爆破振動載荷對露天邊坡穩定性影響數值模擬研究

王 強 吳 尚

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

露天礦山邊坡穩定性關乎礦山安全生產，是影響礦山經濟的重要因素之一。針對露天礦山邊坡的穩定性問題，科學有效地進行邊坡穩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、巖體力學參數等因素進行綜合分析，可以得出邊坡的穩定性評估結果，對于采取相應的措施，提高邊坡穩定性具有重要的指導意義。近年來，隨著數值模擬技術的不斷發展，出現了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生無限發展的位移，僅僅依靠邊坡從坡腳到坡頂的塑性區貫通不足以斷定此邊坡已經失穩，還應看是否產生了很大且無限發展的塑性應變和位移，因此提出將計算收斂和塑性區貫通共同作為邊坡失穩的依據；劉金龍等［6］提出特征部位位移突變性結合塑性區的貫通性作為失穩判據；連鎮營等［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的發展過程。

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

1 工程概況

某露天礦礦區內分布地層由老至新分別為二疊系下統茅口組（P1m）、二疊系上統龍潭組（P21）、三疊系下統大冶組（T1d）、第四系（Q）。

對不同地段構造節理裂隙進行了專門觀察研究及統計，經對礦區統計的構造節理進行分析表明，礦區發育節理主要有3 組：a 組115°∠43°、b 組230°∠60°、c組336°∠72°。

對礦區巖石進行力學實驗，依據邊坡巖體質量評價成果，綜合考慮RQD 等環境因素影響的影響，運用多種方法從不同角度對此礦山巖石力學參數進行工程折減處理，獲得了巖體力學參數。對于抗剪強度參數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。邊坡巖體力學參數綜合選取值見表1。

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2 計算模型構建

2.1 計算工況與參數取值

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

式中，Fi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，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。

礦山采用中深孔微差爆破，單孔裝藥量約為150 kg，根據《爆破安全規程》（GB 6722—2014）取頻為20 Hz，爆破場地條件有關的衰減系數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

根據礦區內不同方位邊坡工程地質情況及終了邊坡高度等參數，將該礦山擬設計的終了邊坡劃分為4 個區域，即I—I′～Ⅳ—Ⅳ′剖面所在邊坡區域，由于I—I′剖面邊坡所在區域為順層邊坡，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，在分析露天邊坡穩定性時，順層邊坡的穩定性較差，應予以重點關注。各邊坡剖面圖如圖1所示。

3 邊坡穩定性判據

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。當邊坡失穩有人員受傷時，直接經濟損失50 萬～100 萬，間接經濟損失500～1 000 萬，邊坡失穩危害性嚴重。因此，根據《非煤露天礦邊坡工程技術規范》（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?；谠撘幏吨械倪吰鹿こ贪踩燃墑澐謽藴剩吰鹿こ贪踩燃壵w取為Ⅱ級。

3.2 許用安全系數

邊坡穩定性安全系數是評價和衡量邊坡穩定性的最終定量指標，與邊坡力學性質和工程選用的參數等因素有關，最小允許安全系數的確定是非常復雜的問題。邊坡的安全系數Fst是邊坡穩定性判據的重要參數，是判斷邊坡穩定性狀態的重要閥值。如在采用極限平衡法對邊坡穩定性進行分析時，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定性系數Fs，隨后通過比較Fs與Fst的大小關系來評估邊坡的穩定性，當Fs大于Fst時為邊坡處于穩定狀態，當Fst小于Fs時邊坡為不穩定狀態。

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

根據《非煤露天礦山邊坡工程技術規范》（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設計為1.18。

4 基于強度折減法邊坡穩定性分析

強度折減法是一種應用廣泛的數值模擬方法。1975 年Zienkiewiczn 提出了抗剪強度折減系數的概念，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，并將極限狀態下的折減系數被認為是邊坡穩定安全系數。此后，以強度折減法為基礎的數值分析方法在邊坡穩定性分析中得到普遍應用。本文采取使用FLAC3D軟件進行數值計算，根據強度折減法對爆炸振動荷載作用下的邊坡穩定系數進行模擬分析。

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4.1 基于FLAC3D的邊坡穩定性計算

FLAC3D可以計算出破壞面上產生較大的剪應變增量，是一個和巖體某一節點位移相關的物理量，是邊坡的穩定的一個重要參數。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生破壞，破壞后產生較大的剪切變形，進而巖土體發生破壞。

根據剖面圖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 個剖面的安全系數分別為1.7，1.63，1.68，1.55，各分區邊坡在爆破震動荷載工況下穩定性系數均大于設計的許用安全系數，表明此邊坡處于穩定狀態。當巖體力學參數折減系數達到安全系數時，邊坡處于臨界失穩狀態，并且最大剪切應變增量位于設計爆破區域，方向指向爆破區域的法向方向，當邊坡處于臨界狀態時，將首先從最大剪切應變增量位置（爆破處）發生破壞。

5 結 論

通過對某礦區現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，利用等效靜力法考慮爆破振動力，計算得出爆破振動參數水平向最大加速度；根據礦區內不同方位邊坡工程地質情況及終了邊坡高度等參數，并遵循順層邊坡的穩定性較差的原則將該礦山擬設計的終了邊坡劃分為4 個區域。同時，采用強度折減法，利用FLAC3D軟件，以邊坡許用安全系數作為邊坡穩定性判據，對礦區4個分區邊坡在爆破振動荷載下的穩定性系數進行了分析計算。結果表明，此礦山在爆破振動荷載工況下各分區邊坡的穩定性系數均大于許用安全系數，整體邊坡穩定性較好，都能滿足規范要求的最小安全系數，邊坡處于穩定狀態，此結果對礦山安全有一定指導意義。