Vol.26 No.5 蔡美峰等：深凹露天矿高陡边坡稳定性分析与设计优化 ·469 从工程地质条件、水文地质条件、岩性、岩体 设计方案也相当一致， 结构、岩体物理力学特性分析，水厂铁矿的边坡 采用三维有限差分数值模拟计算程序 岩体，总的来说，下部比上部好，因此，在边坡设 FLAC3D对岩质较差的I区边坡进行了优化后的 计中，根据上、下部的不同岩性，采取变边坡角的 稳定性评价，最终提出了可供现场实施的高陡边 设计方案，基本上是上部边坡角稍缓，上、下部的 坡深部开采优化设计方案.I,Ⅱ两个区是水厂铁 分界线与上、下部的岩性分界线一致. 矿边坡稳定性分析中最为关键的两个区，因为这 由于水厂铁矿边坡的范围很大，在进行数值 是水厂铁矿边坡垂直高度最大、岩体结构最为复 模拟和极限破坏分析计算时，如对整个边坡作三 杂、稳定性最差的两个区，为了检验上述边坡稳 维计算和分析，工作量将特别大，对结果的分析 定性分析和优化设计的结果，也是对提高边坡 也很繁杂，不能一目了然.故对整个边坡的大范 角，减少剥离成本最具潜力的两个区，采用三维 围的稳定性分析和优化设计采用二维的有限差 固一流耦合有限差分法(FLAC3D)和基于GIS的 分(FLAC2D)、离散元(UDEC)和极限平衡分析 三维极限平衡分析方法(3 DSlopeGIS)对L,Ⅱ两个 (SLOPE2000)程序.其中，极限平衡分析中同时 区进行了整体边坡稳定性分析和设计优化计算， 采用简化Bishop法、精确Janbu法和Sarma法. 三维计算和分析的结果证实，三种二维模拟和分 根据首钢水厂铁矿边坡工程地质分区和不 析方法推荐的典型剖面的最佳设计方案是合理 同部位边坡的稳定性状况及重要性程度，选择11 的和可靠的. 个具有代表性的剖面进行计算和分析，其中，I区 3.2矿岩物理力学参数 3个剂面，Ⅱ区3个剖面，I区1个剖面，IV区3个 为进行边坡稳定性分析和设计优化计算，包 剖面，V区1个剖面（见图1）.每个剖面分别选择 括数值模拟计算和极限平衡分析，对水厂铁矿的 611个方案，共计83个优化计算方案.每一对剖 矿岩物理力学特性进行了系统试验，试验的岩块 面的不同优化计算方案进行了综合对比分析，包 总数达到627个，在实验室试验结果的基础上， 括应力场、破坏场、位移场、渗流场、边坡典型位 根据实际的工程地质条件和岩体结构状况，采用 置处的水平位移以及水平位移速度、安全系数的 合理的换算方法，获得了岩体的物理力学参数， 对比分析，筛选出了5个地质分区中11个典型地 如表4所示.水厂铁矿边坡断层的法向刚度K为 质剖面的最佳边坡设计方案.有限差分法、离散 1500-300MPa,剪切刚度K,为800-1000MPa,粘聚 元法和极限平衡分析法计算的方案完全相同，各 力c为0.28-0.40MPa,内摩擦角p为28-32°，抗拉强 方法通过计算分析后得出的各剖面的最佳边坡 度G为0.0001MPa, 表4水厂铁矿边坡岩体力学参数 Table 4 Mechanical parameters of slope rock masses in Shuichang open-pit mine 代号 名称 p/kg·cm)E/GPa c/MPa p/() r/MPa n/% 2630 2.30 0.21 1.05-1.19 32-36 0.77-0.87 20 2630 3.07 0.21 1.19-3.08 36-40 0.77-0.87 20 ArS2-3 黑云母斜长片麻岩 2630 4.60 0.21 3.834.43 36-40 0.77-0.87 20 2630 5.75 0.21 5.10-6.30 36-40 0.770.87 20 Fe 磁铁矿 2850 12.50 0.23 1.804.17 32-38 0.81-1.06 5 Ma 片麻岩 2609 3.81 0.25 0.74-5.20 40-44 0.60-0.90 公 Mr 混合花岗岩 2604 3.567.13 0.24 1.17-5.60 4549 1.10-1.21 5 Z1C长石石英砂岩、角砾岩 2700 9.63 0.26 0.62 37 1.68 10 E2X 火山岩溶岩、角砾岩 2477 2.69-4.30 0.23 0.49-0.62 18-22 0.48-0.60 25 Q 第四系人工堆积物 2000 0.02 0.30 0.13 18 0.01 30 Mp 混合片麻岩 2629 3.28-5.24 0.27 2.33-5.40 3640 0.48-0.60 15 N 基性岩脉 2598 4.00 0.16 0.56 32 0.65 15 注：ArS2-分为4层：(1)100m以上为强风化：(2)-100-100m为中风化：(3)-300-100m为弱风化：(4)-500--300m 为微风化 33边坡优化设计推荐方案 设计方案见表5.表中，“原方案”即原设计院的设 通过多种方法进行系统的边坡稳定性分析 计方案，不分上、下部，每个剖面只有一个边坡 和设计优化计算，最终推荐的水厂铁矿边坡优化 角：现推荐方案中多数剖面分为上、下两个部分，V b l . 2 6 N O 一 5 蔡 美峰 等 : 深 凹 露天 矿高 陡边 坡稳 定 性分 析 与设计 优 化 从 工程 地 质条 件 、 水 文 地质 条件 、 岩 性 、 岩体 设 计 方案 也 相 当一 致 . 结构 、 岩体 物 理 力学 特 性分 析 , 水 厂铁 矿 的边坡 采 用 三 维 有 限 差 分 数 值 模 拟 计 算 程 序 岩 体 , 总 的来 说 , 下 部 比 上 部好 . 因此 , 在 边坡 设 F L A C 3 D 对 岩 质较 差 的 I 区 边坡 进 行 了优 化后 的 计 中 , 根据 上 、 下 部 的不 同岩 性 , 采取 变 边坡 角 的 稳 定性 评价 , 最 终提 出了可 供现 场 实施 的高 陡边 设计方 案 , 基 本上 是上 部边 坡 角稍 缓 , 上 、 下 部 的 坡 深部 开 采优 化 设 计方 案 . 1 , n 两 个 区是 水厂 铁 分 界线 与 上 、 下 部 的 岩性 分 界线 一 致 . 矿 边坡稳 定性 分 析 中最 为关键 的两个 区 , 因 为这 由于水 厂铁 矿 边 坡 的范 围很 大 , 在 进 行数 值 是水 厂铁 矿边 坡 垂直 高度 最大 、 岩体 结构 最为 复 模拟和 极 限破坏 分 析计 算时 , 如对 整个 边 坡 作三 杂 、 稳 定 性最 差 的 两个 区 . 为 了检验 上述 边 坡 稳 维 计算和 分析 , 工 作 量将特 别 大 , 对 结 果 的分 析 定 性 分析 和 优 化 设 计 的 结果 , 也 是对 提 高边 坡 也 很繁 杂 , 不 能一 目 了然 . 故 对整 个 边坡 的大 范 角 , 减 少 剥离 成 本最 具 潜 力 的两个 区 , 采用 三 维 围的 稳 定性 分 析 和 优 化 设 计采 用 二维 的有 限差 固 一 流 祸合 有 限差 分 法 ( F L A C 3 D ) 和基 于 G IS 的 分 (F LA C ZD ) 、 离散 元 ( U D E )C 和 极 限 平衡 分 析 三 维 极 限平 衡 分析 方 法 (3 D S lop e GI )S 对 I , n 两个 (s L oP E 2 0 0 0) 程 序 . 其 中 , 极 限平 衡 分 析 中 同时 区进 行 了整体 边 坡稳 定性 分析 和 设计 优化 计算 . 采用 简化 iB s h叩 法 、 精 确 J an bu 法 和 S a n n a 法 . 三 维计 算 和分 析 的结 果证 实 , 三种 二维 模拟 和分 根 据 首钢 水 厂 铁 矿 边 坡 工程 地 质 分 区 和 不 析 方 法 推 荐 的 典型 剖面 的最 佳 设计 方 案 是 合理 同部 位边 坡 的稳 定性 状况 及 重要 性程 度 , 选 择 n 的和 可靠 的 . 个具 有代 表 性 的剖 面进 行 计 算和 分析 . 其 中 , I 区 .3 2 矿 岩物 理 力学参 数 3 个剖 面 , n 区 3 个 剖面 , n l 区 1 个 剖 面 , IV 区 3 个 为进 行 边 坡稳 定性 分 析和 设 计优 化 计算 , 包 剖面 , V 区 1 个 剖面 ( 见 图 l ) . 每 个 剖 面分 别 选择 括 数值 模拟 计 算和 极 限平 衡分 析 , 对 水 厂铁 矿 的 6一 n 个 方 案 , 共 计 83 个 优化 计 算方 案 . 每一 对 剖 矿 岩物 理 力学特 性 进行 了系统 试验 , 试 验 的岩块 面 的不 同优化 计算 方 案进 行 了综 合对 比分析 , 包 总 数 达 到 6 27 个 . 在 实验 室 试验 结果 的基 础上 , 括 应 力场 、 破 坏 场 、 位 移 场 、 渗 流场 、 边 坡 典 型位 根据 实 际 的工程 地 质条 件和 岩体 结构 状 况 , 采用 置 处 的水 平位 移 以及 水平 位移速度 、 安 全系 数 的 合 理 的换 算 方法 , 获 得 了岩 体 的物 理 力学 参数 , 对 比分 析 , 筛 选 出 了 5 个地 质 分 区 中 n 个 典 型地 如 表 4 所 示 . 水 厂铁 矿 边 坡 断层 的法 向刚度凡 为 质 剖 面 的最 佳边 坡 设 计方 案 . 有 限 差分 法 、 离散 巧 o 一 3 0 M p a , 剪 切 刚度戈 为 8 0 一 l 0 0 M p a , 粘 聚 元 法和 极 限平 衡分 析 法计 算 的方 案完 全相 同 , 各 力。 为 .0 2 8一0 .4 0 M p a , 内摩 擦 角势为 28 一3 20 , 抗拉 强 方 法 通 过计 算 分 析 后 得 出的 各 剖 面 的最 佳 边 坡 度沂 为 .0 0 0 1 M p a . 表 4 水厂 铁矿 边坡 岩 体 力学参 数 aT b k 4 M e c h a n ic a l P a r a m e et r s o f s lO eP or c k m a s es i n Sh u i c h a n g OP en 一 Pit m i n e 代 号 名 称 P/ (kg · e m 一 , ) E / G P a v C / M p a 沂 / M P a n /% n ù n ó 叮产7 , 乙``2 ,, Un 尹 0 … : 0 n A rS Z一 , 黑 云 母斜 长 片麻 岩 Fe 磁 铁 矿 M a 片 麻岩 M r 混合 花 岗岩 Z I C 长 石石 英砂 岩 、 角砾 岩 E ZX 火 山岩溶 岩 、 角砾 岩 Q 第 四系人 工堆 积物 M p 混合 片麻 岩 N 基 性岩 脉 2 63 0 2 63 0 2 63 0 2 63 0 2 8 5 0 2 60 9 2 60 4 2 70 0 2 4 7 7 2 00 0 2 62 9 2 5 9 8 2 . 3 0 3 . 0 7 4 . 6 0 5 . 7 5 1 2 . 5 0 3 . 8 1 3 . 5 6 ~ 7 . 1 3 9 . 6 3 2 . 6 9 一4 . 3 0 0 . 02 3 . 2 8 ~ 5 . 2 4 4 . 0 0 0 . 2 1 0 . 2 1 0 . 2 1 0 . 2 1 0 . 2 3 0 . 2 5 0 . 2 4 0 . 2 6 0 . 2 3 0 . 3 0 0 . 2 7 0 . 16 1 . 0 5 ~ 1 . 19 1 . 1 9 ~ 3 . 0 8 3 . 8 3 ~ 4 . 4 3 5 . 1 0 ~ 6 . 3 0 1 . 8 0~ 4 . 1 7 0 . 7 4 ~ 5 . 2 0 1 . 1 7一 5 . 6 0 0 . 6 2 0 . 4 9 ~ 0 6 2 0 . 1 3 2 . 33 ~ 5 . 4 0 0 . 5 6 价 / ( O ) 3 2 ~ 3 6 3 6 ~ 4 0 36 ~ 4 0 3 6 ~ 4 0 3 2 ~ 3 8 4 0一 4 4 4 5 ~ 4 9 3 7 1 8一 2 2 1 8 3 6 ~ 4 0 7 7 ~ 0 7 7 ~ 0 0 . 7 7 ~ 0 0 . 7 7 ~ 0 8 7 0 . 8 1 ~ 1 . 0 6 0 . 6 0 ~ 0 . 90 1 . 10 ~ 1 . 2 1 1 . 6 8 0 . 4 8 ~ 0 . 60 0 . 0 1 0 . 4 8 ~ 0 . 60 0 . 6 5 5 l 5 l 5 l 0 2 5 3 0 l 5 l 5 注 : A r S ,一 ,分 为 4 层 : ( l ) 1 o o m 以上 为强风 化 : ( 2 )一 10 0一 10 0 m 为 中风 化 : ( 3 )一 3 0 0一 l o o m 为 弱风 化 : ( 4 )一 5 0 0一 3 0 0 m 为微 风 化 .3 3 边坡 优化 设计 推 荐方 案 设计 方案 见 表 5 . 表 中 , “ 原方 案 ” 即 原设计 院 的设 通 过 多 种 方 法 进 行 系 统 的边 坡 稳 定 性 分 析 计方 案 , 不 分 上 、 下 部 , 每个 剖 面只 有 一个 边坡 和 设计 优 化计 算 , 最 终 推荐 的水 厂 铁矿 边 坡优 化 角 ; 现推 荐 方案 中多数剖 面 分 为上 、 下 两个 部分