琅琊山露天矿山边坡稳定性的离散单元强度折减法分析*

刘长青 王尚勇 董斌 王亮 赵旭东

(1.安徽省应急管理科学研究院 合肥 230061; 2.铜陵化工集团新桥矿业有限公司 安徽铜陵 244132)

0 引言

露天矿山边坡稳定性一直是矿山安全领域的研究重点[1]。随着我国基础建设的快速推进，很大程度上带动了建材市场的飞速发展，有些露天矿山企业，特别是中小型采石场，盲目追求经济利益，开采过程中形成了高而陡的不稳定边坡，虽然后期经过资源重组，关停了不具备安全生产条件的露天矿山，但前期粗放式开采造成的高陡边坡始终存在着很大的安全隐患。由此，露天矿山边坡稳定性研究就显得尤为重要。

本文依据琅琊山露天矿山边坡结构面产状，分析了结构面概率分布特征，建立了概率模型，阐述了岩体内节理裂隙的各几何参数(节理密度、节理倾角、节理迹长)的随机分布规律，建立了岩质边坡的裂隙网络模型，应用离散单元强度折减法分析了岩质边坡裂隙网络模型安全稳定性，获得了边坡安全稳定性系数、岩体位移场与应力场分布及塑性区发育特征。

1 离散单元强度折减法原理

分析边坡稳定性的传统方法主要有极限平衡法和有限元法[2-3]。由于岩体中含有大量的诸如层面、节理、裂隙、软弱夹层、断层破碎带等结构面[4]，给岩质边坡的稳定性分析带来了很大的困难。在低应力条件下岩体强度主要由结构面控制，传统的极限平衡法不适合计算复杂岩质节理边坡的滑动面与稳定安全系数[5]，有限元法对节理岩质边坡的稳定分析需要设置节理单元，而离散单元法能真实地表达节理岩体的几何特征，便于处理非线性变形和破坏都集中在节理面上的岩体破坏问题，可以更好地模拟边坡的稳定状况[6-7]。将离散单元法与强度折减技术相结合，不需要事先指定滑动面的位置和形状[8]，即可获得边坡的安全系数、变形及塑性区，以及临界滑动面等，为岩质边坡稳定性分析提供了一种全新、有效的手段。

边坡安全系数通常被用来衡量边坡稳定性程度的大小，通过坡体的抗剪强度与潜在滑动面上产生的剪应力的比值来表示。在岩体潜在滑动面上剪应力一定的情况下，通过对岩体抗剪强度的折减，使边坡达到临界破坏状态时，此时的折减程度即为边坡的安全系数[9-10]，该方法即为强度折减法。离散单元中强度折减法是根据边坡模型确定折减系数的上下边界值，设置合理的解算步数。根据折减过程精度需求，设置解算的最终计算精度要求，再通过改变抗剪强度，获得边坡模型到达临界破坏状态时的折减系数，即边坡在初始抗剪强度下的安全系数。

2 边坡稳定性数值分析

2.1 点荷载试验数据分析

琅琊山矿业露天矿山位于安徽省凤阳县南部山区偏西灵山—木屐山一带，为玻璃用石英岩矿。采掘面积为15.6万m2，开采台阶有6个，最大开采边坡高度154.4 m，台阶坡面角65°～80°。本次选择+155 m开采平台边坡为研究对象，边坡高度125 m，边坡角65°，如图1所示。

图1 +155 m开采平台现场

现场采取岩样，按风化程度、矿石色泽、锤击回弹特性等情况分为11组试件，编号为Ⅰ～Ⅺ。按照《工程岩体试验方法标准》进行测试，删除每组数据中异常值，计算每组试件均值、标准差、变异系数及置信区间，统计结果见表1。由点荷载换算岩石单轴饱和抗压强度Rc和抗拉强度Rt，由Mohr-Coulomb强度准则换算岩石粘聚力C、摩擦角φ以及岩石点荷载强度指数Is(50)，统计结果见表2。

表1 点荷载分组数据统计值

表2 点荷载分组数据标准值换算统计

2.2 结构面采样分析

对研究对象结构面进行采样统计，通过极点赤平投影作图法(图2、图3)，按照投影点分布的密集程度把结构面划分为3组，如表3所示。

图2 结构面方位投影

图3 结构面方位等密度线

表3 结构面分组情况

2.3 建立模型

边坡含有3组节理，根据结构面样本数据获得各组节理几何参数，如表4所示。

表4 节理裂隙几何参数

运用离散元程序中FISH语言编制节理裂隙程序，利用Monte-Carlo法得到[0，1]区间节理中心点均匀分布随机数，生成服从特定分布的随机节理裂隙，建立边坡节理网络模型，在离散元程序中用强度折减程序计算其安全系数[11]。该露天矿山+155 m开采平台边坡节理网络模型生成图如图4所示。

图4 +155 m开采平台边坡随机裂隙网络模型

2.4 边坡稳定性分析

通过数值软件强度折减程序计算，+155 m开采平台边坡安全系数为 1.599 9。若将该边坡模型用离散元程序直接进行稳定性分析而不进行强度折减计算，因其安全系数大于1，属于稳定边坡，则在分析结果所得的位移云图中不能观察到潜在滑裂面；但对该边坡模型进行强度折减计算后，相当于将边坡抗剪强度降低到和剪切力相等的情况，强度折减后边坡中潜在滑裂面才能显示出来。图5为强度折减后得到的位移云图，从图中能明显观察到潜在滑裂面的位置。上述2种方法的对比体现了强度折减法在预测边坡潜在滑裂面方面的优势。

图5 +155 m平台边坡强度折减X方向位移云图

由图5可知，沿坡面形成一圆弧滑动面，由滑动面至坡面方向水平位移逐渐递增；沿坡面方向，水平位移由上至下逐渐增大；最大水平位移发生在坡角，其值达8 cm；滑动体位移场水平方向优于垂直方向，即滑动体在边坡开挖前在该部位由受压状态转变为拉压状态，岩土体力学参数逐渐劣化，尤其在坡角岩土体受拉剪影响，其力学参数劣化更快。

图6为边坡体剪应变增量云图，剪切滑动面位于坡面内6.1 m左右位置，剪应变增量最大值位于坡脚位置，最大剪应变值为0.033，对中硬岩体来说，其剪应变值处于破坏临界区间。

图6 +155 m平台边坡剪应变增量云图

图7为边坡体最小主应力云图，由边坡体内部至坡面，最小主应力逐渐减小；在坡面位置，最小主应力方向近乎与坡面垂直，甚至在坡面位置最小主应力由压应力转变为拉应力；而最大主应力主要表现为近乎平行于边坡面。

图7 +155 m平台边坡最小主应力云图

图8为边坡体塑性区分布云图，坡面浅部岩体主要表现为拉伸破坏，由坡面向边坡体内部一定范围岩体主要表现为剪切破坏，坡底表层岩体表现为剪切破坏。

图8 +155 m平台边坡塑性区云图

从上述分析可知，边坡开挖后，原先处于三向压应力状态的岩土体，在坡面至滑动面间岩土体受力状态逐渐改变，垂直方向压力变化幅度较小，垂直坡面水平方向岩土体由受压状态转变为受拉状态，在这压剪受力状态条件下，岩土体力学性质由浅部逐渐向深部劣化，直至最终形成滑动面为止。

3 结论

(1)通过对琅琊山矿业露天矿山+155 m平台边坡11组试件进行采样分析，获得每组试件均值、标准差、变异系数及置信区间，并计算出每组试件的Rc、Rt、C和φ值。采用极点赤平投影作图法，把该边坡结构面划分为3组节理，并建立边坡节理网络模型。

(2)利用离散单元法和强度折减技术，获得该平台边坡安全系数为1.599 9，属于稳定边坡。分析了该露天矿山+155 m平台边坡的安全稳定性、平台边坡岩体位移场与应力场分布及塑性区发育特征。

(3)经过力学实验和数值模拟分析可知，琅琊山露天矿山边坡的岩体中含有许多不同构造的复杂结构面，在外界应力很小的情况下，边坡岩体的稳定性主要由其内在结构面所决定。极限平衡法和有限元分析法已不适合分析存在复杂结构面的边坡岩体稳定性。

(4)离散单元法可以获取边坡岩体真实的几何特征，更好地表达岩体破坏的内在机理，并模拟露天矿山边坡的稳定状况。强度折减法可以通过改变岩体的抗剪强度来获得边坡岩体的安全系数。基于离散单元法的强度折减技术可以更准确的分析露天矿山边坡的安全稳定性。