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摘 要 ：露天矿岩质边坡稳定性是影响矿山安全生产和建设的重要因素之一，也是矿山建设中常见的地质灾害类型，尤其是顺 层岩质边坡在开挖过程中极易产生滑坡危险。因此本文采用FLACD3D 数值模拟技术针对不同软弱结构面的赋存条件对顺层边 坡的劣化影响展开研究。研究结果表明， 当边坡为单结构面顺层边坡且结构面以上岩体无切角岩层出现时， 边坡安全系数呈“先 下降后上升”的趋势，其中当结构面角度为 40°时，边坡稳定性最差 ；当边坡为多结构面顺层边坡且边坡存在切角岩层时，边 坡的稳定性随着结构面数量的增加，边坡安全系数呈“先缓后急”的下降趋势。且边坡的位移和拉应力主要集中在切角岩层及结 构面附近，说明边坡会沿着所有的滑动面产生滑动，且在多结构面劣化影响下，边坡的稳定性急剧降低。研究结果为露天矿边 坡稳定性的研究提供了科学依据， 同时对露天矿边坡地质灾害的预防和控制具有重大意义。
关键词 ：露天矿顺层岩质边坡 ；软弱结构面 ；赋存条件 ；劣化条件 ；边坡稳定性
露天矿边坡稳定性问题一直以来都受到国内外学者的广泛 关注，这是因为露天矿边坡稳定性是矿山重大的地质灾害之一， 对矿山的安全生产有着举足轻重的地位。然而， 由于地质条件的 不同，顺层边坡结构面的赋存条件存在较大差异，其差异主要 表现为单结构面顺层边坡和多结构面顺层边坡。单结构面顺层 边坡根据其岩层产状的不同，其软弱结构面主要受角度的影响 相对较大 ；多结构面顺层边坡， 在地质构造的影响下， 边坡存在 大量切角岩层， 切角岩层面向边坡的临空面， 对边坡存在不同程 度的劣化影响。基于此， 近年来许多学者对顺层边坡投入了大量 的研究工作，例如 ：王章琼 [1] 等采用UDEC 离散元软件分析了 顺层边坡的破坏模式和稳定性，研究结果表明边坡主要有滑移 和拉裂 - 滑移两种破坏方式。李宗鸿 [2] 等采用顺层边坡的相似试 验和数值模拟两种方法研究了陡倾顺层边坡地下开挖失稳的模 式，并计算了该边坡的安全系数。陈笑楠 [3] 等利用屈曲理论和突 变理论针对顺层边坡的结构缺陷分析了边坡的不稳定状态。刘 新荣 [4] 等采用振动台模型试验和数值计算方法研究了频发微小 地震下顺层岩质边坡的累计损伤和边坡的稳定性。郝喆 [5] 采用 现场调查、土工试验和生态环境治理设计等多种方法对露天矿 超高边坡建立了生态环境治理方案。韩新平 [6] 等通过现场调查 及试验， 对中等倾角顺层不稳定边坡结构提出了优化方案， 不仅 满足了边坡的安全要求，也为类似矿山的边坡安全设计提供了 参考。目前研究边坡稳定的方法以极限平衡法和强度折减法 [7，8] 最为常见，同时 FLAC3D 数值模拟软件常被用来研究边坡的稳 定性，这是因为该软件不仅能以强度折减法为基础计算出边坡 的安全系数， 也可以清楚的计算出边坡滑动面的位置。因此本文 采用FLAC3D 数值软件探索露天矿顺层岩质边坡软弱结构面的 不同赋存条件对边坡稳定性的影响。
1 模拟方案
经过查阅大量文献和现场实地调查发现，现阶段我国露天 矿边坡台阶高度为 15m 的居多，因此本文拟设计露天矿边坡参 数为 ：台阶高度为 15m，最终台阶坡面角为 65°，安全平台为 4m，清扫平台为 8m，每两个安全平台设置一个清扫平台，终了 边坡的角度为 52°。研究中设置 10 个台阶作为终了边坡研究对象， 即终了边坡高度为150m。
此次研究采用数值模拟的方法对露天矿顺层岩质边坡结构 面在劣化条件下的边坡稳定性进行分析。其主要研究目的是分析 顺层岩质边坡结构面不同倾角及多结构面对边坡稳定性的劣化 影响。并根据研究结果分析顺层地质条件下，边坡的的失稳模式 及劣化程度。为今后开展边坡稳定性分析提供科学依据。单结构 面和多结构面对边坡稳定性影响的研究方案具体分述如下。
单结构面以研究不同倾角对边坡稳定性的影响，其中结构 面贯穿边坡的顶底部， 且结构面上下均为均质岩体， 不存在切角 岩层，单结构面倾角分别设置为 ：0°、5°、10°、15°、20°、 25°、30°、35°、40°和 45°。多结构面以研究顺层边坡存在 多个结构面时对边坡稳定性的影响，多结构面的研究方案为 ： 终了边坡结构面由 1~5 逐渐递增，其中该终了边坡的特点是存 在大量切角岩层。
2 模型的建立
根据模拟方案中露天矿终了边坡的台阶相关参数及软弱结 构面研究方案建立终了边坡的数值计算模型。根据《非煤露天 矿边坡工程技术规范》（GB 51016-2014）可知，边坡稳定性的标 准为边坡的安全系数，因此模拟中采用边坡的安全系数作为衡 量边坡稳定性的强弱标准。所建立的边坡模型如图 1所示（根据 研究方案所建立的模型较多，因此选取两个典型的模型进行展 示），模型的尺寸为 ：长 × 宽 × 高 =150m×10m×150m。共建 立2592 个节点， 1638 个单元。为保证模拟结果的准确性， 在终了 边坡的结构面附近网格进行了加密处理。同时为保证模拟的正 确性需对模型做出如下假设 ：
（1）各岩层均为各向同性的均质体。
（2）符合摩尔 - 库伦弹塑性理论模型。
（3）模拟中不考虑地下水和时间效应的影响。
由于该矿山为露天开采，因此模拟过程中不考虑水平应力 的影响，模型仅受重力影响且重力加速度即 取 9.8。
2.1 模拟中力学参数的确定
为获取相对较为准确的力学参数，通过对某石灰岩露天矿 现场调查取样，并进行室内岩石力学试验确定。试验结果，岩石 的平均单轴抗压强度为 86.17MPa， 平均弹性模量为 20.44GPa。 试验部分图件如图2所示。
根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016-2014）和 Hoek-Brown 强度准则， 结合式（1）~ 式（7）将该矿山岩石力学 参数转化为岩体力学参数如表 1所示。
式中， σ
t 为岩体的单轴抗拉强度 ；ϕ为岩体内摩擦角 ；c为岩体的内聚力 ；E
i 为完整岩石的弹性模量 ；
为岩体弹性模量 ；D为爆破影响系数，本次研究取 D = 0.9 ；mb 、s 和α均为岩体的材料参数 ；GSI 为岩石地质强度指标，根据对矿山的 地质情况的实际调查，结合节理面发育情况和水流影响综合考虑 GSI 为46。
通过阅读文献了解到岩体主要以剪切和拉伸破坏为主，且 岩体的物理力学性质及破坏方式与弹塑性材料较为相似，因 此，模拟中采用摩尔 - 库伦本构模型，在此本构模型条件下， FLAC3D 数值计算中需赋予岩体体积模量和切变模量参数，该 参数的计算公式分别如式（8）和公式（9）所示，计算所需其它参数参照表 1。
式中， K 为体积模量，G 为切变模量，E为弹性模量，v 为泊松比。
2.2 边界条件
边界条件包括位移边界、加速度边界和应力边界，由于所研 究边坡为露天矿岩质顺层边坡，边坡高度为 150m，为地表开采， 因此模拟中不考虑水平地应力对边坡稳定性的影响，只考虑在 重力作用下边坡的稳定性。因此，模拟中采用Fix 约束模型左侧 边界和底部边界的水平位移和加速度，模型顶部和模型右侧边 界为自由边界不受约束。并通过稳定性系数和边坡最大剪应变 来对露天矿顺层岩质边坡进行稳定性分析。
3 结果分析
3.1 模拟结果
根据模拟方案计算得到露天矿顺层岩质边坡在单结构面不 同倾角条件的边坡剪应变和安全系数云图如图 3 所示 ；多结构 面边坡剪应变和安全系数云图如图 4 所示（由于计算云图较多， 因此这里只展示部分典型图件以说明问题）。
将 FLAC3D 数值计算结果得到的数据导入 Origin 后处理软 件，分别得到露天矿顺层岩质边坡在单结构面不同倾角和多结 构面劣化条件下的安全系数统计图分别如图 5 和图 6所示。
3.2 数据分析
根据图 3 可知，露天矿顺层岩质边坡存在单结构面时（结构 面上下均为均质岩体不存在切角岩层如图 1a所示），其边坡的最 大剪应变主要出现在软弱结构面处，岩体会沿着软弱结构面进 行滑动 ；由图4 可知， 当露天矿岩质边坡存在多结构面的劣化条 件时，边坡的最大剪应变位置依旧出现在边坡的软弱结构面处， 且随着结构面的增加， 边坡的最大剪应变的位置会随之下降， 但 边坡顶部的结构面位置会存在相对较大的剪应变。这说明， 露天 矿顺层岩质边坡在多结构面劣化因素的影响下，顺层边坡的滑动会优先沿着下部的软弱结构面进行， 同时，岩体顶部的软弱结构面也会相应产生滑动。
根据图 5 可知，单结构面顺层岩质边坡随着倾角的增加，边 坡的安全系数逐渐降低，且当结构面倾角由 0°增加至 5 度时， 边坡的安全性变化较大，由 5°增加至 30°时，边坡安全系数近 似呈线性降低趋势，由 30°增加至 40°时，边坡安全系数急转 直下，边坡的不稳定性急剧增加，当结构面倾角由 40°增加至 45°时，边坡的安全系数显著增加，这是因为结构面以上的岩体 相对较少，其重量相对较少，且结构面底部的反向支撑应力相 对得到提高，这时，边坡不易产生滑动破坏，但是此时的边坡最 易产生倾倒破坏，需严加防范。由图 6 可知，露天矿顺层岩质边 坡在多结构面劣化因素影响下，边坡的安全系数先近似呈“直线 型”下降趋势，而后边坡的安全系数显著降低，这说明，露天矿 顺层岩质边坡随着软弱结构面的增加，边坡的安全系数会显著降低。
由于多结构面顺层边坡存在大量的切角岩层和多个软弱面， 对边坡的影响相对复杂（如图 1b所示）。因此本文对多结构面劣 化条件下的露天矿岩质边坡的位移和应力进行了分析，计算得 到多结构面劣化条件下的边坡位移、应力云图（部分云图） 分别 如图 7 和图 8所示。
根据图 7 可知，露天矿顺层岩质边坡在多结构面劣化因素影 响下，岩体的水平位移主要发生在岩体结构面以上的岩体之中， 且各结构面处均有水平位移产生 ；根据图 8 可知， 存在多结构面 的顺层岩质边坡，岩体的水平拉应力主要集中在结构面以上的 岩体之中，且各结构面附近均存在不同程度的拉应力集中现象。 由此可以得出，露天矿顺层岩质边坡在多结构面劣化因素影响 下，边坡的稳定性显著降低，边坡的破坏主要以滑动破坏为主， 且岩体沿各结构面均会产生不同程度的滑动破坏。
4 结论
本文通过对露天矿顺层岩质边坡的结构面劣化因素进行分 析可知， 当露天矿顺层边坡为单结构面时， 结构面上下均为均质 岩体不存在切角岩层，因此边坡的最大剪应变位置出现在软弱 结构面处且边坡的安全系数呈现先降低后增高的趋势 ；经分析， 边坡稳定性提高的原因是， 结构面以上岩体重量急剧降低， 岩体 重力在水平方向的分力明显下降，且边坡底部对结构面上部岩 体的支撑力有所增加所致。当露天矿顺层边坡为多结构面时， 边 坡出现大量的切角岩层，且边坡的拉应力和位移主要出现在边 坡结构面及结构面上部岩体内，边坡的稳定性急剧降低同时边 坡的安全系数呈不断下降的趋势。此次研究不仅提供了露天矿 顺层边坡的破坏模式，也为顺层边坡的稳定性优化及边坡的支 护提供了科学依据。
参考文献
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