软弱结构面的赋存条件对露天矿顺层岩质边坡劣化的数值模拟研究

姜 超，孙宇超*，龚梦洋，李忠鹏

（中铁十九局集团矿业投资有限公司，北京 100071）

露天矿边坡稳定性问题一直以来都受到国内外学者的广泛关注，这是因为露天矿边坡稳定性是矿山重大的地质灾害之一，对矿山的安全生产有着举足轻重的地位。然而，由于地质条件的不同，顺层边坡结构面的赋存条件存在较大差异，其差异主要表现为单结构面顺层边坡和多结构面顺层边坡。单结构面顺层边坡根据其岩层产状的不同，其软弱结构面主要受角度的影响相对较大；多结构面顺层边坡，在地质构造的影响下，边坡存在大量切角岩层，切角岩层面向边坡的临空面，对边坡存在不同程度的劣化影响。基于此，近年来许多学者对顺层边坡投入了大量的研究工作，例如：王章琼[1]等采用UDEC离散元软件分析了顺层边坡的破坏模式和稳定性，研究结果表明边坡主要有滑移和拉裂-滑移两种破坏方式。李宗鸿[2]等采用顺层边坡的相似试验和数值模拟两种方法研究了陡倾顺层边坡地下开挖失稳的模式，并计算了该边坡的安全系数。陈笑楠[3]等利用屈曲理论和突变理论针对顺层边坡的结构缺陷分析了边坡的不稳定状态。刘新荣[4]等采用振动台模型试验和数值计算方法研究了频发微小地震下顺层岩质边坡的累计损伤和边坡的稳定性。郝喆[5]采用现场调查、土工试验和生态环境治理设计等多种方法对露天矿超高边坡建立了生态环境治理方案。韩新平[6]等通过现场调查及试验，对中等倾角顺层不稳定边坡结构提出了优化方案，不仅满足了边坡的安全要求，也为类似矿山的边坡安全设计提供了参考。目前研究边坡稳定的方法以极限平衡法和强度折减法[7，8]最为常见，同时FLAC3D数值模拟软件常被用来研究边坡的稳定性，这是因为该软件不仅能以强度折减法为基础计算出边坡的安全系数，也可以清楚的计算出边坡滑动面的位置。因此本文采用FLAC3D数值软件探索露天矿顺层岩质边坡软弱结构面的不同赋存条件对边坡稳定性的影响。

1 模拟方案

经过查阅大量文献和现场实地调查发现，现阶段我国露天矿边坡台阶高度为15m的居多，因此本文拟设计露天矿边坡参数为：台阶高度为15m，最终台阶坡面角为65°，安全平台为4m，清扫平台为8m，每两个安全平台设置一个清扫平台，终了边坡的角度为52°。研究中设置10个台阶作为终了边坡研究对象，即终了边坡高度为150m。

此次研究采用数值模拟的方法对露天矿顺层岩质边坡结构面在劣化条件下的边坡稳定性进行分析。其主要研究目的是分析顺层岩质边坡结构面不同倾角及多结构面对边坡稳定性的劣化影响。并根据研究结果分析顺层地质条件下，边坡的的失稳模式及劣化程度。为今后开展边坡稳定性分析提供科学依据。单结构面和多结构面对边坡稳定性影响的研究方案具体分述如下。

单结构面以研究不同倾角对边坡稳定性的影响，其中结构面贯穿边坡的顶底部，且结构面上下均为均质岩体，不存在切角岩层，单结构面倾角分别设置为：0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°和45°。多结构面以研究顺层边坡存在多个结构面时对边坡稳定性的影响，多结构面的研究方案为：终了边坡结构面由1~5逐渐递增，其中该终了边坡的特点是存在大量切角岩层。

2 模型的建立

根据模拟方案中露天矿终了边坡的台阶相关参数及软弱结构面研究方案建立终了边坡的数值计算模型。根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016-2014）可知，边坡稳定性的标准为边坡的安全系数，因此模拟中采用边坡的安全系数作为衡量边坡稳定性的强弱标准。所建立的边坡模型如图1所示（根据研究方案所建立的模型较多，因此选取两个典型的模型进行展示），模型的尺寸为：长×宽×高=150m×10m×150m。共建立2592个节点，1638个单元。为保证模拟结果的准确性，在终了边坡的结构面附近网格进行了加密处理。同时为保证模拟的正确性需对模型做出如下假设：

图1 模型示意图

（1）各岩层均为各向同性的均质体。

（2）符合摩尔-库伦弹塑性理论模型。

（3）模拟中不考虑地下水和时间效应的影响。

由于该矿山为露天开采，因此模拟过程中不考虑水平应力的影响，模型仅受重力影响且重力加速度即 取9.8。

2.1 模拟中力学参数的确定

为获取相对较为准确的力学参数，通过对某石灰岩露天矿现场调查取样，并进行室内岩石力学试验确定。试验结果，岩石的平均单轴抗压强度为86.17MPa，平均弹性模量为20.44GPa。试验部分图件如图2所示。

图2 岩石应力-位移曲线

根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016-2014）和Hoek-Brown强度准则，结合式（1）~式（7）将该矿山岩石力学参数转化为岩体力学参数如表1所示。

表1 岩体力学参数

通过阅读文献了解到岩体主要以剪切和拉伸破坏为主，且岩体的物理力学性质及破坏方式与弹塑性材料较为相似，因此，模拟中采用摩尔-库伦本构模型，在此本构模型条件下，FLAC3D数值计算中需赋予岩体体积模量和切变模量参数，该参数的计算公式分别如式（8）和公式（9）所示，计算所需其它参数参照表1。

式中，K为体积模量，G为切变模量，E为弹性模量，v为泊松比。

2.2 边界条件

边界条件包括位移边界、加速度边界和应力边界，由于所研究边坡为露天矿岩质顺层边坡，边坡高度为150m，为地表开采，因此模拟中不考虑水平地应力对边坡稳定性的影响，只考虑在重力作用下边坡的稳定性。因此，模拟中采用Fix约束模型左侧边界和底部边界的水平位移和加速度，模型顶部和模型右侧边界为自由边界不受约束。并通过稳定性系数和边坡最大剪应变来对露天矿顺层岩质边坡进行稳定性分析。

3 结果分析

3.1 模拟结果

根据模拟方案计算得到露天矿顺层岩质边坡在单结构面不同倾角条件的边坡剪应变和安全系数云图如图3所示；多结构面边坡剪应变和安全系数云图如图4所示（由于计算云图较多，因此这里只展示部分典型图件以说明问题）。

图3 单结构面不同倾角下的边坡模拟云图（部分图件）

图4 多结构面劣化条件下边坡剪应变模拟云图（部分图件）

将FLAC3D数值计算结果得到的数据导入Origin后处理软件，分别得到露天矿顺层岩质边坡在单结构面不同倾角和多结构面劣化条件下的安全系数统计图分别如图5和图6所示。

图5 单结构面不同倾角下的边坡安全系数

图6 多结构面劣化条件下边坡的安全系数

3.2 数据分析

根据图3可知，露天矿顺层岩质边坡存在单结构面时（结构面上下均为均质岩体不存在切角岩层如图1a所示），其边坡的最大剪应变主要出现在软弱结构面处，岩体会沿着软弱结构面进行滑动；由图4可知，当露天矿岩质边坡存在多结构面的劣化条件时，边坡的最大剪应变位置依旧出现在边坡的软弱结构面处，且随着结构面的增加，边坡的最大剪应变的位置会随之下降，但边坡顶部的结构面位置会存在相对较大的剪应变。这说明，露天矿顺层岩质边坡在多结构面劣化因素的影响下，顺层边坡的滑动会优先沿着下部的软弱结构面进行，同时，岩体顶部的软弱结构面也会相应产生滑动。

根据图5可知，单结构面顺层岩质边坡随着倾角的增加，边坡的安全系数逐渐降低，且当结构面倾角由0°增加至5度时，边坡的安全性变化较大，由5°增加至30°时，边坡安全系数近似呈线性降低趋势，由30°增加至40°时，边坡安全系数急转直下，边坡的不稳定性急剧增加，当结构面倾角由40°增加至45°时，边坡的安全系数显著增加，这是因为结构面以上的岩体相对较少，其重量相对较少，且结构面底部的反向支撑应力相对得到提高，这时，边坡不易产生滑动破坏，但是此时的边坡最易产生倾倒破坏，需严加防范。由图6可知，露天矿顺层岩质边坡在多结构面劣化因素影响下，边坡的安全系数先近似呈“直线型”下降趋势，而后边坡的安全系数显著降低，这说明，露天矿顺层岩质边坡随着软弱结构面的增加，边坡的安全系数会显著降低。

由于多结构面顺层边坡存在大量的切角岩层和多个软弱面，对边坡的影响相对复杂（如图1b所示）。因此本文对多结构面劣化条件下的露天矿岩质边坡的位移和应力进行了分析，计算得到多结构面劣化条件下的边坡位移、应力云图（部分云图）分别如图7和图8所示。

图7 多结构面劣化条件下边坡位移模拟云图（部分图件）

图8 多结构面劣化条件下边坡应力模拟云图（部分图件）

根据图7可知，露天矿顺层岩质边坡在多结构面劣化因素影响下，岩体的水平位移主要发生在岩体结构面以上的岩体之中，且各结构面处均有水平位移产生；根据图8可知，存在多结构面的顺层岩质边坡，岩体的水平拉应力主要集中在结构面以上的岩体之中，且各结构面附近均存在不同程度的拉应力集中现象。由此可以得出，露天矿顺层岩质边坡在多结构面劣化因素影响下，边坡的稳定性显著降低，边坡的破坏主要以滑动破坏为主，且岩体沿各结构面均会产生不同程度的滑动破坏。

4 结论

本文通过对露天矿顺层岩质边坡的结构面劣化因素进行分析可知，当露天矿顺层边坡为单结构面时，结构面上下均为均质岩体不存在切角岩层，因此边坡的最大剪应变位置出现在软弱结构面处且边坡的安全系数呈现先降低后增高的趋势；经分析，边坡稳定性提高的原因是，结构面以上岩体重量急剧降低，岩体重力在水平方向的分力明显下降，且边坡底部对结构面上部岩体的支撑力有所增加所致。当露天矿顺层边坡为多结构面时，边坡出现大量的切角岩层，且边坡的拉应力和位移主要出现在边坡结构面及结构面上部岩体内，边坡的稳定性急剧降低同时边坡的安全系数呈不断下降的趋势。此次研究不仅提供了露天矿顺层边坡的破坏模式，也为顺层边坡的稳定性优化及边坡的支护提供了科学依据。