云南某矿山高边坡稳定性模拟分析.pdf

2020年 7月上 世界有色金属 159 云南某矿山高边坡稳定性模拟分析 高 凯 （滨州市建筑设计研究院有限公司， 山东 滨州 2 5 6 6 0 0 ） 摘 要 基于云南某矿山高边坡地质勘察资料， 通过G o c a d 建立其三维地质模型， 经过A n s y s 处理， 导入F L a c 3 d 进行数 值模拟计算， 根据计算所得位移场和应力场的分布规律， 分析评价边坡的天然稳定性， 并探讨其可能的破坏情况。 关键词 边坡稳定性 ； G o c a d ； A n s y s ； F L a c 3 d 中图分类号 T D 8 5 4 . 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 2 - 5 0 6 5（2 0 2 0 ） 1 3 - 0 1 5 9 - 2 Analysis on Stability Simulation of High Slope, A Mine Project in Yun Nan GAO Kai B i n z h o u a r c h i t e c t u r a l d e s i g n a n d Re s e a r c h I n s t i t u t e C o . , L t d , B i n z h o u 2 5 6 6 0 0 , C h i n a Abstract B a s e d o n d a t a o n G e o l o g i c a l e x p l o r a t i o n o f h i g h s l o p e , a Mi n e P r o j e c t i n Y u n Na n , b u i l d i n g t h e 3 D g e o l o g i c a l mo d e l w i t h G o c a d , t h e n F L a c 3 d i s i n t r o d u c e d t o p e r f o r m t h e e l a s t i c - p l a s t i c a n a l y s i s a n d t h e s t r e n g t h r e d u c t i o n c a l c u l a t i o n a f t e r p r o c e s s i n g w i t h A n s y s . I n a c c o r d a n c e w i t h t h e d i s t r i b u t i o n l a w o f d i s p l a c e me n t f i e l d a n d s t r e s s f i e l d f r o m t h e c a l c u l a t i o n , w e c a n a n a l y s i s a n d a s s e s s t h e n a t u r a l s t a b i l i t y a n d e x p l o r e t h e p o s s i b l e d e s t r u c t i o n o f t h e s l o p e . Keywords s l o p e s t a b i l i t y ; G o c a d ; A n s y s ; F L a c 3 d 云南某矿山高边坡形态为一孤山梁，山梁顶部植被茂 盛。山坡地形陡峻，天然坡度为35～ 45，局部基岩出 露形成陡崖， 山体平缓、 低凹部位被坡、 崩积层覆盖。 自开挖以来， 目前已形成高达100m的边坡， 其开挖至 今受自然及人为因素影响已多次发生变形、开裂、垮塌现 象 ； 由于工程建设需要， 仍需继续对其开挖， 为保证开挖过 程中边坡的安全稳定， 通过数值模拟分析， 找出塑性破坏区 域， 以便更好的辅助设计工作 [1]。 本文基于该矿山地质勘察资料，利用Gocad软件三 维可视化技术，建立该边坡三维地质模型。借助Gocad 和Ansys以及Flac3d接口程序，将三维地质模型转化为 Flac3d的计算模型， 通过Flac3d对其弹塑性分析和强度折 减计算， 根据边坡位移场和应力场的分布规律， 评价边坡的 天然稳定性， 探讨其潜在破坏情况 [2]。 1 边坡模型建立 根据地层分布情况， 将该模型简化为4个地层结构进行 建模。由实测地形线及钻孔勘察资料在Gocad中建立实体 模型及各个地层面， 将该模型通过接口导入Ansys中， 经过 简单的布尔运算得到边坡在Ansys中的模型并划分网格 （图 1） 。 图1 Gocad模型及ansys模型图 2 计算分析 2.1 计算模型 通 过 Ansys 与 FLac3d 的 接 口 程 序 将 模 型 转 换 为 FLac3d可读取的计算模型。 2.2 边界条件及物理力学参数 边坡除坡面设为自由边界外，模型底部为固定约束边 界， 模型四周为单向边界。 计算参数使用前期勘察及实验建 议参数 （表1） 。 表1 边坡岩土体物理力学参数 地层结构 天然密度 （kg/m3） 变形模量 （/Pa） 抗 拉 强 度 （/Pa） 粘 聚 力 （/Pa） 磨擦 系数 泊 松 比 松散碎石带2.51031109110611050.550.36 微-板岩2.551032.5109410631050.700.28 微-结晶灰 岩 2.71036.810961067.51050.920.24 2.3 计算方法及步骤 计算时，按下述步骤进行 首先，选择弹性本构模型， 按前述约束条件，只考虑重力，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 ；然后进行 Mohr-Coulomb模型的弹塑性求解， 直至系统达到平衡。 3 模拟结果分析 将FLac3d计算结果导入Tecplot，通过其强大的后处 理功能，绘制边坡的整体及典型剖面 （Y180m） 的位移云 图及最大、 最小主应力等值线图， 对该边坡的位移场和应力 场进行分析。 收稿日期 2 0 2 0 - 0 6 作者简介 高凯， 男， 生于1 9 8 7 年， 汉族， 山东滨州人， 硕士研究生， 工 程师， 研究方向 岩土地质工程勘察 ； 地基处理 ； 基坑支护设计。 世界有色金属 2020年 7月上160 图2 Y180剖面位移矢量图及位移云图 3.1 位移场分析 从位移矢量图可知， 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” ； 与之对应， 位移分布图表现形态为 在边坡中上部呈半封闭 状， 而后在近坡面处上翘 ； 在下部则与边坡底部近乎平行。 最大位移为50mm，位于边坡中后部 [3]。这些现象表明，边 坡的潜在破坏以浅表层圆弧形剪切破坏为主。 3.2 应力场分析 从典型剖面的应力分布图可以看出， 该剖面附近的最大 主应力基本顺着坡面方向， 并一直延伸到坡脚， 但在松散碎 石层等值线不再光滑连续， 发生了间断跳跃， 说明该部位已 发生明显的应力集中，这对边坡稳定性不利。而边坡内部， 最大主应力方向与水平轴的夹角逐步变大， 直至铅直 ； 地层 分界面附近区域的最大主应力方向要比其它区域变化得大 且迅速， 但并未影响主应力分布的总趋势。 这些都表明边坡 深部岩土体主要受垂直方向的压应力作用，体现为受压屈 服。 由最小主应力图 （图3） 可知， 边坡中部出现部分拉应力 集中，如果拉应力大于该部位岩体抗拉强度将出现拉裂破 坏。 图3 Y180m剖面最大及最小主应力等值线图 [1] 李良平,胡伏生.鄂尔多斯盆地白垩系三维地质建模研究[J].西北地 质,2007,402;109-112. [2] 许国,李敦仁.Gocad地质三维建模技术及其在水电工程中的应用[J]. 红水河,2007,26;113-116. [3] 梁晓波,张为法.厄瓜多尔德尔西水电站右坝肩边坡稳定性模拟分析 [J].西北水电,1006-2610 （2014） 04-0019-04. 3.3 塑性区分析 为定量分析边坡的稳定性，采用FLac3d内置的solve fos命令计算边坡的安全系数Fs， 该命令以强度折减法为基 础， 边坡安全系数定义为 边坡刚好达到临界破坏状态时， 对岩土体抗剪强度的折减程度。 图4 边坡剪切塑性变形云图及等值线图 经计算，边坡安全系数Fs1.09，表明其在天然状态处 于基本稳定状态。 从塑性变形云图可知边坡的破坏范围主要 分布在中后部松散碎石层 ；由8剖面塑性变形等值线云图 中可知， 边坡中后部等值线较为密集， 且剖面塑性区已贯通。 由此可知， 假如该边坡发生塌方、 滑移现象， 最可能原因是 松散碎石层在饱水或震动条件下的变形区塑性破坏贯通破 坏， 模拟与实际情况相符。 4 结论 （1） 该矿山高边坡安全系数为1.09， 天然状态下基本稳 定。 （2） 边坡目前已多次发生坍塌， 在强降雨或震动条件下 极有可能再次发生坍塌或滑坡现象。 （3） 该边坡塑性变形最大的区域位于中后部松散碎石 层， 该区域塑性区已发生贯通， 也是最有可能发生坍塌、 滑 坡的区域。 （4） 边坡岩体受铅直应力作用表现为受压屈服， 潜在破 坏以松散碎石层的圆弧剪切破坏为主。 （5） 该模拟结果与现实情况相符， 应加强对塑性区范围 的支护， 并加强监测。