随着我国露天矿生产规模的不断扩大，边坡稳定性成为人们越来越关心的问题。边坡稳定性影响着矿山的生产效益，直接关系到矿山生产安全。因此，开展露天矿边坡稳定性研究与评价，对矿山生产具有十分重要的意义。研究边坡稳定性，确定最终边坡角，国内外过去常用Bishop法、Janhu法、Sarma法等极限平衡分析方法[1]。采用弹塑性有限元法，不用事先假定滑动面，但除ABAQUS外一般有限元程序不能直接计算边坡稳定性的安全系数，必须借助极限平衡法[2]。FLAC3D能较好地模拟材料在达到强度极限时发生的破坏或塑性流动，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟岩体大变形，还能直接计算边坡的稳定性系数[4-6]。本文借助FLAC3D数值分析软件，主要对某矿山采场中部含第四系边坡进行分析，模拟出基岩接触面与第四系的形态，从微观上分析双路堑边坡及南北帮边坡的破坏机理[7-10]。

1 工程概述

某矿区长9.8 km，宽1.9 km，面积为17.45 km2，呈近东西狭长带状展布，在2～48勘探线范围内形成了一个大型的露天采场，地表长4 700 m，宽1 100 m左右，标高为1 536 m以下。该矿以26～28勘探线中间位置分为东、西2个露天采场。采场边坡开采阶段高度为12 m，开采至最终境界时每2个阶段并段，并段高度为24 m；坡面角为65°；采场平台宽7～9 m；采场运输平台宽30 m(单线20 m)；第四系地层阶段坡面角为45°，平台宽7.5 m。

评价区域位于东、西采场中间部分25～32线，最终边坡高度为480 m，设计总体边坡角为45°～47°。边坡岩体主要由第四系岩组(Q)、板岩(ST)和白云岩(DT)组成。白云岩主要为中厚层状-块状结构，板岩主要为层状结构。南帮白云岩及板岩质量较好，工程岩体分级为Ⅲ级，北帮板岩质量较差，工程岩体分级为Ⅳ～Ⅴ级，白云岩呈厚层状结构，属Ⅲ～Ⅳ级。同时北帮板岩与白云岩之间还发育有FB1断层。

2 数值模型的建立

某矿采场地质条件复杂，数值模拟反映不出采场地质的真实情况，需对其进行简化处理。不考虑第四系中所含的透镜体或夹层，仅通过土体力学参数控制来实现；小断层、岩体节理及裂隙等在选取参数时集中考虑，不作单独考虑；各岩层、断层产状不规则，为便于建立模型，对岩层界面进行一定简化；考虑到大断层对边坡稳定性影响较大，将断层面取软弱结构面参数，其次对其周围岩石参数进行弱化模拟断层影响带。

根据钻探资料、测量数据，采用上述简化方法，利用四面体单元建立评价区三维地质模型，见图1。模型尺寸为800 m×1 400 m×500 m，共计15 599个节点，79 974个单元。模型X正方向为沿矿体走向，Y正方向为垂直矿体走向，Z正方向为垂直向上。图2为不含第四系岩组(Q)裸露基岩面的模型，采场中部为一道南北向冲沟，沟宽约800 m，覆盖层最厚达144 m。

以标准剖面为基础建立应变模型，对其施加位移边界条件。X方向位移受左右边界约束，允许Y、Z方向位移；Y方向位移受前后边界约束，允许X和Z方向位移；对底部边界进行固定，模型顶部表面自由。

采用弹塑性本构模型，计算采用的指标为岩土体强度与变形参数，根据计算结果，并结合地质经验，具体取值见表1。原岩初始应力场按岩体自重计算。

3 数值模拟分析

模型按照开采边界自1 632 m开采，设定体系最大不平衡力与典型内力比值下限为1×10-5，小于此值认为系统达到近似平衡。为便于分析，分别在X及Y方向切出典型剖面。针对不同采深条件下各剖面分别进行位移场、应力场、速度矢量规律分析，研究边坡岩土体的力学响应特性及可能的变形及破坏机理。

3.1 位移场规律分析

采深为1 212 m时边坡整体位移见图3。可以看出，边坡位移量逐渐加大，边坡整体位移量最大值为196 mm，发生在开采至1 212 m时中间南帮土体尖端部分，北帮土体出露部分位移值也较大，最大值为170 mm。边坡位移量自上而下、自外向内逐渐减小，位移值较大部分均发生在第四系岩组中。西采场开采深度为384 m，东采场开采深度为420 m，开采终了位移量表现为西采场位移量较小，东采场较大。

随着开采深度的增加，位移逐渐向岩体内部发展。第四系岩组边坡位移量逐渐增加，开采至1 440 m 时位移量接近最大值196 mm；岩质边坡从出露开始至开采结束，位移量呈增长趋势，直至开采终了达到最大，表明第四系岩组边坡发生移动速度大于岩质边坡，岩质边坡出露后达到稳定状态所需时间更长。

边坡坡形凸向采场部位位移量大于两侧凹陷部分，表明侧向约束对边坡总位移有利。

开采完毕后X方向位移见图4，图中显示双肩坡自中间一分为二，东侧坡体向东运动，西侧坡体向西运动，呈对称状态。开采完毕后Y方向位移见图5，可知，南侧坡体向北运动，北侧坡体向南运动。开采完毕后X方向最大位移值为45 mm，Y方向最大位移值为90 mm，均不及整体边坡位移最大值的一半，说明边坡以自重应力下的压缩沉降为主。

3.2 应力场规律分析

采深为1212m时边坡总应力见图6。可以看出，应力值均为负值，表明边坡开挖卸荷并未出现明显的拉应力区，基本上以压应力为主，即边坡若发生破坏，则以压-剪破坏模式为主。竖向应力数值自上而下逐渐增大，表明边坡中自重应力为最大应力。

各部分岩组竖向应力等值线平滑，近似平行；断层上盘附近应力明显大于周围岩层，表明断层上盘在运动中于断层交汇处产生应力集中；断层竖向应力发生突变，应力值变小，表明破碎的断层在开采过程中吸收了一部分应变能。

开采完毕后X、Y方向应力见图7、图8。可知，第四系岩组(Q)部分X、Y方向应力值明显小于下方岩组，表明第四系岩组(Q)因开挖卸荷而产生的回弹效应明显。X方向应力最大值为-11 MPa，Y方向应力最大值为-12 MPa，约为竖向应力最大值的1/3。

3.3 速度矢量分析

开采终了各剖面速度矢量分布见图9。可知，北侧边坡速度矢量明显大于南侧边坡，第四系岩组(Q)速度矢量表现较为明显。1 392 m平台岩质边坡速度矢量表现为沿断层的折线向1 392 m平台坡脚圆弧型剪出逐渐转变；1 392 m平台以下坡面速度矢量指向采坑方向，与深部岩体速度矢量形成圆弧状，表明1 392 m以下深部边坡以圆弧型破坏为主。

4 结 论

(1)边坡主要的变形为岩体在自重应力下的压缩沉降，边坡整体位移量最大值为196 mm，位移量自上而下逐渐减小；水平位移坡面最大，向深部逐渐减小。

(2)边坡应力值均为负值，表明边坡开挖卸荷并未出现明显的拉应力区，基本以压应力为主，即边坡若发生破坏，则以压-剪破坏模式为主。断层上盘产生了应力集中，断层吸收了一部分应变能，导致应力等值线在断层附近发生突变。

(3)第四系岩组(Q)破坏模式为圆弧型破坏；南侧岩质边坡以顺坡向的浅层圆弧型破坏为主；北侧岩质边坡破坏模式分为2种，1 392 m平台上部台阶为折线-圆弧型破坏，1 392 m以下台阶以深层圆弧型破坏为主。

(4)双路堑破坏模式为两侧双圆弧型破坏，岩质双肩坡应力条件优于土质双肩坡；北侧边坡速度矢量明显大于南侧边坡。

(5)计算结果是以Mohr-Coulomb屈服准则为依据，该准则表示材料若受到屈服即破坏，事实上在屈服状态下并不意味着破坏，它在一定程度上仍然可以在硬化状态下继续工作，因而边坡实际的稳定性状态要比计算结果的还要好一些。

参 考 文 献

[1] 李俊平，连民杰．矿山岩石力学[M]．北京：冶金工业出版社，2011．

[2] 李俊平,范才兵,李占科,等.露天矿最终边坡角的数值模拟研究[J].安全与环境学报,2011,11(5):175-179.

[3] 范才兵,李占科,王学明.露天矿最终边坡角的简易数值模拟方法[J].金属矿山,2012(7):59-63.

[4] 寇晓东,周维垣,杨若琼.FLAC3D进行三峡船闸高边坡稳定分析[J].岩石力学与工程学报,2001(1):6-10.

[5] 李俊平,程贤根,李鹏伟,等.露天矿最终边坡角的快速拉格朗日有限差分法研究[J].安全与环境学报,2015,15(2):77-82.

[6] 廖秋林,曾钱帮,刘 彤,等.基于ANSYS平台复杂地质体FLAC～(3D)模型的自动生成[J].岩石力学与工程学报,2005(6):1010-1013.

[7] 高 谦，杨志强，吴永博.高陡矿山边坡稳定性动态分析及其上程应用研究[J]．工程地质学报，2008,16(S1):500-505.

[8] 曾 程，张泽辉，杨宏丽，等．基于边坡渐进破坏特征对传统极限平衡法几点假设的合理分析[J]．岩土力学，2012(9)：146-150．

[9] 凌道盛，涂福彬，卜令方．基于黏聚区域模型的边坡渐进破坏过程强化有限元分析[J]．岩土工程学报，2012(8)：1388-1393．

[10] 蔺宗宗，黄 震，王 前．岩石边坡稳定性分析及其防治[J]．利技创新导报，2010(16)：69．