺向节理发生滑坡。因此，岩体和弱层体强度弱化是导致滑坡的重要因素。由图7（c）和图9（d）可知：2个节理面均出现剪应力，且深层节理受到的剪应力更大;深层节理结合较好且力学性能更好，因此其相对剪切位移小于浅层节理。随着时间推移，岩体强度弱化，边坡必然发生新的地质灾害。

3.3.1 构建模型

利用无人机航拍技术获取滑坡区截面信息并建立数值模型，见图10。

为直观体现节理面变形分布特征，采用软弱夹层模拟法模拟接触面。采用强度折减法计算边坡安全系数，并分析其应力和应变分布特征，预测边坡可能发生的地质灾害。

3.3.2 数值模拟结果和分析

基于FLAC3D软件的强度折减法得到破坏后边坡数值计算结果，见图11。当岩体和弱层体的强度折减后，力学性质较差的凝灰岩沉降加剧，深层节理面以上的岩体与坡体相对位移明显，整体向坡外滑移。根据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）[17]，在一般工况下，三级边坡安全系数应大于1.25。经计算，该截面安全系数为1.19，不满足标准要求。由图11（c）可知，边坡内部沿节理面产生滑带，并与坡表面贯通，边坡将沿滑带发生顺层滑移拉裂破坏。

3.3.3 稳定性预测

边坡截面安全系数为1.19，再次发生滑坡的概率较大。随着结构面和岩体强度弱化，坡体内部将出现贯通滑带，滑体沿滑带向临空面剪出，滑坡体高度达74 m，是露天矿安全的极大隐患。在充分预测边坡未来可能发生地质灾害的基础上，有必要对矿坑边坡进行加固和恢复治理。

3.4 边坡灾害治理措施和建议

数值模拟结果表明，滑坡区靠近断层两侧的位移较大，结构面切割岩体是边坡变形的主要因素。因此，针对地质调查和数值模拟结果提出以下建议。

（1）清理坡面碎石、剥除危险岩体、消除崩塌隐患，为后续加固措施做准备。

（2）锚索加固。边坡结构面发育充分，宜采用预应力锚索锚固表层岩体，设计时应充分考虑滑面 受力特征，对剪应力集中和大变形区域重点加固。

（3）减缓结构面风化。及时清理矿坑水和湿渣，设置排水沟，利用爬藤植物绿化坡面，保护岩体并恢复环境。

4 结术语

根据现场调查分析可知，某矿坑南帮边坡地形陡峭和节理发育是导致边坡失稳的主要原因。爆破开挖、边坡堆载和工程载荷等人为因素是引发灾害的重要原因。

数值模拟显示，顺向节理对破坏后边坡稳定造成威胁，折减后坡面岩体沿节理面相对位移明显，边坡内部形成贯通的滑带。

在坡体自重和结构面的切割作用下，坡面出现拉应力，高应变区域与软弱面贯通，坡面岩体沿节理面向下滑移，靠近断层两侧位移尤为显著，因此随着位移增大，最终发生滑坡。

参考文献：

[1]

吴荣庆. 我国矿业发展现状与发展趋势及对矿山工程装备的现代化需求[J]. 国土资源情报， 2010（8）： 3743.

[2] 祝介旺. 蓟县矿山高切坡地质灾害致灾模式及环境综合治理研究： 以蓟县大兴峪北矿区高切坡为例[J]. 工程地质学报， 2018， 26（2）： 348355. DOI： 10.13544/j.cnki.jeg.2017027.

[3] 杜时贵， 雍睿， 陈咭扦， 等. 大型露天矿山边坡岩体稳定性分級分析方法[J]. 岩石力学与工程学报， 2017， 36（11）： 26012611. DOI： 10.13722/j.cnki.jrme.2017.1236.