王 強 吳 尚

（1.金堆城鉬業(yè)股份有限公司礦山分公司；2.武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院）

露天礦山邊坡穩(wěn)定性關乎礦山安全生產(chǎn)，是影響礦山經(jīng)濟的重要因素之一。針對露天礦山邊坡的穩(wěn)定性問題，科學有效地進行邊坡穩(wěn)定性分析與評估是維護礦山安全的重要手段。通過對邊坡的地質結構、地下水位、坡度、高度、巖體力學參數(shù)等因素進行綜合分析，可以得出邊坡的穩(wěn)定性評估結果，對于采取相應的措施，提高邊坡穩(wěn)定性具有重要的指導意義。近年來，隨著數(shù)值模擬技術的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了Abaqus、Geo-studio、FLAC等大型模擬軟件［1-4］。趙尚毅等［5］指出邊坡破壞時會產(chǎn)生無限發(fā)展的位移，僅僅依靠邊坡從坡腳到坡頂?shù)乃苄詤^(qū)貫通不足以斷定此邊坡已經(jīng)失穩(wěn)，還應看是否產(chǎn)生了很大且無限發(fā)展的塑性應變和位移，因此提出將計算收斂和塑性區(qū)貫通共同作為邊坡失穩(wěn)的依據(jù)；劉金龍等［6］提出特征部位位移突變性結合塑性區(qū)的貫通性作為失穩(wěn)判據(jù)；連鎮(zhèn)營等［7］認為某一幅值的廣義剪應變從坡腳貫通到坡頂，則視為邊坡破壞，但廣義剪應變包括彈性部分和塑性部分，以廣義的剪應變不能準確反映土體塑性區(qū)的發(fā)展過程。

本文采用強度折減法，利用FLAC3D軟件，對某礦山礦區(qū)4 個分區(qū)邊坡在爆破振動荷載下的穩(wěn)定性系數(shù)進行了模擬分析。

1 工程概況

某露天礦礦區(qū)內分布地層由老至新分別為二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P21）、三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）、第四系（Q）。

對不同地段構造節(jié)理裂隙進行了專門觀察研究及統(tǒng)計，經(jīng)對礦區(qū)統(tǒng)計的構造節(jié)理進行分析表明，礦區(qū)發(fā)育節(jié)理主要有3 組：a 組115°∠43°、b 組230°∠60°、c組336°∠72°。

對礦區(qū)巖石進行力學實驗，依據(jù)邊坡巖體質量評價成果，綜合考慮RQD 等環(huán)境因素影響的影響，運用多種方法從不同角度對此礦山巖石力學參數(shù)進行工程折減處理，獲得了巖體力學參數(shù)。對于抗剪強度參數(shù)c、φ值取不同方法得出結果；巖體單軸抗壓強度、抗拉強度和變形模量采用由Hoek-Brown 法折減得出的參數(shù)。邊坡巖體力學參數(shù)綜合選取值見表1。

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2 計算模型構建

2.1 計算工況與參數(shù)取值

本文將采用強度折減法模擬爆破振動荷載下邊坡穩(wěn)定性，采用等效靜力法考慮爆破振動力，參考頒發(fā)的《非煤露天礦邊坡工程技術規(guī)范》（GB 51016—2014），第i條塊的爆破振動力按照下式計算：

式中，F(xiàn)i為第i條塊爆破振動力的水平向等效靜力，kN；Wi為第i條塊的重力；kN；βi為條塊爆破力系數(shù)，取0.1～0.3；a為第i條塊爆破振動質點的水平向最大加速度；m/s2；f為振動爆破頻率，Hz；V為邊坡質點振動速度，cm/s；Vi為第i條塊重心處質點水平向振動速度，m/s；Q為爆破裝藥量，kg；Ri為爆破區(qū)藥量分布的幾何中心至觀測點的距離，m；K，α為與巖體性質、爆破條件等有關的系數(shù)。

礦山采用中深孔微差爆破，單孔裝藥量約為150 kg，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）取頻為20 Hz，爆破場地條件有關的衰減系數(shù)K取值為150，α取值為1.5，Ri取值為30 m，本文采用強度折減法模擬爆破振動荷載下邊坡穩(wěn)定性，爆破振動采用等效靜力法模擬，得出αi=14.04 m/s2。

2.2 計算剖面

根據(jù)礦區(qū)內不同方位邊坡工程地質情況及終了邊坡高度等參數(shù)，將該礦山擬設計的終了邊坡劃分為4 個區(qū)域，即I—I′～Ⅳ—Ⅳ′剖面所在邊坡區(qū)域，由于I—I′剖面邊坡所在區(qū)域為順層邊坡，且邊坡高度較高為173 m，故選擇為代表性剖面，其余剖面分別為切向坡或逆向坡，一般而言，在分析露天邊坡穩(wěn)定性時，順層邊坡的穩(wěn)定性較差，應予以重點關注。各邊坡剖面圖如圖1所示。

3 邊坡穩(wěn)定性判據(jù)

3.1 邊坡工程安全等級確定

此露天礦邊坡終了邊坡高度為173 m，小于200 m，屬于中、低邊坡。當邊坡失穩(wěn)有人員受傷時，直接經(jīng)濟損失50 萬～100 萬，間接經(jīng)濟損失500～1 000 萬，邊坡失穩(wěn)危害性嚴重。因此，根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術規(guī)范》（GB 51016—2014）中的邊坡危害等級劃分標準，將該礦山邊坡危害等級定為Ⅱ級?；谠撘?guī)范中的邊坡工程安全等級劃分標準，邊坡工程安全等級整體取為Ⅱ級。

3.2 許用安全系數(shù)

邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)是評價和衡量邊坡穩(wěn)定性的最終定量指標，與邊坡力學性質和工程選用的參數(shù)等因素有關，最小允許安全系數(shù)的確定是非常復雜的問題。邊坡的安全系數(shù)Fst是邊坡穩(wěn)定性判據(jù)的重要參數(shù)，是判斷邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的重要閥值。如在采用極限平衡法對邊坡穩(wěn)定性進行分析時，首先計算出潛在滑動面上的綜合抗滑力與綜合下滑力的比值穩(wěn)定性系數(shù)Fs，隨后通過比較Fs與Fst的大小關系來評估邊坡的穩(wěn)定性，當Fs大于Fst時為邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，當Fst小于Fs時邊坡為不穩(wěn)定狀態(tài)。

《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）中第3，6，9條對邊坡穩(wěn)定性計算方法進行了規(guī)定，第3，6，10條對邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)作出了具體規(guī)定，見表2。

根據(jù)《非煤露天礦山邊坡工程技術規(guī)范》（GB 51016—2014）以及邊坡等級分級，設計爆破震動荷載下總體邊坡安全系數(shù)設計為1.18。

4 基于強度折減法邊坡穩(wěn)定性分析

強度折減法是一種應用廣泛的數(shù)值模擬方法。1975 年Zienkiewiczn 提出了抗剪強度折減系數(shù)的概念，分析了邊坡應力和位移變化使巖土體抗剪強度降低的特性，并將極限狀態(tài)下的折減系數(shù)被認為是邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。此后，以強度折減法為基礎的數(shù)值分析方法在邊坡穩(wěn)定性分析中得到普遍應用。本文采取使用FLAC3D軟件進行數(shù)值計算，根據(jù)強度折減法對爆炸振動荷載作用下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)進行模擬分析。

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4.1 基于FLAC3D的邊坡穩(wěn)定性計算

FLAC3D可以計算出破壞面上產(chǎn)生較大的剪應變增量，是一個和巖體某一節(jié)點位移相關的物理量，是邊坡的穩(wěn)定的一個重要參數(shù)。結合彈塑性力學理論和莫爾-庫侖強度理論，巖土體的破壞原因是內部的任意一面上的剪應力超過其極限剪應力而發(fā)生破壞，破壞后產(chǎn)生較大的剪切變形，進而巖土體發(fā)生破壞。

根據(jù)剖面圖I—I′、Ⅱ—Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′、Ⅳ-Ⅳ′在AutoCAD 中生成模型，利用Rhino 軟件的Griddle 插件進行網(wǎng)格劃分，然后轉化為FLAC3D軟件的文件格式，最終在FLAC3D中生成I—I′剖面計算模型進行計算，x軸正向為指向邊坡內，z軸豎直向上，底部采用全約束，垂直于x軸的面采用法向約束，計算結果如圖2、表3 所示。

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由圖2、表3 可看出，4 個剖面的安全系數(shù)分別為1.7，1.63，1.68，1.55，各分區(qū)邊坡在爆破震動荷載工況下穩(wěn)定性系數(shù)均大于設計的許用安全系數(shù)，表明此邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。當巖體力學參數(shù)折減系數(shù)達到安全系數(shù)時，邊坡處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，并且最大剪切應變增量位于設計爆破區(qū)域，方向指向爆破區(qū)域的法向方向，當邊坡處于臨界狀態(tài)時，將首先從最大剪切應變增量位置（爆破處）發(fā)生破壞。

5 結 論

通過對某礦區(qū)現(xiàn)場工程地質進行調查，結合室內巖石實驗以及工程地質巖體的質量評價獲得了邊坡巖體的單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、抗剪強度、彈性模量、泊松比、內摩擦角和黏聚力值等巖體力學參數(shù)，利用等效靜力法考慮爆破振動力，計算得出爆破振動參數(shù)水平向最大加速度；根據(jù)礦區(qū)內不同方位邊坡工程地質情況及終了邊坡高度等參數(shù)，并遵循順層邊坡的穩(wěn)定性較差的原則將該礦山擬設計的終了邊坡劃分為4 個區(qū)域。同時，采用強度折減法，利用FLAC3D軟件，以邊坡許用安全系數(shù)作為邊坡穩(wěn)定性判據(jù)，對礦區(qū)4個分區(qū)邊坡在爆破振動荷載下的穩(wěn)定性系數(shù)進行了分析計算。結果表明，此礦山在爆破振動荷載工況下各分區(qū)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，整體邊坡穩(wěn)定性較好，都能滿足規(guī)范要求的最小安全系數(shù)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，此結果對礦山安全有一定指導意義。