高陡岩质边坡“面—点—面”稳定性综合评价方法——以安太堡露天矿为例.pdf

Series No.569November 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第569 期2023 年第 11 期收稿日期 2021-07-11基金项目 浙江省重点研发计划主动设计项目(编号:2019C03104)。作者简介 陶志刚(1981),男,教授,博士,博士研究生导师。高陡岩质边坡“面点面”稳定性综合评价方法 以安太堡露天矿为例陶志刚1,2 刘珂源1,2 杨晓杰1,2 李静涛3 张 鹏4 李赓照1,2(1.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083;2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083;3.中煤平朔集团有限公司地质测量中心,山西 朔州 036000;4.青岛理工大学土木工程学院,山东 青岛,266033)摘 要 为了能够有效识别边坡危险区和准确判断边坡稳定状态,提出了一种基于模糊综合评价法、MSARMA法和 FLAC3D的“面点面”边坡综合评价方法。首先根据现场边坡岩体的组成和结构特征,总结出滑坡成灾因子,并根据滑坡体特征和采空区时空分布特征划分出离散型和连续型变量的赋值标准;然后,基于模糊数学综合评判原理,对多因素影响域内的高陡边帮稳定性进行综合评价,确定出不稳定区、较不稳定区、较稳定区和稳定区空间区划;最后以不稳定区域的边坡潜在滑动面为计算模型,采用 MSARMA 方法进行边坡影响因子的敏感性分析,确定出敏感性因子,并用 FLAC3D有限差分法进行数值模拟分析。以安太堡露天煤矿为例,划分了其不稳定区域,得出了在渗流和震动等敏感因子下的位移场演变规律。结果表明:天然工况下,边坡 X、Y 方向最大位移为 30 cm 和 41 cm;渗流工况下,西北帮边坡 X、Y 方向最大位移分别为 45 cm 和 70 cm;在地震作用下,北边帮和西边帮底部点的位移变化较小,顶部点的位移较大。在上述分析的基础上,根据数值模拟分析结果提出了不稳定区域边坡加固及监测的设计方案,确保了边坡的整体稳定性。所提出的边坡综合评价方法可为类似高陡岩质边坡稳定性分析提供参考。关键词 高陡岩质边坡 稳定性评价 模糊数学 敏感性分析 MSARMA FLAC3D 中图分类号TD325 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-11-241-12DOI 10.19614/ki.jsks.202311031Plane-Point-Plane Stability Integrated Evaluation Method of High and Steep Rock Slope:A Case Study of Antaibao Open-pit MineTAO Zhigang1,2 LIU Keyuan1,2 YANG Xiaojie1,2 LI Jingtao3 ZHANG Peng4 LI Gengzhao1,2(1.State Key Laboratory for Geomechanics&Deep Underground Engineering,Beijing 100083,China;2.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China;3.Geological Survey Center of China Coal Pingshuo Group Go.,Ltd.,Pingshuo 036000,China;4.School of Civil Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao 266033,China)Abstract In order to effectively identify the danger area of slope and accurately judge the stability state of slope,a set of face-point-surface slope comprehensive evaluation method based on fuzzy comprehensive evaluation method,MSARMA method and FLAC3D was proposed.Firstly,according to the composition and structural characteristics of the on-site slope rock mass,disaster factors were summarized,while assignment criteria for discrete and continuous variables were divided based on the landslide body characteristics and spatiotemporal distribution.Following,based on the comprehensive evaluation principle of fuzzy mathematics,the high and steep side stability in the multi-factor influence regions was comprehensively evaluated,while the spatial division of the unstable region was determined.Finally,the slope potential slip surface in the unstable zone of the western side was utilized as the calculation model object,while the sensitivity analysis of the slope impact factor was conducted through the MSARMA method,and the sensitivity factors were determined.The FLAC3D finite difference method was utilized for numerical simulation analysis,and the conclusion was drawn.Taking Antaibao Open-pit Coal Mine as an example,its unstable area was divided and the evolution law of displacement field under sensitive factors such as seepage and vibration was ob-tained.The results showed that under natural conditions,the maximum displacements in X and Y directions of the slope are 30 cm and 41 cm,while under seepage conditions,the maximum displacements in X and Y directions of the northwest slope are 45 142cm and 70 cm,respectively.Under the action of earthquake,the displacements at the bottom of the north slope and the west slope change little,while the displacement at the top is larger.Based on the above results of numerical simulation,the design scheme of slope reinforcement and monitoring in unstable region was proposed to ensure the stability of the whole slope.The in-tegrated evaluation method could provide reference for the stability analysis of similar high and steep rock slopes.Keywords high and steep rock slope,stability evaluation,fuzzy mathematics,sensitivity analysis,MSARMA,FLAC3D 露天矿边坡工程地质条件复杂,采矿规模大、活动频繁、施工扰动因素多,露天矿边坡稳定性的影响因素包括岩体结构特征1-2、黏聚力、内摩擦角3、地表形态、边坡高度、边坡坡角、年平均降雨量、地下水4、井工开采情况、边坡滑体特征、地震烈度等因素。对受到多因素影响的采场边坡进行危险性分区和稳定性科学评价是确保矿山安全生产的前提条件。不少学者对此进行了深入研究,宋晨等5通过分析露天矿边坡工程地质环境,选取坡度、高程、地层岩性、地下水位、地质构造为评价因子,结合层次分析法,利用 GIS 对露天矿边坡地质灾害进行了危险性等级划分。STEAD 等6 通过 3 个层次的复杂性对岩石边坡进行了稳定性分析,讨论了不同数值方法在岩质边坡稳定性分析中的应用效果。潘网生等7以贵州省都匀市马达岭滑坡为例,基于拉格朗日算法模拟煤层开挖,揭示了边坡变形过程及其滑动机理。左晓峰等8以勉县楼子沟滑坡为例,对滑坡在天然、暴雨两种工况下的稳定性进行了评价。张立博等9针对三山岛露天金矿矿坑高陡岩质边坡稳定性问题,分析了强降雨对岩质边坡稳定性的影响。白润才等10针对白音华 1 号露天煤矿采场北帮复合顺倾边坡,应用FLAC3D软件计算了边坡抗滑稳定性安全系数,使得煤矿在安全生产的前提下,尽可能实现经济效益最大化。张凯等11针对高海拔地区金属矿排土场稳定性问题,利用冻融损伤修正后的岩体力学参数,分析在当前排土工艺下边坡的位移变化规律。近年来,边坡稳定性分析得到了学术界的广泛关注。基于大量工程实例的应用,边坡稳定性方面的理论研究也趋于完善。1970 年,极限平衡理论和弹塑性力学理论开始在实践中得到应用,形成了一大批工程地质力学的学术观点和方法12。自 1980 年以来,数值模拟在边坡稳定性分析中的应用日益广泛,使得边坡变形破坏机理的研究从定性转向定量。孙树芳等13利用 ABAQUS 软件对土坡稳定性进行了分析。马萃林等14利用有限差分程序软件 FLAC3D对边坡稳定性进行了模拟分析。孟衡15结合工程实例,分别采用 GEO-SLOPE 软件包中的 SLOPE/W 模块和模糊评判两种方法对岩质边坡稳定性进行了分析研究。陈香玉等16提出了一种基于能量准则的耦合欧拉-拉格朗日(CEL)数值策略的边坡稳定性分析方法。刘世义等17提出了一种基于弹性有限元应力场的二维和三维边坡稳定分析方法。虽然边坡稳定性分析理论方法较多,但很多都是基于极限平衡法。该方法突出的优点是简便易行,但是在简便的同时,往往过于简化而忽略了一些对边坡稳定性有较大影响的因素,使得计算结果对于工程实践的指导意义不强。随着计算机技术的发展,边坡稳定性分析中的数值模拟方法也发展较快,当前已经能较好地模拟各种边坡的稳定性,并且可视化效果明显,同时还可以进行多种影响因素的耦合计算。但是由于岩土体本身的复杂性,且还没有一种本构模型能完全重现岩土体本身的自然特性。因此,不同的数值模拟方法往往只适用于一种或几种岩土体,或者只对一种或几种岩土体的模拟效果较好。基于此,本研究提出一种边坡综合评价方法,通过理论与数值计算相结合的方式,对受到多因素影响的岩质边坡进行稳定性分析与评价18-21。由多因素影响区域划分不稳定区域到根据不稳定区域确定出敏感因子22-25再到由敏感因子进行数值分析,实现“面点面”边坡综合评价。该方法的优点是通过理论分析,将考虑了多因素影响的边坡体进行了详细的稳定性等级划分,并在分析出不稳定区域的基础上确定了敏感因子,为使用数值软件提供了较为详细的理论支撑,再由数值计算对整个边坡区域进行稳定性分析,该方法弥补了理论方法计算繁琐的不足,同时通过确定敏感因子为数值计算选择了较为适宜的本构模型。1 工程概况及边坡稳定性影响因素1.1 岩性结构场特征根据研究区钻探成果,结合工程地质调查,区内岩组主要为砂岩、粉砂岩、黏土岩。矿区上部由第四系沉积物和风化层组成,下部为地质斜坡,由基岩组成复合结构。第四纪沉积物主要为黄土状粉土、粉质黏土、砂岩、泥岩、泥质砂岩、煤岩等。基岩主要由砂岩和泥岩组成,砂岩节理裂隙较发育,局部可见近垂直状节理裂隙发育。泥岩属软岩,手划有刻痕,吸水反应强烈,局部已风化成土状,手可捏碎。矿区位于二铺背斜西北翼,背斜走向 N50E,区内层理以反坡242总第 569 期 金 属 矿 山 2023 年第 11 期层理为主,有斜交坡节理,走向 N8W,倾向 SW,倾角约 15。该区主要受 SENW 向的压应力场控制,逆断层倾角一般为 1530。1.2 环境物理场特征矿区位于温带半干旱性大陆性气候区,降雨量少。年均温度为 5.5 6.8,年温度变化范围为-32.437.9,年降雨量为 345.3682.2 mm,年平均为 428.2(朔县站 1934 年2003 年)449 mm(井坪站 1973 年2005 年),最高为 757.4 mm,最低为195.6 mm。降雨主要集中在每年 79 月,最大降雨强度可达 87 mm/d 和 478 mm/月。根据含水层介质和水动力特征,地下水主要可分为松散表土孔隙水、岩层间裂隙水、灰岩岩溶裂隙水 3 类。1.3 地震震级平朔煤田位于鄂尔多斯板块东北缘,周边历史上为地震多发带。根据该区地震分布的统计资料,将平朔煤田 322 km3区域划分为 4 个地震带。上述 4 个地震带的 MHPA(震级峰值水平加速度)值见表 1。表 1 平朔煤田各震源区的震级及其 MPHATable 1 Magnitude of source area and its MPHA of Pingshuo Coalfield震源区震级距矿区最短距离/km矿区 MPHA6.550.34gA7.01400.02gB8.0450.17gC7.31000.04g6.7650.04g7.72100.02g1.4 边坡稳定性影响因素煤矿工业广场位于西北帮边坡底部的矿坑内,如图 1 所示。该矿坑底部东西走向 500 m,南北走向约1 000 m,其西、北面为露天矿坡,而且高度都在 200 m以上。边坡长期受自然环境影响(暴露、受风吹、日晒、雨水冲刷),从而使得坡体的表层岩体结构比较松散、强度有所降低,存在严重的滑坡灾害隐患。工业广场是矿区重要的生产区和服务区,边坡的安全性直接与整个矿区的生产和生活紧密相关。图 1 矿区全景Fig.1 Mining area panorama根据现场调查与理论分析,发现当前边坡存在的安全隐患主要包括:(1)办公区上方历史滑坡区域表层为拉裂变形带。该区域内可见大量拉裂缝,地表水通过裂缝渗入地下。地表裂缝分布范围基本与地下采空区相对应,多沿采区周边地带成群分布。地下采空引起上覆岩体冒落、挤压、张裂变形,地下水循环加剧,极易导致岩体发生滑塌,如图 2 所示。图 2 西端帮滑坡区域安全隐患Fig.2 Potential safety hazards in landslide area(2)露天开采后形成的矿坑将周围的水汇聚于此,地表降雨量大、涌水侵蚀边坡底部的基岩。在雨季持续强降雨条件影响下,工业广场西帮边坡上方出现了大量的裂缝、冲沟及塌陷坑等,部分裂缝已贯通形成楔形滑体,局部出现了滑坡灾害。另外,坡面上的黄土松散多孔,当渗流通过黄土孔隙时,水流受到土颗粒的阻力,土颗粒受到水的反作用力,黄土边坡易发生渗流时,对边坡的稳定性尤为不利,如图 3 所示。图 3 雨季期间现场滑塌情况Fig.3 Site collapse during rainy season(3)排土场边坡高度达 80 m,边坡长期受自然环境(暴露,受风吹、日晒、雨水冲刷)影响,使得坡体的表层岩体结构比较松散、强度有所降低。另外,随着坡高增加,边坡自重应力逐渐增大,边坡滑动产生的剪应力也逐渐增大,边坡稳定性随着坡高增加而降低,存在严重的滑坡灾害隐患。(4)露天矿边坡下开采必然导致边坡岩体内部应力重新分布,使边坡岩体发生移动,破坏边坡原有的岩体结构,导致整个坡体具有从高到低滑动的趋势。该矿先由露天再转地下开采,露井联采的边坡与单一性的露天矿开采边坡相比较,变形机理有明显区别,露井联采过程中相互作用、相互扰动,从而形成了一个复杂的受力系统,使得边坡稳定性明显减弱。342 陶志刚等:高陡岩质边坡“面点面”稳定性综合评价方法 以安太堡露天矿为例 2023 年第11 期(5)该矿区存在 3 组几乎互相垂直的节理,将岩体切割为不均匀的块体,容易导致边坡局部发生崩塌。另外,岩组以砂岩、粉砂岩为主,岩体易受节理不连续面的连续切割破坏,对边坡稳定不利。由以上分析可知,边坡稳定性影响因素众多且十分复杂,各因素的影响程度也不尽相同,相互之间又存在着一定的关联性,很难将复杂的影响因素综合成一个因素进行评价。基于此,本研究提出一套高陡岩质边坡稳定性的综合评价方法,并以安太堡露天煤矿为例进行分析(图 4)。图 4 边坡稳定性的综合评价方法Fig.4 Comprehensive evaluation method of slope stability2 高陡岩质边坡危险性分区2.1 评价因子选取与数据准备根据安太堡露天矿的工程地质和水文地质条件,结合露天开采转井工开采的实际工况,选取 6 个指标作为评价因子,建立的评价因子模糊集合为U=u1,u2,u3,u4,u5,u6,(1)式中,u1、u2、u3、u4、u5、u6分别为坡角、坡高、降雨强度(年平均降雨量)、滑体特征综合影响指数、地质构造影响程度、井工开采影响指数。利用模糊综合评判方法对边坡状态进行了全面评价,边坡稳定性程度可分为稳定、基本稳定、基本不稳定和不稳定 4 个级别。本研究构建的评估集为V=1,2,3,4.(2)所取基值及各影响因素的评价标准见表 2,离散型指标评价标准见表 3。将 6 种评价因子根据表 2、表 3 划分为 1、2、3、4 4 个等级,并代入基值可得边坡稳定性综合评价分级标准集合:V=15.0022.50035.00050.00100.00150.000250.000300.001.002.0003.0004.001.002.0003.0004.001.002.0003.0004.000.250.3750.6250.75.(3)表 2 影响因素级别划分Table 2 Division levels of influence factors稳定级别坡脚数值基值坡高/m数值基值降雨强度数值基值稳定1515.05050.03003004(强)4稳定级别滑体特征综合影响指数数值基值地质构造影响程度数值基值井工开采影响指数数值基值稳定1(弱)11(低)10.750.7502.2 确定权重由于各单项评价指标(或评价要素)对于边坡稳定性的影响存在差异,相应有不同的侧重。权重 Wi计算公式为Wi=Ci/Si,(4)式中,i 为所评价指标;Ci为各种指标实测值;Si为各指标等级代表值,公式为 Si=1j S1+S2+Sj().(5)对各单项权重值进行归一化处理,公式为Wi=Ci/Sini=1Ci/SiWi=Wini=1Wi,(6)式中,n 为指标数量。权重计算结果见表 4。2.3 评价因子对于隶属函数确定模糊数学综合评价的边坡稳定性质量等级为稳定、基本稳定、基本不稳定、不稳定。各评价因子相对于这 4 个等级的隶属函数可以按照梯形分布和三角分布计算,计算公式分别为442总第 569 期 金 属 矿 山 2023 年第 11 期表 3 离散型变量取值标准Table 3 Standard for discrete variable values赋值影响程度分级滑坡体特征综合影响指数地质构造影响程度井工开采影响指数1弱(低)民采坑道和塌陷坑少(2),植被很发育,岩石坚硬,结构完整,中风化岩。构造运动微弱、只有少量小型断裂采空区跨度40 m,面积800 m2,高度8 m,埋藏深度10),植被不发育,岩石特别破碎,软弱结构面发育,岩土体特别不完整。构造运动强烈、巨大断裂带,断裂密集采空区跨度120 m,面积2 700 m2,高度30 m,埋藏深度300 m,井采区位于边坡坡脚下方。表 4 权重计算结果Table 4 Calculation results of weight参数坡角/()坡高/m降雨强度/(mm/h)滑体特征综合影响指数地质构造影响程度井工开采影响指数Ci45.00 120.001.502.001.500.20Si30.63 200.002.502.502.500.50Wi0.670.600.600.800.600.40Wi0.180.160.160.220.160.12V1i=1x a1()a2-xa2-a1a1 x a2()0 x a2(),(7)V2i=0 x a3,x a1()x-a1a2-a1a1 x a2()a3-xa3-a2a2 x a3(),(8)V3i=0 x a4,x a2()x-a2a3-a2a2 x a3()a4-xa4-a3a3 x a4(),(9)V4i=0 x a3()x-a3a4-a3a3 x a4()1x a4(),(10)式中,被评估组的测量值 aii=1,2,3,4()分别为、级评价标准值。2.4 综合评价分区结果分析对整个山西安太堡露天矿 250 个待评价单元逐一进行评判,实现对该矿边坡稳定性评价,结果如图5 所示。图 5 安太堡露天矿边坡稳定性分区模糊综合评价结果Fig.5 Fuzzy comprehensive evaluation results of the stability zoning of the slope of Antaibao Open-pit Mine(1)不稳定区。主要分布在北帮井工开采入口处及采空区,坡角和坡高均较大,且受到井工开采和地下采空区影响,并且边坡上部存在大量碎石和松散黄土,一旦有集中强降雨,将有发生滑坡的危险。另有一部分不稳定区在工业厂房上方,此处受雨水冲刷作用影响,地表存在大量裂缝。(2)较不稳定区。分布比较广泛,主要集中在北帮、西帮的二级、三级台阶和排土场,北帮、西帮的二级、三级台阶由于不断地扩帮使边坡角和坡高都有了新的变化,其稳定性也渐趋于不稳定。排土场主要为开挖的松散黄土,没有加固措施,也没有植被覆盖,当存在降雨时,在雨水冲刷作用下极易发生失稳破坏。(3)较稳定区。分布更加广泛,这些地区坡角较缓且坡高一般也较低,并且有一定的植被覆盖,地形基本完整,岩土体裂纹较少,受施工扰动较低。(4)稳定区。主要分布在露天矿坑的边缘外部,占研究区面积的大部分,区内植被覆盖率较高,地形基本完整,地表裂缝较少且较平坦,没有大的边坡,受542 陶志刚等:高陡岩质边坡“面点面”稳定性综合评价方法 以安太堡露天矿为例 2023 年第11 期施工开采影响也较小。3 高陡岩质边坡稳定性分析3.1 边坡稳态敏感性因子确定由于安太堡矿边坡是由露天矿开挖形成的,边坡岩体在历史上已经完成固结,且边坡体内岩性为较均一的变质混合岩,岩土体风化带界限不明显,因此应首先确定边坡的潜在滑动面。该矿西端帮坡度较缓且二、三级台阶为第四纪堆积黄土、风化层,属于散体结构且岩性比较均一,因此,西端帮的破坏类型属于圆弧滑动模式。根据工程地质勘察钻孔资料和坡面锚索钻孔施工情况可知,与坡面垂直深度 5060 m处存在构造破碎带,岩土体呈破碎土块状,据此本研究采用自动搜索技术(简化 Bishop 法)确定潜在滑动面的位置。如图 6 所示,沿着断裂带的顶部和坡脚形成了潜在的滑动弧。图 6 滑动面确定示意Fig.6 Schematic of the determination of sliding surface根据确定的边坡潜在滑动面和边坡坡面形态,选取西端帮有代表性的两个剖面建立计算模型,如图 7所示。利用 MSARMA 对西端帮进行边坡稳定性分析,各种条件下的稳定系数取值见表 5 和表 6。表 5 剖面 1 稳定性系数Table 5 Stability coefficients of No.1 profile地震烈度不同边坡自然排水率下的稳定性系数0%50%100%01.074 21.248 11.427 50.916 51.062 31.221 20.794 90.918 61.060 6表 6 剖面 2 稳定系数Table 6 Stability coefficients of No.2 profile地震烈度不同边坡自然排水率下的稳定性系数0%50%100%01.000 21.193 91.430 50.858 31.017 51.227 80.747 40.879 51.067 5 针对边坡的排水率、边坡土体容重、底滑面的黏聚力和内摩擦角、侧滑面的黏聚力和内摩擦角、地震系数分别进行了敏感性分析。其中,边坡排水速率和图 7 剖面 1、2 MSARMA 法计算模型Fig.7 MSARMA method computation model of section 1、2地震是影响边坡稳定的两种极其活跃的环境力,是边坡变形破坏的诱发因素。例如,与干坡和饱和坡相比,边坡的稳定系数显著提高,如图 8 所示。边坡在度地震作用下,稳定系数低于无地震作用下的稳定系数,并随着地震系数增大,其相应的稳定系数迅速减小,如图 9 所示。图 8 剖面 1、2 排水率敏感性分析曲线Fig.8 Sensitivity analysis curves of drainage rate of No.1 and No.2 profile3.2 西北帮边坡稳定性数值模拟分析本研究通过 MSARMA 法对西端帮潜在滑动面的影响因子进行敏感性分析,得到地震、排水率为敏感性因子。在此基础上,利用 FLAC3D软件对西北帮边坡进行天然工况、渗流工况、地震作用下的稳定性进行数值分析。3.2.1 天然工况下边坡稳定性分析3.2.1.1 模型构建由 ANSYS 导入 FLAC3D得到边坡网格单元,整个模型由四面体组成,共121 487个单元,25 391个节642总第 569 期 金 属 矿 山 2023 年第 11 期图 9 剖面 1、2 水平地震系数敏感性分析曲线Fig.9 Sensitivity analysis curves of horizontal seismic coefficient of No.1 and No.2 profile点。模型长 1 064.219 m,宽 785 m,地表最高点高程为 1 450 m,最低点高程为 1 230 m。各层岩土参数取值见表 7,模型如图 10 所示。表 7 安太堡露天矿岩土体物理力学参数Table 7 Physical mechanical parameters of rock mass of Antaibao Open-pit Mine岩性名称密度/(kg/m3)弹性模量/Pa泊松比抗拉强度/Pa黏聚力/Pa内摩擦角/()黄土1 9601.51080.421.01035.010420风化砂岩2 3002.01090.365.01041.010633砂岩2 3804.21090.321.01051.210635图 10 西北帮边坡工程地质模型Fig.10 Engineering geological model of northwest slope3.2.1.2 地下水面生成由于在 FLAC3D中直接生成符合勘察资料所述的复杂空间几何形态的地下水位面比较困难,故而本次模拟充分利用了 FLAC3D中的界面单元能自动依附于指定范围内模型表面生成的特性,地层流体参数取值见表 8,构建的地下水面工程地质模型如图 11所示。表 8 岩土体中流体的物理力学参数Table 8 Physical and mechanical parameters of fluid in rock mass介质密度/(kg/m3)体积模量/MPa不排水系数残余饱和度黏度比水1 0001.0001空气00001图 11 地下水面工程地质模型Fig.11 Engineering geological model of groundwater surface3.2.1.3 约束条件本研究计算中本构模型采用 Mohr-Coulomb 模型。除了坡面设自由边界外,模型底部为固定约束边界,模型四周为单向边界。在初始条件中,仅考虑自重应力产生的初始应力场和静水压力。3.2.1.4 计算过程计算时,首先生成静水压力,再选择弹性本构模型,按前述约束条件,在只考虑重力作用的情况下进行弹性求解,计算至平衡后对位移场和速度场清零,生成初始应力场;最后进行本构模型为 Mohr-Cou-lomb 模型的弹塑性求解,直至系统达到平衡。天然工况下西北帮边坡位移分布如图 12 和图13 所示。由图 12、图 13 可知:西北帮边坡在天然工况下均有一定的位移量,其中 X 方向最大位移发生在西边帮,最大位移达到 30 cm;Y 方向最大位移发生在北边帮,最大位移达到 41 cm。图 12 天然工况下西北帮边坡 X 方向位移云图Fig.12 X-displacement nephogram of northwest slope under natural condition典型剖面 Y=200 m 剖面的位移矢量图和位移云图如图 14 和图 15 所示。分析可知:边坡上部位移矢量垂直向下,表现为沉降;中部位移矢量近乎与坡面平行,表现为剪切;下部位移矢量在渐近坡趾处表现为剪出。与之对应,位移分布图在剖面上的表现形态为:在边坡中上部呈竖向分布,不与坡面相交,且拐点742 陶志刚等:高陡岩质边坡“面点面”稳定性综合评价方法 以安太堡露天矿为例 2023 年第11 期图 13 天然工况下西北帮边坡 Y 方向位移云图Fig.13 Y-displacement nephogram of northwest slope under natural condition距坡面较远;在下部与边坡底部近乎平行,而后在近坡面处上翘。这些现象表明,边坡的潜在破坏以浅表层圆弧剪切破坏为主。图 14 Y=200 m 剖面位移矢量图Fig.14 Displacement vector graph of Y=200 m section图 15 Y=200 m 剖面及其后部边坡体 X 方向位移云图Fig.15 X-displacement nephogram of Y=200 m profile and its rear slope body天然工况下边坡最大主应力分布如图 16 所示。由图 16 可知:主应力等值线平滑,几乎相互平行,很少出现突变,仅在岩土体分界面附近区域和坡脚区域产生不明显的应力集中效应,表明凹形的边坡整体几何形态有效降低了边坡的应力集中程度。从而可以判断出岩层的分界面以及坡脚容易出现不稳定现象,对边坡进行支护时应重点考虑这些部位的破坏。图 16 天然工况下边坡最大主应力云图Fig.16 Maximum principal stress nephogram under natural condition3.2.2 渗流工况下边坡稳定性分析安太堡露天矿边坡的上覆土层为黄土,疏松多孔,当渗流经其孔隙通过时,土颗粒与水流围绕接触。水流受到土粒的阻力,土粒则受到水的反作用力,因此,当黄土边坡中存在渗流时,对边坡的稳定性尤其不利。本节对西北帮边坡在降雨工况下存在渗流时的边坡稳定性进行分析。西北帮边坡的渗流场如图 17 所示。由图 17 可知:渗流场方向为沿着边坡向下,因此,当产生渗流时将对边坡土体产生顺着边坡向下的作用力,对边坡稳定极为不利。图 17 渗流工况下西北帮边坡渗流矢量场Fig.17 Flow vectors of northwest slope under seepage condition渗流工况下,西北帮边坡位移分布如图 18 和图19 所示。分析可知:在渗流工况下西北帮边坡 X、Y方向最大位移分别为 45 cm 和 70 cm,相比于天然工况下的30 cm 和41 cm,有较大幅度增加,尤其是北帮增量达到了 29 cm。可见,在集中强降雨工况下,边坡稳定性大大降低。图 18 渗流工况下西北帮边坡 X 方向位移云图Fig.18 X-displacement nephogram of northwest slope under seepage condition图 19 渗流工况下西北帮边坡 Y 方向位移云图Fig.19 Y-displacement nephogram of northwest slope under seepage condition3.2.3 地震作用下边坡稳定性分析边坡振动破坏效应是由地震力直接引起的边坡破坏,一般包括边坡的水平滑动或晃动,以及共振等,在地震效应中是主要的震害。地震时,由于地震波在地壳表层和地面传播,使之产生瞬时振荡和晃动,边842总第 569 期 金 属 矿 山 2023 年第 11 期坡的各土层也随之发生振动,当结构的振动超过他的许可限度时将造成破坏,即产生惯性力的作用。为了简化计算过程,本研究计算只考虑水平地震力作用,且每次只对一个方向施加地震加速度。地震力是由于地震波在传播过程中使地壳岩体中质点做加速度简谐运动引起的。若质点在水平方向做加速度简谐运动,其最大水平加速度可进行如下计算:amax=A2T()2,(11)式中,amax为最大水平加速度,cm/s2;T 为振动周期,s;A 为振幅,cm。岩体质点在最大水平加速度情况下,其上边坡所承受的水平惯性力达到最大值。据此,本研究输入的模型底部的加速度波形如图 20 所示。图 20 模型底部输入的水平方向地震加速度时程曲线Fig.20 Horizontal seismic acceleration time history curve entered at the bottom of model西边帮监测点的 X 方向位移时程曲线如图21 所示。由图 21 可知:无论是顶部点还是底部点位移都随着时间的增加而增大,底部点由于受到周围土体的约束作用而较小,顶部点由于存在着临空面,因而其位移较大。图 21 西边帮底部点和顶部点 X 方向位移时程曲线Fig.21 X-direction displacement time history curves of bottom and top points of west slope 北边帮底部点和顶部点 Y 方向位移时程曲线如图 22 所示。由图 22 可知:底部点和顶部点的位移方向均为 Y 的负方向,即朝向临空面。而位移也是顶部点较大,底部点较小。3.3 边坡综合评价方法边坡稳定性分区方法多种多样,有经验方法、统图 22 北边帮底部点和顶部点 Y 方向位移时程曲线Fig.22 Y-direction displacement time history curves bottom point and top point in north slope计方法等,但都无法对各种影响因素进行综合考虑。本研究采用模糊数学方法,在众多影响因素中选取 5个主要因素对边坡进行稳定性分区。通过工程地质条件研究,确定了山西安太堡露天