基于Midas GTS/NX的矿山露采边坡稳定性分析

范志宏， 王 旭， 胡友邦 ， 朱 烨

(1.中化地质矿山总局湖北地质勘查院，武汉 430074； 2.湖北工程学院生命科学学院，湖北孝感 432100)

矿山企业露天采矿活动不仅会造成矿山地形地貌景观、土地资源以及含水层的破坏，还会形成不同规模的岩质边坡，而岩质边坡稳定性分析评价的结果是露采矿山地质环境恢复治理方案设计的重要依据。

目前，岩质边坡稳定性的分析方法包括定性分析法、定量分析法和非确定性分析法[1]。定性分析法包括工程类比法、图解法等；定量分析法包括极限平衡法、数值分析法等；非确定性分析法包括可靠性分析、模糊数学理论、区间分析法等[2-7]，其中尤以定性与定量分析相结合的评价手段最为常见[8-12]。随着数值模拟技术的飞速发展，通过定性分析来判断边坡的潜在滑塌形式，再通过FLAC3D、Midas GTS/NX等软件构建合适的分析模型，便可获取岩质边坡的稳定系数，不仅计算效率得到了提高，还可以使计算结果可视化，通过应力应变的分布，还可以获取边坡的潜在滑动面[13-16]。

笔者以湖北某矿山露采边坡为例，利用极射赤平投影法判断边坡的失稳破坏机制，再通过Midas GTS/NX构建边坡失稳前主剖面模型，将模拟结果与实际情况进行对比，定性判断模型的可靠性；最后，以失稳前的模型为基础建立现状剖面模型，根据模拟结果给出防治工程设计建议。

1 研究区概况

本次研究对象为湖北省钟祥市境内的一处建筑石料矿露采边坡，位于所处山体的东麓。矿山范围内出露的地层较为简单，仅出露震旦系上统灯影组，为一套厚层状细粒鲕状白云岩建造，是赋矿层位，与下伏陡山沱组呈整合接触，岩层产状80°∠32°。矿区位于冷水铺背斜内，受地质构造影响，区内地层发生倒转，岩矿呈单斜层状产出，矿山范围内无大的断裂和褶皱构造，地质构造简单。

1.1 水文地质条件

震旦系上统灯影组白云岩属碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组，基岩岩溶裂隙不发育，矿区范围内未见出水点，且采坑内常年无积水，说明矿区地层渗透性好，排泄能力强，大气降水可以沿山地低凹地带和沟谷直接排泄至区外，含水层富水性弱。

矿山整体位于当地侵蚀基准面以上(矿山开采最低标高+140.5m，当地最低侵蚀基准面位于矿区外西南侧，标高+83.6m)，地形地势有利于自然排水，因此，水文地质条件属简单类型。

1.2 工程地质条件

震旦系上统灯影组主要以白云岩为主，灰岩和生物灰岩次之，主要矿物成分包括方解石、白云石、燧石、绿泥石及少量有机质、赤铁矿。矿石呈粒状结构，块状、条带状构造，厚度大且遇水不易软化。经取样测定，岩石抗压强度为46.28～115.38MPa，平均78.44MPa，力学强度高，但岩层存在4～10m厚的风化层(平均厚度为8m)，风化层节理裂隙发育，对露采边坡的稳定性存在一定的不利影响。

综上结合矿山地形地貌条件分析，虽然地层岩性单一、地质构造简单、岩石强度较高，但开采边坡高陡，风化层裂隙发育，存在失稳的可能，因此，工程地质条件属中等类型。

1.3 露采边坡概况

矿山露采边坡坡面呈“U”形，按照其处于采坑的方位，可以分为北、西、南三个部分。

边坡西部分布有6处开采平台，典型剖面坡向76°，倾角49°，边坡掌子面与岩层呈小角度斜交，为一处岩质顺向坡。边坡坡肩最高标高+217m，坡脚标高+114m，最大高差约103m。6处开采平台宽5～15m，平台内侧边坡坡角60°～80°，台阶高差8～20m。

边坡岩性为灰色中—厚层状白云岩，坚硬坚固岩类，风化层平均厚度约8m，岩体整体性好，完整程度为较完整，岩体质量等级Ⅱ级，岩壁受爆破影响，纵向次生节理裂隙密度较大，主要见2组节理裂隙：节理裂隙组j1,产状30°∠32°，延伸长度约8m，穿切长度较深，为泥质充填，裂隙宽3～5cm;节理裂隙组j2，j1的共轭陡倾裂隙组，产状350°∠85°，开度小，为碎石岩屑充填，见于坡体下部。边坡岩层层面为碎石及泥质充填，结构面较粗糙。

露采边坡北部和南部有平台1个，为边坡西部平台6的延伸，该两处边坡坡向与岩层产状呈大角度斜交或反向，属稳定结构，岩层风化程度低，现场调查未见崩滑、掉块现象，因此判定处于稳定或基本稳定状态。

边坡西部于2020年6月27—30日，在连续多次遭遇短时强降雨过程后，平台4下方岩体发生滑塌，滑塌方量约500m3。因此，边坡西部为本次工作的主要研究对象。

综上所述，该边坡属中型露采边坡，失稳后造成的直接经济损失小于50万元，危害等级为Ⅲ级，安全等级为Ⅲ级，依照《非煤露天矿边坡工程技术规范(GB51016—2014)》[17]，边坡的设计安全系数为1.10。

2 露采边坡稳定性定性分析

本次研究采用极射赤平投影法对边坡西部稳定性进行定性分析，通过分析结构面或结构面组合交棱线的产状与边坡产状的关系来定性判断边坡结构是否为稳定结构。矿山露采边坡、结构面要素以及赤平投影图如图1所示。

编号边坡要素倾向/(°)倾角/(°)BP边坡产状7649D岩层产状8032j1节理裂隙组j13032j2节理裂隙组j235085编号组合交棱线倾向/(°)倾角/(°)①BP-D1615②BP-j11831③BP-j27449④D-j15530⑤D-j27732⑥j1-j27823图1 露采边坡西部赤平投影分析Figure 1 Polar stereoscopic projection analyses for surface mining slope western part

从图1可以看出，边坡坡向与岩层倾向基本一致，且岩层倾角小于边坡总体坡度，因此，该处边坡整体上可能发生的滑动类型为平面滑动。进一步分析，节理裂隙组1仅发育于边坡的下部，位于已塌滑区域的南侧，与岩层呈小角度斜交，组合交棱线(编号④、⑤、⑥)外倾，且倾角小于坡度，易对岩体切割造成局部楔体滑塌，已塌滑区域即为受节理裂隙组j1、j2和层面共同控制而引发的楔体滑塌，但由于节理裂隙组j1、j2分布范围有限，因此对边坡整体稳定性影响有限。除此之外，边坡广泛分布有爆破所产生的次生裂隙组，密度为1～2条/m，虽然坡体均可见同组裂隙，但均为闭裂隙，穿切深度和延伸长度均较小，对坡体稳定性基本无影响。

综上所述，该边坡结构为不稳定结构，可能引发顺层滑动和局部楔体滑塌，因此，需要进一步定量分析计算。

3 露采边坡数值模拟分析

本次研究采用Midas GTS/NX软件来对露采边坡进行数值模拟，选取的方法为有限元强度折减法(SRM)。

3.1 岩体物理力学参数

由于矿山已处于闭坑阶段且当地地震烈度为Ⅵ度，因此选取计算两种工况：工况一为正常工况，工况二为自重+强降雨。相应的岩体物理力学参数赋值表1所示。

表1 岩体物理力学参数赋值Table 1 Rock mass physical and mechanical parameters assignment

说明：表中岩体容重为实验室测定，其它根据岩体实际情况参照标准规范和经验赋值。

3.2 失稳破坏前模型(模型一)建立与验证

本次研究选取露采边坡西部的典型剖面进行数值模拟分析，同时该处剖面也穿切经过塌滑区，塌滑前剖面如图2所示。通过Midas GTS/NX软件建立边坡剖面二维分析模型如图3所示。模型按照岩层的风化程度分为两层，采用矩形剖分，剖分单元时在中等风化层和分层界限附近进行了适当加密，共剖分出1 747个节点和1 671个矩形单元。对各层材料属性进行赋值， 模型左侧与下侧边界约束类型为固定端约束，分析模型为摩尔-库伦模型，计算方法为强度折减法，分别对两种工况进行模拟计算。计算结果如图4所示。

两种工况下计算的边坡稳定性系数分别为1.18和0.93，根据规范判断分别处于稳定状态和不稳定状态。即暴雨工况下，边坡稳定性较差。

根据应变云图(图4)进行分析，两种工况下边坡的破坏形式均主要以X方向位移为主，即岩质边坡的破坏形式主要为滑塌，应变集中区位于坡脚处(平台五以下部分)，与本次塌滑区分布范围相吻合。结合主要分布于坡脚处的剪切节理裂隙组j1、j2考虑，连续强降雨过程、结构面的存在(节理裂隙组j1、j2和岩层层面)是构成边坡坡脚处失稳滑塌的主要原因。

综上所述，正常工况下，边坡整体处于稳定状态，但局部高陡、受层面或层面和节理裂隙面的共同控制处于欠稳定状态，可能引发滑塌、掉块等地质灾害，即局部处于欠稳定状态。暴雨工况下，边坡处于不稳定状态，变形破坏区主要分布于坡体下部风化层。模型模拟结果与实际情况相符，即模型参数选取以及模型构建合理。

图2 典型剖面图(失稳前)Figure 2 Typical section (before unstable)

图3 典型剖面二维模型(失稳前)Figure 3 Typical section 2D model (before unstable)

图4 模型一输出结果Figure 4 Model 1 output result

同理，对边坡塌滑区所处坡段现状(模型二)条件下数值模拟分析可知，正常工况下塌滑区所处的坡段处于基本稳定状态，其余坡段处于稳定状态，但坡体局部高陡，加之受层面、节理裂隙组j1、j2等多组不利结构面控制，可能引发滑塌、掉块等地质灾害；暴雨工况下，边坡整体处于不稳定状态。根据应变云图，两种工况下，坡脚处(平台四以下坡段)均为应变集中区，在实施治理工程时，应当设置为防治工程重点实施区域，清除临空危岩体，采取主动防护网工程、锚固工程等防护工程措施进行综合治理。

4 结论与建议

4.1 结论

1)通过野外调查判定项目区露采边坡水文地质条件属简单类型、工程地质条件属中等类型，确定露采边坡安全等级为Ⅲ级，设计安全系数Fst为1.10。

2)采用极射赤平投影分析法对边坡稳定性进行了定性分析，结果表明岩层层面和节理裂隙组j1、j2的组合结构面致使边坡结构为不稳定结构，潜在破坏类型为平面滑动和楔体滑塌。

3)借用Midas GTS/NX软件建立典型剖面滑塌前的分析模型(模型一)，采用强度折减法进行模拟计算，根据计算结果定性判断参数选取和模型的可靠性，分析结果与实际情况相符，模型参数和构建合理。根据模型一的参数设置和分析方法以及现状剖面建立了典型剖面现状二维分析模型，综合分析结果表明：正常工况下边坡整体处于稳定或基本稳定状态，局部处于欠稳定状态，暴雨工况下处于不稳定状态；根据应变云图分析，边坡两种工况下的变形破坏类型均以滑塌为主，应变集中分布于坡脚处，其中滑塌区不稳定坡段位于平台4与平台6之间，其余坡体不稳定坡段为平台4以下部分。

4.2 防治工程建议

模拟计算结果表明露采边坡局部欠稳定且暴雨工况下处于不稳定状态，高差大、坡度陡，具有较大的危险性，由于边坡为人工开挖所形成，因此，根据模拟分析结果，提出如下建议：

1)由于边坡天然工况下尚存在欠稳定的坡段，因此应当立即实施监测与安全警示工程，重点针对露采边坡西侧设置形变监测点，并在雨季加密监测周期，坡脚处与坡肩应当设置安全警示牌。

2)露采边坡西侧平台四以下坡段建议设置为防治工程重点实施区域，清除危岩体，采取主动防护网工程或锚固工程等防护工程手段对坡体进行加固防护，以防结构面对岩体切割致使发生滑塌、掉块等地质灾害。

3)边坡由于处于山体的中下部，因此建议在坡体周围挖设截排水沟，以防雨水侵蚀岩体，加剧岩体的风化程度。

4)治理后的边坡平台建议采取覆土复绿工程。