云南某礦山高邊坡穩(wěn)定性模擬分析

（濱州市建筑設計研究院有限公司，山東 濱州 256600）

云南某礦山高邊坡形態(tài)為一孤山梁，山梁頂部植被茂盛。山坡地形陡峻，天然坡度為35°～45°，局部基巖出露形成陡崖，山體平緩、低凹部位被坡、崩積層覆蓋。

自開挖以來，目前已形成高達100m的邊坡，其開挖至今受自然及人為因素影響已多次發(fā)生變形、開裂、垮塌現(xiàn)象；由于工程建設需要，仍需繼續(xù)對其開挖，為保證開挖過程中邊坡的安全穩(wěn)定，通過數(shù)值模擬分析，找出塑性破壞區(qū)域，以便更好的輔助設計工作[1]。

本文基于該礦山地質(zhì)勘察資料，利用Gocad軟件三維可視化技術(shù)，建立該邊坡三維地質(zhì)模型。借助Gocad和Ansys以及Flac3d接口程序，將三維地質(zhì)模型轉(zhuǎn)化為Flac3d的計算模型，通過Flac3d對其彈塑性分析和強度折減計算，根據(jù)邊坡位移場和應力場的分布規(guī)律，評價邊坡的天然穩(wěn)定性，探討其潛在破壞情況[2]。

1 邊坡模型建立

根據(jù)地層分布情況，將該模型簡化為4個地層結(jié)構(gòu)進行建模。由實測地形線及鉆孔勘察資料在Gocad中建立實體模型及各個地層面，將該模型通過接口導入Ansys中，經(jīng)過簡單的布爾運算得到邊坡在Ansys中的模型并劃分網(wǎng)格（圖1）。

圖1 Gocad模型及ansys模型圖

2 計算分析

2.1 計算模型

通過Ansys與FLac3d的接口程序?qū)⒛Ｐ娃D(zhuǎn)換為FLac3d可讀取的計算模型。

2.2 邊界條件及物理力學參數(shù)

邊坡除坡面設為自由邊界外，模型底部為固定約束邊界，模型四周為單向邊界。計算參數(shù)使用前期勘察及實驗建議參數(shù)（表1）。

表1 邊坡巖土體物理力學參數(shù)

2.3 計算方法及步驟

計算時，按下述步驟進行：首先，選擇彈性本構(gòu)模型，按前述約束條件，只考慮重力，進行彈性求解，計算至平衡后對位移場和速度場清零，生成初始應力場；然后進行Mohr-Coulomb模型的彈塑性求解，直至系統(tǒng)達到平衡。

3 模擬結(jié)果分析

將FLac3d計算結(jié)果導入Tecplot，通過其強大的后處理功能，繪制邊坡的整體及典型剖面（Y=180m）的位移云圖及最大、最小主應力等值線圖，對該邊坡的位移場和應力場進行分析。

圖2 Y=180剖面位移矢量圖及位移云圖

3.1 位移場分析

從位移矢量圖可知，邊坡上部位移矢量垂直向下，表現(xiàn)為“沉降”；中部位移矢量近乎與坡面平行，表現(xiàn)為“剪切”；與之對應，位移分布圖表現(xiàn)形態(tài)為：在邊坡中上部呈半封閉狀，而后在近坡面處上翹；在下部則與邊坡底部近乎平行。最大位移為50mm，位于邊坡中后部[3]。這些現(xiàn)象表明，邊坡的潛在破壞以淺表層圓弧形剪切破壞為主。

3.2 應力場分析

從典型剖面的應力分布圖可以看出，該剖面附近的最大主應力基本順著坡面方向，并一直延伸到坡腳，但在松散碎石層等值線不再光滑連續(xù)，發(fā)生了間斷跳躍，說明該部位已發(fā)生明顯的應力集中，這對邊坡穩(wěn)定性不利。而邊坡內(nèi)部，最大主應力方向與水平軸的夾角逐步變大，直至鉛直；地層分界面附近區(qū)域的最大主應力方向要比其它區(qū)域變化得大且迅速，但并未影響主應力分布的總趨勢。這些都表明邊坡深部巖土體主要受垂直方向的壓應力作用，體現(xiàn)為受壓屈服。由最小主應力圖（圖3）可知，邊坡中部出現(xiàn)部分拉應力集中，如果拉應力大于該部位巖體抗拉強度將出現(xiàn)拉裂破壞。

圖3 Y=180m剖面最大及最小主應力等值線圖

3.3 塑性區(qū)分析

為定量分析邊坡的穩(wěn)定性，采用FLac3d內(nèi)置的solve fos命令計算邊坡的安全系數(shù)Fs，該命令以強度折減法為基礎(chǔ)，邊坡安全系數(shù)定義為：邊坡剛好達到臨界破壞狀態(tài)時，對巖土體抗剪強度的折減程度。

圖4 邊坡剪切塑性變形云圖及等值線圖

經(jīng)計算，邊坡安全系數(shù)Fs=1.09，表明其在天然狀態(tài)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。從塑性變形云圖可知邊坡的破壞范圍主要分布在中后部松散碎石層；由8剖面塑性變形等值線云圖中可知，邊坡中后部等值線較為密集，且剖面塑性區(qū)已貫通。由此可知，假如該邊坡發(fā)生塌方、滑移現(xiàn)象，最可能原因是松散碎石層在飽水或震動條件下的變形區(qū)塑性破壞貫通破壞，模擬與實際情況相符。

4 結(jié)論

（1）該礦山高邊坡安全系數(shù)為1.09，天然狀態(tài)下基本穩(wěn)定。

（2）邊坡目前已多次發(fā)生坍塌，在強降雨或震動條件下極有可能再次發(fā)生坍塌或滑坡現(xiàn)象。

（3）該邊坡塑性變形最大的區(qū)域位于中后部松散碎石層，該區(qū)域塑性區(qū)已發(fā)生貫通，也是最有可能發(fā)生坍塌、滑坡的區(qū)域。

（4）邊坡巖體受鉛直應力作用表現(xiàn)為受壓屈服，潛在破壞以松散碎石層的圓弧剪切破壞為主。

（5）該模擬結(jié)果與現(xiàn)實情況相符，應加強對塑性區(qū)范圍的支護，并加強監(jiān)測。