Vol. 30 No. 1Maa 2021
30 1
2021
3
计算机辅助工程Computer Aided Engineefng
文章编号：1006 - 0871(2021)01-0059-06
DOI : 10. 13340/j. cac. 2021.01.011
基于FLAC3D 的露天矿边坡破坏成因研究与预测
赵东阳，祝介旺，袁博
(山东建筑大学土木工程学院，济南250000)
摘要：针对某矿区发生多起大规模滑坡、崩塌等地质灾害，对露天矿的安全和正在进行的残矿回采
工作造成威胁的问题，以矿区内某矿山为研究对象，利用FLAC3D 软件建立露天矿坑边坡数值分析
模型，采用传统地质分析方法结合数值模拟对边坡破坏成因进行分析。结果显示，凝灰岩中发育的
顺坡向节理是边坡发生滑塌的关键因素。强度折减法计算结果可知，边坡内部沿节理面形成贯通 滑带，是最危险的潜在破坏面；随着时间的推移，深层节理面强度弱化，边坡可能再次发生滑塌。
关键词：露天矿；边坡；地质灾害；滑坡；数值模拟；强度折减法
中图分类号：TD824.7；TP391.99
文献标志码：B
Analysis and prediction of open pit slope failure
bad on FLCA3D
ZHAO Dongyang # ZHU Jiewang , YUAN Bo
(School of Civil Engineering , Shandong Jianzhu University , Jinan 250000, China )
Abstraci : As to tie problem tiat there are many geological disasters such as the lgye scale land/ine and
collap in a mining area, and the safety of open pit and the residual depesil mining are tireatened , taking a mine of the mining area as the rearch object , tie numefcai analysis model of the open pi-
slope is built by FLAC3D soVware , and tie traditional geological analysis method is combined with the numefcai simulation to angyze tie cau of slope failure. The results show that the -oints along the slope
direction developed in tuff are the key factor for slope landslide and collap. According to the calculation results of tie strength reduction method , a penetrating s/ding 磨one is formed along the joint suVaco of the
slope internal , which is tie most dangerous potential failure suVaco. Over time , the strengti of tie deep joint suVaco is weaken , and then tie slope may collap once again.
Key words : open pit ； slope ; geoloyical disaster; landslide ; numefcai simulation ； strength reduction method
收稿日期：2020-10-15 修回日期：2020-11-05
基金项目：国家重点研发计划项目(2019YFC1509703 )；科技部国家科技基础资源调查专项第二次青藏高原综合科学考察研究项目
(2019QZKK0904)
作者简介：赵东阳(1996—)，男，山东济南人，硕士研究生，研究方向为岩土工程，(E-mail ) 178****5906' 163. com
通信作者：祝介旺(1965—)，男，山东潍坊人，高级工程师，博士，研究方向为水文地质和工程地质，(E-mail) zhujiewang' 163. com
60计算机辅助工程2021
0引言
20世纪50年代至今，全露天矿开采总量为160亿h露采约占80%。⑴着露天矿开采向深部发展，矿山边坡的高力口，但环境和限制，矿
限扩大。为采更矿床，矿边坡的计坡大，导致闭边坡安全隐患。全统计，在我国大型露天矿山中，不稳定边坡滑坡边坡约占边坡总I 15%〜20%。&门边坡失稳已成为露天矿山中发
率最高、对安全生产大一。&2'废弃矿山的治理和利，其键在于造好、利好废弃矿山，安全、环保、。杜时贵等&3'大露天矿山边坡岩体稳定方法%杜时贵&4'大露天矿山边坡等精价方法%郑敏等&5'将废弃露天矿利为资源、旅游开发、垃圾处理和坑塘养殖等方向；高文文&6'于推和推理则的废弃露天矿坑再利用方式选择方法；还众国者对矿坑边坡稳定性、闭矿规划政策等要素进行研究&7力'）着研究的深入，废弃矿：一种新型资源念逐渐形成。这种新型资源利节约资源和保护环境都重要意义。但，矿再利 保证安全，必须对废弃矿山进行预测并治理。
矿区曾是我国最大的铜-多金属矿区，是我国重要色金属生产。矿区含5个大
露天矿山和若干矿点，总面积达25km2。该矿区是西北地区典露天矿山，发，研究
典型矿坑边坡矿区的治重要意义。以矿区国家矿山公园为研究对象，搜相，质，利传统方法和有限元数值方
南帮边坡进行研究。研究表明，边坡破坏主要形陡峭、发和人为扰动素，高变区层贯通、表层岩节相
明显是边坡破坏。利FLAC3D
强度折选取的边坡进行计算，显示该处边坡安全系数为1.19o着岩体强，边坡内部出现一条滑带，未来有可能再次发生滑坡。
1工程概况
1.1矿坑边坡地形地貌
露天矿坑呈东西向分布，尺寸为1030m x580mx274m，高1873m，高1660m，总体坡角35。〜50。。&10'矿坑东、西边坡分别
选硫和内排土场。矿南、北帮边坡主要布置线，标高1780m以下区域采方式布线，标高1780m以上区独立运统。
文以南帮边坡为研究对象，边坡凸形断面，地形陡峭，标高1816m以上区总体坡角为40。，标高1816m以下区域的总体坡角为50。。南帮边坡采台阶并段的方式构成，台阶高度和坡度较大。并段而5级主台阶，高为48〜60m，平台为10〜15m，坡【为55。〜69。。南帮边坡双、双岔运输线，东、西两侧各有1个出口，平面示意见图1o
图1某露天矿坑平面示意
1.2地层岩性
该矿区出露层而为奥陶统酸山岩组、千枚岩磨山岩组。岩种类主要英角斑凝灰岩、千枚岩、石英斑岩、硅岩、细碧b岩等。南帮边坡剖面&显示，矿部有约30m厚的第四纪堆积物，标高1880〜1900m 区域主要出露层为辉绿岩和灰岩，标高1840〜1880m区域为千枚岩，标高1750〜1840m 区域为石英角斑凝灰岩，2。辉绿岩岩体较为，坚，好；部灰岩和千枚岩为较差的变质岩，坡露的岩体破碎且节理发育，主要载体。
1
赵东阳，等：基于FLAC3D 的露天矿边坡破坏成因研究与预测61
1.3地质构造
该矿区 造复杂，属于北祁连山加里东褶
皱带东部区，在折腰山一火焰山 褶皱的南端
（
3）。
褶皱主要由2
较大 和
向 成&z 2'
，焰山矿坑南帮边坡为向 折，向为
向斜！ ①））主矿 于倒转背
折端（
②），F 断层（
③）是矿区
大断层，但距离矿坑较远，对矿 边坡 甚微。南
帮边坡
发育，岩
较差。西南
炭
猛质千枚岩
向 ，轴 劈理发育，总
产 于200。.50。。边坡 部 英角斑凝
灰岩
发育，间距约1〜3 mm ，产 为355。.85。，
并发 1
向节理，产状为350。.45。。羊
切割作 ，坡 岩体破碎，容易发生崩
图3折腰山一火焰山地区地质构造剖面示意
2破坏现状与成因分析
2.1破坏现状
自该露天矿闭坑以来，由于长期缺乏维护，加上
各种 ，矿边坡多处发生崩塌和滑坡
）矿南帮边坡破坏最为 ， 4。
图4南帮边坡破坏情况
在南帮边坡西南侧剖面W 到剖面） ，标高
1 840〜1 880 m 的千枚岩多处发生崩塌。在边坡中
部剖面川到剖面）
，标高1 686〜1 840 m 处的
灰岩2处发生大 滑坡，是矿 边坡最主要的
）2处滑坡主要发 剖面W 标高
1 804 m 运输公路和剖面V 标高1 816 m 的主体
台阶上， 和 相同。剖&滑坡为顺层滑 破坏， 高 1 804 m 运 滑
坡，滑体后缘拉裂，滑体体积约13 000 m 3。剖面V
滑坡规模最大，滑坡范围为标高1 744〜1 840 m ，多
级台阶整体垮塌，滑体体积约30 000 m 3 o
边坡 安全隐患， 发展过
程中，随着边坡岩
，有可能出现新的地质
o
2.2破坏成因分析
矿 南帮 边坡发 破坏主要 以 o
2.2.1
地形因素
矿坑南帮边坡高度达270 m ，由于运输路线的
交岔和 ，交汇处台阶的宽度、坡度和高度明显增
加，其中台阶最高80 m （坡角最大70。，为滑坡与崩 塌 供
。
2.2.2 构造因素
边坡西南侧的炭质猛质千枚岩中劈理发育，随
着劈 张开，边坡最终倾倒并向 造成崩
塌。边坡
部凝灰岩 和顺向节理发育，节
面和
倾且与台阶坡走向
一致，台阶坡
角大于节//
倾角，节// 台阶坡 赤平投影示意见图5。矿区内发育有1条斜切采矿场
西南和东北部边坡的大断层和 压扭 层，将
坡体切割成不连
，边坡在节//
切割
作 易发
层滑坡。
图5节/片理面与台阶坡面的赤平投影示意
2.2.3 人为因素
在使用传统爆破法开采矿山时，受爆炸振动的
影响，岩体产 动圈，导致岩石裂隙发育。边坡上
部20〜30 m 的废石堆积物、矿坑东部1 845 m 平台
选硫厂房和2处硫精矿自然干燥库，以及装载
矿 车
加边坡
。
综上所述，矿南帮边坡地形陡峭、构造复杂、
易受人为干扰。局部边坡 坡体高、坡大、节理
和 、表层岩体破碎
，工程
性
质较差是边坡失稳的重要
。
62计算机辅助工程2021 年
3 数值模拟分析与稳定性预测
3.1数值模型3.1.1
建立模型
边坡 大、 杂，
难度极高，本文
选用多款
协
)首先，由Locaspaco Viewer
取等高线，利 Rhino3D
三维建模功
初步山 ；然后，将山
导入Ansys
进行 划分和 ； ，将Ansys 模型导入FLAC3D & 13力4' 计算 。原边坡计算
6)
层 依次为辉绿岩、千枚
岩和石英角斑凝灰岩。采现场 ，模
边坡倾向
为600叫最高垂直高度为270 m ，涵
盖主要滑坡区域。
3.1.2构建接触面
矿区内发育的断层和节 边坡破坏具有较大
影响。该边坡滑坡区域主要发 1
向节理，
节理两侧分别有1条贯穿西南边坡的大断层和1条
压扭性小断层( 6)，均采 厚 单元对
进行模拟。
图6原边坡计算模型
3.1.3模型计算和参数选择
坡
数均参照现场勘察报告和露天矿
初步设计报告&15'选取。岩土和弱层 I 理力学参
数见表1)
表1岩土和弱层体物理力学参数
参数名称密度"（g/cm 3 ）
弹性模量：/( 104 MPa )泊松比2黏聚力c/MPa 内摩擦角0( °)
辉绿岩
2.71 1.200.32 4.1048.0石英角斑凝灰岩
2.65
0.290.19
2.25
19.4
千枚岩
2.72 1.10
0.33 3.6031.8浅层节理0.0518.0
深层节理0.13
27.0断层破碎带
0.12
25.5
3.2模拟结果与破坏原因分析、以K 方向 ，左、右以s 方向
，
部以s 、K 、l 方向
，从而构成边) 入各类岩土和弱层
数，施加重
进行计算， 边坡应力和
变 征
边坡破坏 。
3. 2. 1 应力分布
边坡应力分布云图见图7。边坡主应力由表面
至内部逐渐增大，表 现2处 ， 大值为
2. 1 x 105 N/m 2，坡体变形 。受岩 重 ，
剪 坡内部至坡表面逐渐增大。由于
层约束作用较弱，节 剪 向 大。
2.125 7E+005
-2.500 0E+005-5.000 0E+005-7.500 0E+005-1.000 0E+006-1.250 0E+006-1.500 0E+006-1.750 0E+006-2.000 0E+006-2.250 0E+006-2.312 5E+006
2.983 3E+0052.000 0E+005
-2.000 0E+005-4.000 0E+005-6.000 0E+005-8.000 0E+005-1.000 0E+006-1.200 0E+006-1.400 0E+006-1.600 0E+006-1.770 3E+006
7.965 4E+0057.000 0E+0056.000 0E+0055.000 0E+0054.000 0E+0053.000 0E+0052.000 0E+0051.000 0E+005
(a )主应力(b )最大主应力切片
(C )接触面剪应力
图7边坡应力分布云图，N/m 2
3.2.2 应变分布
岩区域应变更加明显。最大主应变和剪应变均集中
边坡应变分布云图见图8。由于岩层力学性质 在边坡中部的台阶处且与弱层贯通，成为最危险的各异，应变分布受到岩性分布的影响，千枚岩和凝灰
潜在破坏面
1赵东阳，等：基于FLAC3D的露天矿边坡破坏成因研究与预测63
3.2137E-004 3.0000E-004 2.7500E-004 2.5000E-004 2.2500E-004 2.0000E-004 1.7500E-004 1.5000E-004 1.2500E-004 1.0000E-004 7.5000E-005 5.0000E-005 2.5000E-005 5.7112E-007
■4.8595E-004
■4.7500E-004
■4.5000E-004
(4.2500E-004
4.0000E-004
3.7500E-004
3.5000E-004
3.2500E-004
3.0000E-004
2.7500E-004
2.5000E-004
2.2500E-004
2.0000E-004
1.7500E-004
1.5000E-004
1.2500E-004
1.0000E-004
7.5000E-005
5.0000E-005
2.5000E-005
1.8918E-005 (a"最大主应变切片
图8
3.2.3位移分布
边坡位移分布云图见图9。边坡位移从坡体内部到坡表面逐渐增大。节以岩
大，且靠近断层显著增加，滑坡位一致，证明拟可靠&16'。9(b)和(C)可知，较差灰岩和千枚岩区域沉降较大，浅层节部岩坡体相明显，竖向(b"最大剪应变切片
边坡应变分布云图
和水平最大位移分别为62.0和2.8mm，主要表现
为沿节向下滑移，证明坡现于
坡体变形造成的。图9(d)反映切岩
坡相，剪
一致，即部至表面、逐渐
增大，也坡体主吻合。
7.2494E-002
7.0000E-002
6.5000E-002 6.0000E-002 5.5000E-002 5.0000E-002 4.5000E-002 4.0000E-002 3.5000E-002 3.0000E-002 2.5000E-002 2.0000E-002只1.5000E-002 1.0000E-002 5.0000E-003
1-5.0000E-003
■-1.0000E-002
-1.5000E-002
-2.0000E-002
-2.5000E-002
-3.0000E-002
-3.5000E-002
■-4.0000E-002
-4.5000E-002
-5.0000E-002
-5.5000E-002
-6.0000E-002
-6.1857E-002
(a)主位移(b)竖向位移切片
■2.8490E-003■2.7500E-003
12.5000E-003 >2.2500E-003 2.0000E-003 1.7500E-003 1.5000E-003 1.2500E-003 1.0000E-003 7.5000E-004 5.0000E-004■2.5000E-004
-2.5000E-004 -5.0000E-004 -6.7610E-004■1.1641E-002■1.1000E-002■1.0000E-002 9.0000E-003 8.0000E-003■7.0000E-003 16.0000E-003 15.0000E-003■4.0000E-003 .3.0000E-003■2.0000E-003■1.0000E-003
(X水平位移切片(d)接触面相对位移
图9边坡位移分布云图，m
3.2.4破坏成因分析
数值模拟计算可知，由于边坡陡峭和切割作用，边坡坡现，高变区域与层体贯通，节以上岩体相明显。，坡向节和层切边坡岩造成滑坡主要，而较差、节发育和陡峭
形特征导致边坡发生大滑坡。边坡局部破坏始的，边坡重要作用。3.3危险截面分析与稳定性预测
1976年6月8日，南帮边坡剖面&到剖面)之间发生大规模滑坡，滑体体积约96000m3。闭坑后人为扰动，经数十年作，帮边坡再次向节理发生滑坡。，岩体和弱层体强导致滑坡的重要。由7(X和9(d)可知：2节现剪 ，且深层节剪应力更大；深层节较好且力更好，相对剪切位移小于浅层节理。随
