臨界滑動場法在露天礦邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用*

宋志飛 徐秀鳴 孫世國

(北方工業(yè)大學建筑工程學院)

對于任意形狀的邊坡，以往經(jīng)典的條分法很難解決搜索出安全系數(shù)最小的臨界滑動面這個問題，為此，朱大勇提出了臨界滑動場法(Critical Slip Field，簡稱CSF)［1-2］。筆者以金川露天礦邊坡為例，在應(yīng)用極限平衡條分法基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬方法模擬出邊坡內(nèi)任意點的危險滑動方向，以及條塊間最不利推力，確定初始滑動面，由此驗證該方法在工程應(yīng)用中的準確性及優(yōu)勢，進行邊坡穩(wěn)定性分析的研究。

1 臨界滑動場法概述

朱大勇根據(jù)最優(yōu)控制理論提出了邊坡臨界滑動場的概念，并提出了模擬臨界滑動場的數(shù)值方法［1-2］。該方法繼承了極限平衡條分法的主要框架，綜合了簡化Janbu法、Sarma法和剩余推力法，直接從整體出發(fā)，將邊坡體離散為眾多個狀態(tài)點(如圖1(a)所示)，通過數(shù)值方法模擬出邊坡體內(nèi)任一點的危險滑動方向和條塊間最不利推力，最終得到一簇任意形狀危險滑動面(其中一條為臨界滑動面)的臨界滑動場(如圖1(b)所示)，并以剩余推力值表示其穩(wěn)定性程度。

圖1 邊坡滑移場法

若最大剩余推力Pmax為零或者充分接近零，則此時對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)Fs就是邊坡最小安全系數(shù)，此時危險滑動場即為臨界滑動場，其中的最大剩余推力為零時所對應(yīng)的滑動面就是臨界滑動面。該法求解方便可靠，所得臨界滑移面能逼近解析解，可以全面定量評價整體和局部的穩(wěn)定性，有利于工程更加全面的判斷與決策。

2 金川石英石露天礦邊坡穩(wěn)定分析

石英石礦區(qū)位于甘肅省金昌市金川區(qū)高石咀，隸屬金川集團股份有限公司三礦區(qū)開采，項目區(qū)至省道有普通柏油公路相連，交通十分方便。本研究范圍在石英石露天礦區(qū)北幫邊坡。

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計及工程的經(jīng)濟效益綜合分析，石英石露天礦將開采至高程1 696 m處，考慮到向下開采延深過程中，形成不同的坡高和坡角大小，使得坡體處于不同的穩(wěn)定狀態(tài)。為了確保生產(chǎn)過程中的安全生產(chǎn)，本次研究首先確定到界邊坡允許的最大坡角，由此確定露天開采的境界線，設(shè)定2－2剖面現(xiàn)狀邊坡及后續(xù)降深開采過程，對2－2剖面向下延深開挖過程中的邊坡設(shè)計及其坡角允許最大值分別進行分析和優(yōu)化設(shè)計。相關(guān)力學參數(shù)如表1所示。

表1 北幫各巖層物理力學參數(shù)

2.1 用滑移場法搜尋滑移面

根據(jù)金川露天礦北幫現(xiàn)存的邊坡剖面圖，應(yīng)用滑移場理論方法編制相應(yīng)的程序，搜尋危險的滑移面，將邊坡數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序中，建立邊坡數(shù)值模型如圖2(a)所示。設(shè)定Fs=1.26時，根據(jù)現(xiàn)存邊坡輪廓搜尋出危險滑面，如圖2(b)所示。

2.2 用Geo－slope尋找滑移面

在Geo－slope中建立數(shù)值模型及搜尋出的滑移面如圖3所示，在本研究中，采用4種常用的邊坡穩(wěn)定性評價方法，然后取穩(wěn)定系數(shù)最小的數(shù)值作為邊坡評價是否穩(wěn)定的依據(jù)，并取各個剖面中滿足穩(wěn)定性要求最小的坡角作為最終整體坡角設(shè)計的依據(jù)。現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定狀態(tài)計算結(jié)果如表2所示，在無地震條件下排土場邊坡最小穩(wěn)定系數(shù)為1.401，最大值為1.635，平均值為1.5;在有地震條件下，排土場邊坡穩(wěn)定系數(shù)最小值為1.096，最大值為1.357，平均值為1.195。由此說明排土場邊坡處于非常穩(wěn)定狀態(tài)，在有無地震作用時邊坡體都是安全的。

圖2 搜尋邊坡危險滑移面

圖3 2－2剖面現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定狀態(tài)計算

表2 2－2剖面現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定狀態(tài)計算結(jié)果

經(jīng)過系統(tǒng)的滑面搜尋和穩(wěn)定性評價，最終得出:當坡角為36°時，2－2剖面滿足2種工況條件下的邊坡穩(wěn)定性的要求，于是初步設(shè)定將石英礦邊坡進行8步減載開挖，如圖4所示。在減載方案的優(yōu)化中，依據(jù)露天向下延深過程中每個臺階10 m所形成的邊坡高度及坡角大小，將考慮2種工況條件，即正常條件下無地震影響和和有地震的影響。在2種工況條件下排土場邊坡穩(wěn)定性均要滿足安全要求為前提;在有地震作用時，如果此條件下還能滿足排土場邊坡穩(wěn)定性要求，那么基本可以保證排土場的安全。

根據(jù)上述評價規(guī)則，應(yīng)用滑移場理論方法依次搜尋、確定最危險滑坡位置，然后分析其穩(wěn)定狀態(tài)，通過最危險滑面的搜尋，找出給定工程地質(zhì)條件下最危險的位置，并進行各次降深對邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的影響，并分析生產(chǎn)過程中的安全性，其邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的計算結(jié)果如表3所示。

表3 不同分析方法下2－2剖面向下開采延深邊坡穩(wěn)定狀態(tài)評價結(jié)果

從表3中的計算結(jié)果可以看出，淺部開采邊坡穩(wěn)定狀態(tài)要好于最終邊坡穩(wěn)定性，這主要是坡高和坡角逐漸增大的結(jié)果。如果考慮礦區(qū)地震影響，2－2剖面允許的最大坡角為36°。

根據(jù)一系列優(yōu)化設(shè)計計算顯示，邊坡的滑移面與實際工程的土層交界面接近，符合巖質(zhì)邊坡滑移的一般情況。由于實際工程地質(zhì)的不均勻性和復(fù)雜性，在計算的過程中，難免會與實際情況有些差異，這也是需要再進一步完善的地方。

3 結(jié)論

(1)金川露天礦北幫2－2剖面邊坡在最后一次開挖至1 696 m處時，正常條件與有地震條件下穩(wěn)定性明顯不同。在正常條件下，當邊坡角最小時，穩(wěn)定系數(shù)為1.365;在地震條件下，邊坡角最小時，穩(wěn)定系數(shù)只有1.057。與現(xiàn)狀邊坡相比，穩(wěn)定性大大降低，幾乎處于極限狀態(tài)，有滑坡的危險。

(2)瑞典法和Janbu法計算出來的滑移位置與實際差距較大，穩(wěn)定系數(shù)偏低10%～20%，相比之下，滑移場法更加接近實際情況，CSF法在金川露天礦中，已經(jīng)成功運用滑移場法計算了多個剖面的穩(wěn)定性，較為符合實際情況，取得了良好的效果。

(3)根據(jù)上述判定的邊坡穩(wěn)定性，仍應(yīng)該在露天礦邊坡開挖之前做好加固防滑措施，以降低滑坡的危險。

［1］ 朱大勇，錢一虎，周早生，等.巖體邊坡臨界滑移場計算方法及其在露天礦邊坡設(shè)計中的應(yīng)用［J］.巖石力學與工程學報，1999，18(5):567-572.

［2］ 朱大勇，余振錫.臨界滑動場法GCSF分析——以新橋硫鐵礦為例［J］.水文地質(zhì)與工程地質(zhì)，1999，26(3):9-12.

［3］ 陳祖煜.邊坡穩(wěn)定分析——極限平衡法的改進和應(yīng)用［D］.北京:清華大學，1991.

［4］ 鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理［M］.1版.北京:人民交通出版社，2007.