沈玉眾，郝志華，陳 勇，李 寧

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021)

露天開(kāi)采邊坡穩(wěn)定性關(guān)系到露天礦山經(jīng)濟(jì)效益及安全生產(chǎn)。邊坡角度是露天邊坡的重要參數(shù)之一[1-4]，最終邊坡角是礦產(chǎn)資源轉(zhuǎn)換為儲(chǔ)量的重要因素，確定邊坡角依賴于邊坡穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)。邊坡角過(guò)緩，會(huì)降低礦產(chǎn)開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益；邊坡角過(guò)陡，可能會(huì)造成滑坡，給礦山安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重后果。

邊坡穩(wěn)定性分析方法較多，包括極限分析方法、有限元數(shù)值分析法、有限差分?jǐn)?shù)值分析法、復(fù)合法等確定性分析方法，以及建立在概率基礎(chǔ)上的模糊隨機(jī)分析等非確定性分析方法。其中，有限元數(shù)值分析法和有限差分?jǐn)?shù)值分析法均是建立在強(qiáng)度折減法基礎(chǔ)上的。近年來(lái)，學(xué)者采用強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的研究。宋二祥采用強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并以邊坡中某一部位的位移變化作為收斂指標(biāo)[5]。連鎮(zhèn)營(yíng)等用強(qiáng)度折減有限元方法對(duì)開(kāi)挖邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，當(dāng)折減系數(shù)達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，邊坡內(nèi)一定幅值的廣義剪應(yīng)變自坡底向坡頂貫通時(shí)邊坡破壞[6]。孫永帥等采用數(shù)值模擬方法分析了降雨條件下邊坡角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響機(jī)制，認(rèn)為邊坡角度越小，邊坡安全系數(shù)下降的越快[1]83。呂粲等以哈爾烏素露天煤礦南端幫邊坡為例，對(duì)邊坡角度進(jìn)行了優(yōu)化，將邊坡角度從37°優(yōu)化至40°，邊坡穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1.135，增加了原煤產(chǎn)量，提高了經(jīng)濟(jì)效益[2]32。李俊平等為了合理確定露天礦最終邊坡角，在巖石力學(xué)試驗(yàn)和工程地質(zhì)調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值計(jì)算得出了端幫最終邊坡角不超過(guò)49°的結(jié)論，較原有設(shè)計(jì)上幫可增大6°，下幫可增大8°～10°，大大減小了剝離量[3]175。周英茂通過(guò)對(duì)優(yōu)勢(shì)和不良地質(zhì)條件下的邊坡角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了最終邊坡角，為后期邊坡設(shè)計(jì)提供可行依據(jù)[7]。此外，也有學(xué)者針對(duì)不同邊坡概況進(jìn)行了邊坡角度優(yōu)化和穩(wěn)定性分析[8-11]，研究成果為類似工程提供了參考。

由于工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不確定性，尚沒(méi)有統(tǒng)一的理論解釋邊坡角誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的機(jī)制。筆者針對(duì)某露天礦工程地質(zhì)條件，基于抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)法，采用數(shù)值計(jì)算手段分析邊坡角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

某露天鈾礦位于陜西省境內(nèi)，礦區(qū)巖體工程地質(zhì)類型主要?jiǎng)澐譃?類：1)松散巖軟弱巖類。該巖類主要為第四系松散沖洪積物、殘坡積物，分布于溝谷地帶，厚度小于10 m，主要由礫石、沙、粉砂、黏土組成，結(jié)構(gòu)松散，基本無(wú)穩(wěn)定性，坡腳破壞后極易產(chǎn)生滑塌。2)薄-中層狀堅(jiān)硬巖類。該巖類主要為太華群變質(zhì)巖類，風(fēng)化帶厚10～80 m。因遭受多期構(gòu)造活動(dòng)，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，以鑲嵌結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)體為菱形體。巖體結(jié)構(gòu)面緊閉，多被脈巖充填。主要為片麻巖，其抗壓強(qiáng)度為127.71～185.72 MPa，屬于堅(jiān)硬巖類。3)塊狀堅(jiān)硬巖類。該巖類主要是花崗斑巖脈及石英碳酸鹽雜脈，石英碳酸鹽雜脈為含礦主巖，因遭受多期構(gòu)造活動(dòng)，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體以鑲嵌結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)體為菱形體。巖體結(jié)構(gòu)面緊閉，無(wú)充填物?；◢彴邘r脈抗壓強(qiáng)度為154.05 MPa，屬于堅(jiān)硬巖類。4)層狀軟弱構(gòu)造巖類。該巖類主要是構(gòu)造破碎帶，風(fēng)化帶最大厚度100 m，風(fēng)化帶巖體結(jié)構(gòu)以碎裂結(jié)構(gòu)為主；風(fēng)化帶以下以鑲嵌結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)體以立方體及菱形塊體為主，結(jié)構(gòu)面大部分緊閉、局部充填斷層泥。此巖類主要的工程地質(zhì)問(wèn)題是揭穿該層后，在地下水作用下，巖體強(qiáng)度、穩(wěn)定性逐漸降低，如不及時(shí)支護(hù)，容易產(chǎn)生塌方。

2 數(shù)值計(jì)算模型

結(jié)合調(diào)研數(shù)據(jù)，綜合考慮某礦床露天開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)可行性，對(duì)露天開(kāi)采境界進(jìn)行優(yōu)化，確定礦床的露天開(kāi)采境界。

2.1 研究剖面位置的選取

由于研究對(duì)象分布區(qū)域廣，地形變化大，為便于對(duì)研究對(duì)象的整體把握，研究工作針對(duì)露天采場(chǎng)最終境界圈展開(kāi)。露天采場(chǎng)區(qū)域不同，其邊坡高度也有所區(qū)別，邊坡高度越大，發(fā)生失穩(wěn)時(shí)的危險(xiǎn)性越大。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，露天采場(chǎng)邊坡高度最大為320 m，且部分邊坡屬高陡邊坡，坡腳處采場(chǎng)底板復(fù)雜多變。選擇1-1剖面展開(kāi)模擬研究，該剖面邊坡高度為320 m。邊坡研究區(qū)域及其剖面位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域及剖面位置示意圖

2.2 抗剪強(qiáng)度折減法理論

2.2.1 抗剪強(qiáng)度折減法的內(nèi)容

抗剪強(qiáng)度指標(biāo)一般取黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ，用一個(gè)折減系數(shù)Fs，按式(1)和(2)所示的形式進(jìn)行折減；然后用折減后的虛擬抗剪強(qiáng)度指標(biāo)CF和φF，取代原來(lái)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C和φ，如式(3)所示。

CF=C/FS，

(1)

φF=tan-1((tanφ)/FS)，

(2)

τfF=CF+σtanφF，

(3)

式中：CF—折減后土體虛擬的黏聚力，MPa；φF—折減后土體虛擬的內(nèi)摩擦角，(°)；τfF—折減后的抗剪強(qiáng)度，MPa。

折減系數(shù)Fs的初始值取得足夠小，以保證開(kāi)始時(shí)是一個(gè)近乎彈性的問(wèn)題；然后不斷增加Fs的值，折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)逐步減小，直到在某個(gè)抗剪強(qiáng)度下整個(gè)土坡發(fā)生失穩(wěn)。在發(fā)生整體失穩(wěn)之前的折減系數(shù)值，即土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與發(fā)生虛擬破壞時(shí)折減強(qiáng)度指標(biāo)的比值，也就是這個(gè)土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。

2.2.2 抗剪強(qiáng)度折減法的優(yōu)點(diǎn)

抗剪強(qiáng)度折減法的主要優(yōu)點(diǎn)：1)能夠?qū)哂袕?fù)雜地貌、地質(zhì)的邊坡進(jìn)行計(jì)算；2)考慮了土體的本構(gòu)關(guān)系，以及變形對(duì)應(yīng)力的影響；3)能夠模擬土坡的邊坡過(guò)程及其滑移面形狀(通常由剪應(yīng)變?cè)隽炕蛭灰圃隽看_定滑移面的形狀和位置)；4)能夠模擬土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)(超前支護(hù)、土釘、面層等)的共同作用；5)求解安全系數(shù)時(shí)，可以不需要假定滑移面的形狀，也無(wú)需進(jìn)行條分。

2.3 數(shù)值計(jì)算模型的建立

某鈾礦床采用露天開(kāi)采，礦體均為傾斜礦體，礦體及巖體內(nèi)部含有較多裂隙，地下水分布范圍較廣，局部坡體滲水嚴(yán)重，給建立數(shù)值模型帶來(lái)一定的困難。數(shù)值模型的合理性直接影響數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。邊坡建模思路：1)由下向上、由中間向兩邊建立模型，即先建立露天礦邊坡巖體的底部模型，再建立露天礦的圍巖邊坡模型，建立的圍巖尺寸必須大于邊坡的預(yù)計(jì)破壞范圍；2)先局部建模再整體建模，即先建立露天礦的邊坡坡底部分，然后再建立圍巖模型；3)兼顧計(jì)算結(jié)果的精確性和運(yùn)算效率，即在邊坡建模過(guò)程中充分研究某礦床的地質(zhì)資料和邊坡特點(diǎn)，對(duì)模型邊坡等重點(diǎn)研究區(qū)域進(jìn)行加密處理，對(duì)模型底部及邊緣部分進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。

目前，美國(guó)獸醫(yī)診斷實(shí)驗(yàn)室不能檢測(cè)飼料或原料中的兩種病毒。由于缺乏檢測(cè)飼料中兩種病毒的診斷能力，最好的替代選擇是評(píng)估原料中腸桿菌科細(xì)菌的狀況。腸桿菌科是一個(gè)細(xì)菌家族，包括非致病屬和致病屬 （如沙門氏菌和大腸桿菌）。研究表明，腸桿菌科細(xì)菌的存在狀況可反映整體衛(wèi)生狀況。這種監(jiān)測(cè)方法通常應(yīng)用于人類食品和寵物食品行業(yè)，應(yīng)用于畜禽飼料的檢測(cè)才剛剛開(kāi)始起步。

根據(jù)邊坡建模原則，針對(duì)選定的典型剖面，確定了本次計(jì)算模型的范圍，建立了露天開(kāi)采邊坡穩(wěn)定性研究數(shù)值計(jì)算模型。模型材料特性采用彈塑性物理模型，由于滑坡為似連續(xù)體整體滑坡，因此破壞準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。模型邊界約束采用位移約束，模型左右方向、前后方向和底部分別取X、Y和Z方向約束，上邊界為地表，取自由邊界。由于邊坡的變形和破壞主要發(fā)生在坡體的淺部，構(gòu)造應(yīng)力在長(zhǎng)期的地質(zhì)過(guò)程中己松弛殆盡，故模型邊界不考慮水平構(gòu)造應(yīng)力的作用。

根據(jù)本次數(shù)值分析的目的與特點(diǎn)，本次模擬計(jì)算中初始地應(yīng)力場(chǎng)按巖體自重應(yīng)力場(chǎng)考慮，即垂直應(yīng)力按巖體自重計(jì)算，水平應(yīng)力按泊松效應(yīng)計(jì)算。

針對(duì)選定的典型剖面建立的數(shù)值分析模型如圖2(a)所示，在邊坡坡體上共設(shè)計(jì)6組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)邊坡水平位移，如圖2(b)所示。巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型及監(jiān)測(cè)方案

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.4 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定4種狀態(tài)，見(jiàn)表2。本次安全系數(shù)計(jì)算不考慮地震工況，邊坡工程安全等級(jí)取三級(jí)，即永久邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)需≥1.25。

表2 邊坡穩(wěn)定性劃分依據(jù)

3 抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)法數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 數(shù)值計(jì)算方案

現(xiàn)場(chǎng)原設(shè)計(jì)邊坡角度為35°，邊坡較為穩(wěn)定，為最大限度地回收礦產(chǎn)資源，將邊坡角度逐步增大，共設(shè)計(jì)6種邊坡角度方案，對(duì)應(yīng)的邊坡角度分別為35°、36°、37°、38°、39°、40°。分析邊坡角度對(duì)邊坡剪應(yīng)變?cè)隽?、水平位移和安全系?shù)的影響規(guī)律。

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 剪應(yīng)變?cè)隽孔兓?guī)律

不同邊坡角度下剪應(yīng)變?cè)隽孔兓鐖D3所示。可以看出，盡管邊坡角度不同，但發(fā)生滑坡時(shí)的滑移面變化不大，總體呈現(xiàn)從邊坡坡頂至坡底的圓弧形滑動(dòng)。

試驗(yàn)研究及工程實(shí)踐表明，當(dāng)邊坡失穩(wěn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的局部化剪切變形。這種局部化現(xiàn)象一旦發(fā)生，變形將會(huì)相應(yīng)地集中在局部化變形區(qū)域內(nèi)；而區(qū)域外的變形相當(dāng)于卸載后的剛體運(yùn)動(dòng)，滑坡體將沿某一滑動(dòng)面滑出，滑動(dòng)面兩側(cè)沿滑動(dòng)面方向的位移相差明顯，存在較大的變形梯度。從圖3可看出，藍(lán)色區(qū)域基本不產(chǎn)生剪切滑移。

3.2.2 水平位移及安全系數(shù)變化規(guī)律

不同邊坡角度下水平位移變化如圖4所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移見(jiàn)表3。

圖3 不同邊坡角度下剪應(yīng)變?cè)茍D

圖4 不同邊坡角度下水平位移云圖

表3 不同邊坡角度下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移

從圖4和表3可看出，邊坡角從35°增加至40°，6組監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移呈近似線性增加，其增幅分別為140.0%(從0.5 cm增至1.2 cm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1)、134.7%(從4.9 cm增至11.5 cm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2)、38.0%(從7.1 cm增至9.8 cm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3)、12.3%(從7.3 cm增至8.2 cm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4)、25.5%(從5.1 cm增至6.4 cm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)5)和35.6%(從4.5 cm增至6.1 cm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)6)。邊坡角的增大導(dǎo)致坡腳處水平位移增幅加大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2處水平位移最大，達(dá)到11.5 cm。在各邊坡角下，隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置由邊坡坡腳(監(jiān)測(cè)點(diǎn)1)變化至坡頂(監(jiān)測(cè)點(diǎn)6)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移呈現(xiàn)先增大、后減小的變化趨勢(shì)；但最大水平位移對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置隨邊坡角的增大由邊坡中部逐漸向邊坡中下部轉(zhuǎn)移，坡腳處水平位移最小。

對(duì)邊坡安全系數(shù)FS進(jìn)行擬合，F(xiàn)S隨邊坡角變化曲線如圖5所示?？梢钥闯?，隨著邊坡角的增加，邊坡安全系數(shù)FS呈線性減小，邊坡角從35°增加至40°時(shí)，邊坡安全系數(shù)FS由1.37減小至1.22，降幅為10.9%。

圖5 邊坡安全系數(shù)隨邊坡角變化規(guī)律

總體上，邊坡坡腳處水平位移最小，當(dāng)邊坡達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，必然是其一部分巖體相對(duì)于另一部分巖體發(fā)生了無(wú)限制的滑移。強(qiáng)度折減法得到邊坡臨界狀態(tài)的位移圖(圖4)顯示，滑動(dòng)體上各點(diǎn)的位移包括單元的變形和潛在滑體的滑動(dòng)；當(dāng)邊坡處于臨界破壞狀態(tài)時(shí)，潛在滑體的滑動(dòng)引起的節(jié)點(diǎn)位移遠(yuǎn)大于單元的變形。

3.3 最終邊坡角比選

根據(jù)邊坡安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果(表3)，結(jié)合邊坡穩(wěn)定性的劃分依據(jù)(表2)，邊坡安全系數(shù)應(yīng)不小于1.25。由于研究剖面邊坡高度較大，邊坡角度取值應(yīng)綜合考慮礦山生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，確定該剖面的最終邊坡角為39°，這樣既可以滿足邊坡安全的要求，又能最大限度地回收礦產(chǎn)資源。

4 結(jié)論

以某鈾礦邊坡為工程背景，根據(jù)邊坡剖面揭露的礦巖賦存狀態(tài)，依照研究確定的適用于該鈾礦床露采邊坡穩(wěn)定性的建模原則，基于強(qiáng)度折減理論建立了邊坡穩(wěn)定性分析的數(shù)值模型。根據(jù)地質(zhì)資料和礦巖物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，確定了本次模擬所需的物理力學(xué)參數(shù)。

通過(guò)對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析可知，當(dāng)邊坡角度從35°增至40°時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移呈近似線性增加，增幅分別為140.0%、134.7%、38.0%、12.3%、25.5%和35.6%；邊坡安全系數(shù)呈近似線性減小，邊坡安全系數(shù)由1.37減小至1.22，降幅為10.9%。通過(guò)優(yōu)化研究，確定了所研究鈾礦的最終邊坡角為39°。