基于FLAC3D的露天礦邊坡破壞成因研究與預測

趙東陽 祝介旺 袁博

摘要： 針對某礦區發生多起大規模滑坡、崩塌等地質災害，對露天礦的安全和正在進行的殘礦回采工作造成威脅的問題，以礦區內某礦山為研究對象，利用FLAC3D軟件建立露天礦坑邊坡數值分析模型，采用傳統地質分析方法結合數值模擬對邊坡破壞成因進行分析。結果顯示，凝灰巖中發育的順坡向節理是邊坡發生滑塌的關鍵因素。強度折減法計算結果可知，邊坡內部沿節理面形成貫通滑帶，是最危險的潛在破壞面;隨著時間的推移，深層節理面強度弱化，邊坡可能再次發生滑塌。

關鍵詞： 露天礦;邊坡;地質災害;滑坡;數值模擬;強度折減法

Abstract： As to the problem that there are many geological disasters such as the large scale landslide and collapse in a mining area， and the safety of open pit and the residual depesit mining are threatened， taking a mine of the mining area as the research object， the numerical analysis model of the open pit slope is built by FLAC3D software， and the traditional geological analysis method is combined with the numerical simulation to analyze the cause of slope failure. The results show that the joints along the slope direction developed in tuff are the key factor for slope landslide and collapse. According to the calculation results of the strength reduction method， a penetrating slidingzone is formed along the joint surface of the slope internal， which is the most dangerous potential failure surface. Over time， the strength of the deep joint surface is weaken， and then the slope may collapse once again.

Key words： open pit;slope;geological disaster;landslide;numerical simulation;strength reduction method

0 引 言

自20世紀50年代至今，全球露天礦開采總量約為160億 t，其中露天開采約占80%。[1]隨著露天礦開采持續向深部發展，礦山邊坡的高度不斷增加，但是受地質環境和用地規模的限制，礦坑的開口不能無限擴大。為開采更多的地下礦床，礦坑邊坡的設計坡度越來越大，導致閉坑后的邊坡存在安全隱患。據不完全統計，在我國大型露天礦山中，不穩定邊坡或具有潛在滑坡危險的邊坡約占邊坡總量的15%～20%。[1]邊坡失穩已成為露天礦山中發生頻率最高、對安全生產影響最大的災害之一。[2]

廢棄礦山的治理和利用是目前的熱點問題，其關鍵在于如何改造好、利用好廢棄礦山，使其安全、環保、有效益。杜時貴等[3]提出大型露天礦山邊坡巖體穩定性分級分析方法;杜時貴[4]提出大型露天礦山邊坡等精度評價方法;鄭敏等[5]將廢棄露天礦坑的利用歸納為博物資源、旅游開發、垃圾處理和坑塘養殖等方向;高文文[6]構建基于推理條件和推理規則的廢棄露天礦坑再利用方式選擇方法;還有眾多國內外學者對礦坑邊坡穩定性、閉礦規劃政策等要素進行研究[79]。隨著研究的深入，廢棄礦坑是一種新型資源的理念逐漸形成。這種新型資源的充分利用對節約資源和保護環境都具有重要意義。但是，礦坑再利用的前提是保證安全，必須對廢棄礦山潛在危險進行科學預測并有效治理。

某礦區曾是我國最大的銅多金屬礦區，是我國重要的有色金屬生產基地。礦區內包含5個大中型露天礦山和若干礦點，總面積達25 km2。該礦區是西北地區典型的露天礦山，地質災害頻發，研究此類典型礦坑邊坡對整個礦區的治理具有重要意義。以礦區內某國家礦山公園為研究對象，搜集相關地質信息，利用傳統地質分析方法和有限元數值分析方法對其南幫邊坡進行研究。研究結果表明，邊坡破壞主要受地形陡峭、結構面發育和人為擾動等因素的影響，高應變區與弱層貫通、表層巖體沿節理面相對位移明顯是邊坡破壞的內在原因。利用FLAC3D軟件的強度折減法對選取的邊坡危險截面進行計算，結果顯示該截面處邊坡安全系數為1.19。隨著巖體強度弱化，邊坡內部出現一條滑帶，未來有可能再次發生滑坡。

1 工程概況

1.1 礦坑邊坡地形地貌

露天礦坑呈東西向分布，尺寸為1030 m×580 m×274 m，坑口標高1 873 m，坑底標高1 660 m，總體坡角35°～50°。[10]礦坑東、西兩側邊坡分別設有選硫廠房和內排土場。礦坑南、北幫邊坡主要布置交通路線，標高1 780 m以下區域采用螺旋方式布線，標高1 780 m以上區域分布多個獨立運輸系統。

本文以南幫邊坡為研究對象，邊坡整體呈凸形斷面，地形陡峭，標高1 816 m以上區域的總體坡角為40°，標高1 816 m以下區域的總體坡角為50°。南幫邊坡采用多臺階并段的方式構成，臺階高度和坡度較大。并段后自下而上共有5級主體臺階，高度均為48～60 m，平臺寬度均為10～15 m，坡角均為55°～69°。南幫邊坡布置雙出口、雙道交岔運輸線，東、西兩側各有1個出口，平面示意見圖1。

圖 1 某露天礦坑平面示意

1.2 地層巖性

該礦區出露的地層自上而下分別為中下奧陶統酸性火山巖組、千枚巖中基性火山巖組。巖石種類主要有石英角斑凝灰巖、千枚巖、石英納長斑巖、硅質巖、細碧玢巖等。南幫邊坡剖面Ⅳ顯示，礦坑頂部有約30 m厚的第四紀堆積物，標高1 880～1 900 m區域主要出露的地層為輝綠巖和基性凝灰巖，標高1 840～1 880 m區域為千枚巖，標高1 750～1 840 m區域為石英角斑凝灰巖，見圖2。輝綠巖巖體較為完整，質地堅硬，力學性質良好;中下部的凝灰巖和千枚巖為力學性質較差的變質巖，坡面出露的巖體破碎且節理發育，是地質災害的主要載體。

1.3 地質構造

該礦區地質構造復雜，屬于北祁連山加里東褶皺帶東部區，在折腰山—火焰山復合褶皺的南端（見圖3）。復合褶皺主要由2個規模較大的背斜和向斜構成[1112]，火焰山礦坑南幫邊坡為向斜轉折端，向斜為倒轉向斜（位置①）。主礦體位于倒轉背斜的轉折端（位置②），F斷層（位置③）是礦區內最大斷層，但距離礦坑較遠，對礦坑邊坡影響甚微。南幫邊坡結構面發育，巖體完整性較差。西南側的炭質錳質千枚巖受倒轉向斜影響，軸面劈理發育，總體產狀集中于200°∠50°。邊坡中下部的石英角斑凝灰巖片理發育，間距約1～3 mm，產狀為355°∠85°，并發育有1組順向節理，產狀為350°∠45°。在多組結構面的切割作用下，坡面巖體破碎，容易發生崩塌、滑坡災害。

2 破壞現狀與成因分析

2.1 破壞現狀

自該露天礦閉坑以來，由于長期缺乏維護，加上各種地質因素影響，礦坑邊坡多處發生崩塌和滑坡等地質災害。

礦坑南幫邊坡破壞最為集中，見圖4。

在南幫邊坡西南側剖面Ⅳ到剖面Ⅵ之間，標高1 840～1 880 m的千枚巖多處發生崩塌。在邊坡中部剖面Ⅲ到剖面Ⅵ之間，標高1 686～1 840 m處的凝灰巖2處發生大規模滑坡，是礦坑邊坡最主要的地質災害。這2處滑坡主要發生在剖面Ⅳ標高1 804 m的運輸公路和剖面Ⅴ標高1 816 m的主體臺階上，其規模和機理不盡相同。剖面Ⅳ滑坡為順層滑移拉裂破壞，標高1 804 m的運輸公路整體滑坡，滑體后緣拉裂，滑體體積約13 000 m3。剖面Ⅴ滑坡規模最大，滑坡范圍為標高1 744～1 840 m，多級臺階整體垮塌，滑體體積約30 000 m3。

邊坡目前仍有安全隱患，許多災害尚在發展過程中，隨著邊坡巖體風化，有可能出現新的地質災害。

2.2 破壞成因分析

礦坑南幫邊坡發生破壞主要有以下幾個因素。

2.2.1 地形因素

礦坑南幫邊坡高度達270 m，由于運輸路線的交岔和回轉，交匯處臺階的寬度、坡度和高度明顯增加，其中臺階最高80 m、坡角最大70°，為滑坡與崩塌災害提供幾何空間條件。

2.2.2 構造因素

邊坡西南側的炭質錳質千枚巖中劈理發育，隨著劈理不斷張開，邊坡最終傾倒并向下滾落造成崩塌。邊坡中下部凝灰巖片理和順向節理發育，節理面和片理面外傾且與臺階坡走向基本一致，臺階坡角大于節/片理面傾角，節/片理面與臺階坡面的赤平投影示意見圖5。礦區內發育有1條斜切采礦場西南和東北部邊坡的大斷層和多條壓扭性斷層，將坡體切割成不連續狀，因此邊坡在節/片理面的切割作用下容易發生順層滑坡。

2.2.3 人為因素

在使用傳統爆破法開采礦山時，受爆炸振動的影響，巖體產生松動圈，導致巖石裂隙發育。邊坡上部20～30 m的廢石堆積物、礦坑東部1 845 m平臺上的選硫廠房和2處硫精礦自然干燥庫，以及裝載礦石的卡車等均增加邊坡負荷。

綜上所述，礦坑南幫邊坡地形陡峭、構造復雜、易受人為干擾。局部邊坡存在坡體高、坡度大、節理面和片理面密集、表層巖體破碎等特點，工程地質性質較差是邊坡失穩的重要原因。

3 數值模擬分析與穩定性預測

3.1 數值模型

3.1.1 建立模型

邊坡體量巨大、結構復雜，建模難度極高，本文選用多款軟件協同建模。首先，由Locaspace Viewer地圖獲取等高線，利用Rhino3D軟件的三維建模功能建立初步山體模型;然后，將山體模型導入Ansys軟件進行網格劃分和分組;最后，將Ansys模型導入FLAC3D軟件[1314]建立計算模型。原邊坡計算模型見圖6。模型中地層由上至下依次為輝綠巖、千枚巖和石英角斑凝灰巖。采用現場實際尺寸，模型沿邊坡傾向長度為600 m，最高垂直高度為270 m，涵蓋主要滑坡區域。

3.1.2 構建接觸面

礦區內發育的斷層和節理對邊坡破壞具有較大影響。該邊坡滑坡區域主要發育有1組順向節理， 節理兩側分別有1條貫穿西南邊坡的大斷層和1條壓扭性小斷層（見圖6），均采用無厚度接觸單元對結構面進行模擬。

3.1.3 模型計算和參數選擇

坡角與力學參數均參照現場勘察報告和露天礦初步設計報告[15]選取。巖土和弱層體物理力學參數見表1。

3.2 模擬結果與破壞原因分析

模型前、后以y方向位移約束，左、右以x方向位移約束，底部以x、y、z方向位移約束，從而構成邊界位移條件。輸入各類巖土和弱層體物理力學參數，施加重力載荷對模型進行計算，根據邊坡應力和應變分布特征分析邊坡破壞機理。

3.2.1 應力分布

邊坡應力分布云圖見圖7。邊坡主應力由表面至內部逐漸增大，表面出現2處正應力，其最大值為2.1×105 N/m2，與坡體變形有關。受巖體自重影響，接觸面剪應力由坡內部至坡表面逐漸增大。由于斷層約束作用較弱，節理面剪應力由中間向兩端增大。

3.2.2 應變分布

邊坡應變分布云圖見圖8。由于巖層力學性質各異，應變分布受到巖性分布的影響，千枚巖和凝灰巖區域應變更加明顯。最大主應變和剪應變均集中在邊坡中部的臺階處且與弱層貫通，成為最危險的潛在破壞面。

3.2.3 位移分布

邊坡位移分布云圖見圖9。邊坡位移從坡體內部到坡表面逐漸增大。節理面以上的巖體位移最大，且靠近斷層兩側的位移顯著增加，與實際滑坡位置一致，證明模擬結果可靠[16]。根據圖9（b）和（c）可知，力學性質較差的凝灰巖和千枚巖區域沉降較大，淺層節理面上部巖體與坡體相對位移明顯，豎向和水平最大位移分別為62.0和2.8 mm，主要表現為沿節理面向下滑移，證明坡面出現正應力是由于坡體變形造成的。圖9（d）反映被結構面切割的巖體與坡體的相對位移分布，位移分布與剪應力分布基本一致，即由內部至表面、由中間至兩端位移逐漸增大，也與坡體主位移分布吻合。

3.2.4 破壞成因分析

通過數值模擬計算可知，由于邊坡陡峭和結構面的切割作用，邊坡坡面出現拉應力，高應變區域與弱層體貫通，節理面以上巖體相對位移明顯。因此，順坡向節理和斷層切割邊坡巖體是造成滑坡的主要原因，而較差的物理力學性質、節理發育和陡峭的地形特征導致邊坡發生大規模滑坡災害。邊坡局部破壞是從結構面開始的，因此結構面力學性質對邊坡具有重要作用。

3.3 危險截面分析與穩定性預測

1976年6月8日，南幫邊坡剖面Ⅳ到剖面Ⅵ之間發生大規模滑坡，滑體體積約96 000 m3。閉坑后在無人為擾動的情況下，經過數十年的風化侵蝕作用，擴幫后的邊坡再次沿順向節理發生滑坡。因此，巖體和弱層體強度弱化是導致滑坡的重要因素。由圖7（c）和圖9（d）可知：2個節理面均出現剪應力，且深層節理受到的剪應力更大;深層節理結合較好且力學性能更好，因此其相對剪切位移小于淺層節理。隨著時間推移，巖體強度弱化，邊坡必然發生新的地質災害。

3.3.1 構建模型

利用無人機航拍技術獲取滑坡區截面信息并建立數值模型，見圖10。

為直觀體現節理面變形分布特征，采用軟弱夾層模擬法模擬接觸面。采用強度折減法計算邊坡安全系數，并分析其應力和應變分布特征，預測邊坡可能發生的地質災害。

3.3.2 數值模擬結果和分析

基于FLAC3D軟件的強度折減法得到破壞后邊坡數值計算結果，見圖11。當巖體和弱層體的強度折減后，力學性質較差的凝灰巖沉降加劇，深層節理面以上的巖體與坡體相對位移明顯，整體向坡外滑移。根據《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013）[17]，在一般工況下，三級邊坡安全系數應大于1.25。經計算，該截面安全系數為1.19，不滿足標準要求。由圖11（c）可知，邊坡內部沿節理面產生滑帶，并與坡表面貫通，邊坡將沿滑帶發生順層滑移拉裂破壞。

3.3.3 穩定性預測

邊坡截面安全系數為1.19，再次發生滑坡的概率較大。隨著結構面和巖體強度弱化，坡體內部將出現貫通滑帶，滑體沿滑帶向臨空面剪出，滑坡體高度達74 m，是露天礦安全的極大隱患。在充分預測邊坡未來可能發生地質災害的基礎上，有必要對礦坑邊坡進行加固和恢復治理。

3.4 邊坡災害治理措施和建議

數值模擬結果表明，滑坡區靠近斷層兩側的位移較大，結構面切割巖體是邊坡變形的主要因素。因此，針對地質調查和數值模擬結果提出以下建議。

（1）清理坡面碎石、剝除危險巖體、消除崩塌隱患，為后續加固措施做準備。

（2）錨索加固。邊坡結構面發育充分，宜采用預應力錨索錨固表層巖體，設計時應充分考慮滑面 受力特征，對剪應力集中和大變形區域重點加固。

（3）減緩結構面風化。及時清理礦坑水和濕渣，設置排水溝，利用爬藤植物綠化坡面，保護巖體并恢復環境。

4 結術語

根據現場調查分析可知，某礦坑南幫邊坡地形陡峭和節理發育是導致邊坡失穩的主要原因。爆破開挖、邊坡堆載和工程載荷等人為因素是引發災害的重要原因。

數值模擬顯示，順向節理對破壞后邊坡穩定造成威脅，折減后坡面巖體沿節理面相對位移明顯，邊坡內部形成貫通的滑帶。

在坡體自重和結構面的切割作用下，坡面出現拉應力，高應變區域與軟弱面貫通，坡面巖體沿節理面向下滑移，靠近斷層兩側位移尤為顯著，因此隨著位移增大，最終發生滑坡。

參考文獻：

[1]

吳榮慶. 我國礦業發展現狀與發展趨勢及對礦山工程裝備的現代化需求[J]. 國土資源情報， 2010（8）： 3743.

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[3] 杜時貴， 雍睿， 陳咭扦， 等. 大型露天礦山邊坡巖體穩定性分級分析方法[J]. 巖石力學與工程學報， 2017， 36（11）： 26012611. DOI： 10.13722/j.cnki.jrme.2017.1236.