基于用數值模擬技術分析金屬露天礦山邊坡穩定性

童永杰

（新疆寶地礦業有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 強度折減法基本原理

邊坡穩定性一直是巖土工程領域的一個熱點研究，一般情況采用安全系數來評價其穩定狀態。數值模擬方法是與極限平衡分析方法并行的一種方法，側重于巖土應力—應變即破壞機理的分析。

分析天然邊坡時，巖土體抗剪強度是引起邊坡遭到破壞的主要原因，所以對邊坡治理要降低巖土體抗剪前度，維持邊坡的穩定，傳統的極限平衡法雖然能夠確定邊坡滑裂面，但是要提前預估安全系數與之相對應的滑裂面。針對傳統方法在分析邊坡穩定性較為繁瑣問題，提出了強度折射減法，該方法能夠直接求出邊坡治理時所需要的安全系數值，準確確定滑面所處位置與形狀。

極限平衡法分析邊坡穩定性時，其基本思路是：在計算過程中將邊坡的內摩擦角和粘聚力逐步下降而使邊坡達到極限平衡狀態，邊坡所具有的強度數值與相應于該極限平衡狀態的強度值之比，就是所求的安全系數(FS），這種方法稱為強度折減法。強度折減法的基本原理是將參數C、Φ值同時除以一個折減系數Ftrial，得到一組新的C′、Φ′值，然后作為新的參數帶入有限元進行試算，當計算正好收斂時，也即Ftrial再稍大一些(數量級一般為10-3)，計算便不收斂，對應的Ftrial被稱為坡體的最小安全系數，此時土體達到臨界狀態，發生剪切破壞。

安全系數FS的搜索過程如圖1示。由圖1可知，折減前邊坡的實際強度包線與摩爾應力圓相離，邊坡不會發生剪切向破壞。隨著折減系數Ftria的增大，折減后強度包線逐漸向摩爾應力圓靠攏。當折減系數Ftria增大到某一特定值FS時，強度包線將與摩爾應力圓相切，如圖中直線c，此時折減后邊坡的抗剪強度與邊坡實際剪應力達到臨界平衡，折減后強度包線變成極限強度包線，相應的折減系數FS即為邊坡的安全系數。

圖1 強度折減法原理

2 計算方案及數值模型

2.1 計算方案

結合生產進度安排制定邊坡穩定性計算方案，并與極限平衡法方法進行比較。

首先，根據選擇的邊坡剖面，通過建立實體模型，并將實體模型導入FLAC，生成計算模型。

其次，根據巖性選擇計算參數，設置邊界條件。

第三步，對當前境界下邊坡的穩定性進行模擬。

第四步，模擬采至坑底境界時邊坡的穩定性。

第五步，采用強度折減法，模擬計算兩種狀態下各邊坡的安全系數。

2.2 數值計算模型

由于FLAC建立模型中對于網格的要求較高，此次分析中，在保證結果可靠的基礎上對邊坡模型進行了適當的簡化處理。

（1）1號線剖面邊坡計算模型。由剪應變等值線圖可知，模擬過程中邊坡剪應變率非常低，這從邊坡塑性區分布圖也得到驗證，圖中只有個別單元發生剪切破壞，對邊坡整體穩定性沒有影響。根據強度折減法原理，采用FLAC軟件，計算出1號線邊坡現階段下的穩定系數。由以上分析不難得出，1號線邊坡在現階段邊坡整體處于穩定狀態。

（2） 2號線剖面邊坡計算模型。2號線現狀邊坡的幾何模型。由剪應變等值線圖可知，模擬過程中邊坡剪應變率較低，這從邊坡塑性區分布圖也得到驗證，圖中只有掛幫礦開采臺階頂面產生剪切破壞，對邊坡整體穩定性沒有影響。根據強度折減法原理，采用FLAC軟件，計算出2號線邊坡在現階段下的穩定系數。由以上分析不難得出，2號線邊坡在現階段邊坡整體處于穩定狀態。

（3）3號線剖面邊坡計算模型。3號線現狀及終了邊坡的幾何模型。由剪應變等值線圖可知，模擬過程中邊坡剪應變率非常低，這從邊坡塑性區分布圖也得到驗證，圖中只有個別單元發生剪切破壞，對邊坡整體穩定性沒有影響。根據強度折減法原理，采用FLAC軟件，計算出3號線邊坡在現階段下的穩定系數；在閉坑后的穩定系數。由以上分析不難得出，3號線邊坡在現階段邊坡整體處于穩定狀態。

（4）4號線剖面邊坡計算模型。4號線現狀及終了邊坡的幾何模型。由剪應變等值線圖可知，模擬過程中邊坡剪應變率非常低，這從邊坡塑性區分布圖也得到驗證，圖中只有個別單元發生剪切破壞，對邊坡整體穩定性沒有影響。根據強度折減法原理，采用FLAC軟件，計算出4號線邊坡在現階段下的穩定系數；在閉坑后的穩定系數。由以上分析不難得出，4號線邊坡在現階段邊坡整體處于穩定狀態。由剪應變等值線圖可知，模擬過程中邊坡剪應變率非常低，這從邊坡塑性區分布圖也得到驗證，圖中只有個別單元發生剪切破壞，對邊坡整體穩定性沒有影響。根據強度折減法原理，采用FLAC軟件，計算出5號線邊坡在現階段下的穩定系數；在閉坑后的穩定系數。由以上分析不難得出，5號線邊坡在現階段邊坡整體處于穩定狀態。

（5）6號線剖面邊坡計算模型。由剪應變等值線圖可知，模擬過程中邊坡剪應變率非常低，這從邊坡塑性區分布圖也得到驗證，圖中只有個別單元發生剪切破壞，對邊坡整體穩定性沒有影響。根據強度折減法原理，采用FLAC軟件，計算出6號線邊坡在現階段下的穩定系數。由以上分析不難得出，6號線邊坡在現階段邊坡整體處于穩定狀態。