第3期 蔡美峰等：大顶铁矿露天采场边坡稳定性分析与优化设计 ·243· 表2边坡岩石物理力学性质参数 Table 2 Physical and mechanical parameters of the slope rock mass pl V./ 0/ g.1 El Eal cl 中1 岩石类型 (g'cm-3) (ms1) (ms1) MPa MPa GPa GPa MPa () 东、北帮粉砂岩 2.55 4620.13 2667.72 9.36 42.34 38.77 55.46 0.258 13.19 33.9 北帮花岗岩 2.54 5020.16 2944.99 10.03 133.64 42.16 64.67 0.210 25.23 48.2 北帮斑状花岗岩 2.59 5026.92 3050.14 9.43 166.73 74.33 66.49 0.292 23.41 55.7 北帮矽卡岩 3.16 6210.88 3681.59 11.76 133.82 72.68 122.47 0.241 31.24 39.6 东北帮风化粉砂岩 2.00 3233.19 2.85 14.89 5.88 20.90 0.182 6.03 24.2 东帮细粉砂岩 2.83 6253.13 3565.58 17.13 107.58 20.51 111.57 0.214 24~28 36.0 东帮泥质页岩 2.28 2482.68 1378.05 3.89 19.32 4.31 15.02 0.155 6-8 28.5 于大顶铁矿开采范围较大，采场上部尺寸为 表3边坡各剖面初选设计方案 1300m×1000m(长×宽)，底部为1300m× Table 3 Primary design plans of the slope 1000m,最大边坡高度288m.整个采场在环线方向 边坡角/() 分界线 剖面 方案 的变形很小，可以忽略不计，因此选择若干剖面进行 上部 下部 标高/m 力学分析.根据采场地质条件和开采形成的边坡形 Al 46 子 600 A-A 态，共选择四个计算剖面，分别位于东北帮(A-A' A2 46 50 600 剖面)、东帮(B-B剖面，C-C剖面)、东南帮(D- BI 46 46 上下不变边坡角 D剖面)，参见图4. B2 46 48 600 A-A剖面、C-C剖面和D-D剖面模型宽度 B-B 名 46 50 600 均为500m,高度从水平400m起，一直模拟到地表： B4 46 46 合并下部一个台阶 B-B剖面模型宽度为750m,高度从水平363m起， B5 46 46 合并下部两个台阶 一直模拟到地表.模型两侧限制水平方向移动，模 CI 48 600 C-C- 型底面限制垂直方向移动.根据模型尺寸的不同， C2 46 50 600 四个剖面模型分别划分为10000~17500个单元， DI 46 48 600 D-D 单元网格尺寸平均为4m×4m. D2 50 600 3.1.2模拟计算方案 A-A剖面在边坡开挖过程中浅层部位出现拉 根据现场工程地质调查、水文地质调查和岩体 应力区，当整个边坡开挖完后，坡面拉应力区范围由 物理力学性质试验的结果，对大顶铁矿不同位置边 上至下逐渐减小.边坡的破坏区出现在两处：一是 坡，分别采用不同的边坡角设计参数进行模拟计算. 在边坡中上部岩体风化软弱夹层部位，破坏性质浅 同时，边坡深部勘探钻孔资料显示，边坡上部岩体结 部为拉破坏，深部为剪切破坏；二是边坡底部浅层岩 构疏松、强度较低，而边坡深部岩体较坚硬，并且上、 体，为局部拉破坏和剪切破坏.下部边坡角由48°提 下部分界线较明显.为了合理并充分发挥和利用岩 高到50°后，在边坡下部1~3台阶浅层岩体出现局 体的强度，保证边坡的稳定性，提出了折线式上下变 部拉破坏和剪切破坏，并且由于边坡下部岩体的破 边坡角的设计方案.根据工程地质条件确定的各剖 坏，导致该部位岩体内的渗流量明显增大.但是，整 面初选设计方案见表3. 个边坡岩体未出现整体剪切滑移带. 3.1.3模拟计算结果分析 B-B剖面采用上下统一边坡角为46°的方案， 根据模拟计算结果，通过考察各计算方案边坡 边坡稳定性良好；在边坡下部合并一个台阶时，在边 固一流耦合力学特征，包括拉应力，剪应力，拉裂破 坡下部1~4台阶处最大拉应力和坡角最大有效剪 坏区、剪切破坏区和压剪破坏区的性质、大小、范围 应力值区范围扩大，应力集中程度增加，边坡下部的 和分布状态，边坡岩体内的渗流矢量场和渗流迹线， 拉破坏区范围增加，导致边坡中下部出现不稳定征 边坡关键部位的位移、位移速度及其发展趋势，边坡 兆，不稳定的位置主要在边坡中下部岩体和中部风 局部或整体失稳的可能性，对不同计算方案边坡的 化软弱夹层.合并二个台阶比合并一个台阶的失稳 稳定性状况进行分析和比较 征兆更明显.B-B剖面按B2方案，即上部边坡角第 3 期 蔡美峰等: 大顶铁矿露天采场边坡稳定性分析与优化设计 表 2 边坡岩石物理力学性质参数 Table 2 Physical and mechanical parameters of the slope rock mass 岩石类型 ρ / ( g·cm － 3 ) Vp / ( m·s － 1 ) Vs / ( m·s － 1 ) σt / MPa σc / MPa E/ GPa Ed / GPa ν c/ MPa Φ / ( °) 东、北帮粉砂岩 2. 55 4 620. 13 2 667. 72 9. 36 42. 34 38. 77 55. 46 0. 258 13. 19 33. 9 北帮花岗岩 2. 54 5 020. 16 2 944. 99 10. 03 133. 64 42. 16 64. 67 0. 210 25. 23 48. 2 北帮斑状花岗岩 2. 59 5 026. 92 3 050. 14 9. 43 166. 73 74. 33 66. 49 0. 292 23. 41 55. 7 北帮矽卡岩 3. 16 6 210. 88 3 681. 59 11. 76 133. 82 72. 68 122. 47 0. 241 31. 24 39. 6 东北帮风化粉砂岩 2. 00 3 233. 19 — 2. 85 14. 89 5. 88 20. 90 0. 182 6. 03 24. 2 东帮细粉砂岩 2. 83 6 253. 13 3 565. 58 17. 13 107. 58 20. 51 111. 57 0. 214 24 ～ 28 36. 0 东帮泥质页岩 2. 28 2 482. 68 1 378. 05 3. 89 19. 32 4. 31 15. 02 0. 155 6 ～ 8 28. 5 于大顶铁矿开采范围较大，采 场 上 部 尺 寸 为 1 300 m × 1 000 m ( 长 × 宽) ，底 部 为 1 300 m × 1 000 m，最大边坡高度 288 m． 整个采场在环线方向 的变形很小，可以忽略不计，因此选择若干剖面进行 力学分析． 根据采场地质条件和开采形成的边坡形 态，共选择四个计算剖面，分别位于东北帮( A － A' 剖面) 、东帮( B － B'剖面，C － C'剖面) 、东南帮( D － D'剖面) ，参见图 4． A － A'剖面、C － C'剖面和 D － D'剖面模型宽度 均为 500 m，高度从水平 400 m 起，一直模拟到地表; B － B'剖面模型宽度为 750 m，高度从水平 363 m 起， 一直模拟到地表． 模型两侧限制水平方向移动，模 型底面限制垂直方向移动． 根据模型尺寸的不同， 四个剖面模型分别划分为 10 000 ～ 17 500 个单元， 单元网格尺寸平均为 4 m × 4 m． 3. 1. 2 模拟计算方案 根据现场工程地质调查、水文地质调查和岩体 物理力学性质试验的结果，对大顶铁矿不同位置边 坡，分别采用不同的边坡角设计参数进行模拟计算． 同时，边坡深部勘探钻孔资料显示，边坡上部岩体结 构疏松、强度较低，而边坡深部岩体较坚硬，并且上、 下部分界线较明显． 为了合理并充分发挥和利用岩 体的强度，保证边坡的稳定性，提出了折线式上下变 边坡角的设计方案． 根据工程地质条件确定的各剖 面初选设计方案见表 3． 3. 1. 3 模拟计算结果分析 根据模拟计算结果，通过考察各计算方案边坡 固--流耦合力学特征，包括拉应力，剪应力，拉裂破 坏区、剪切破坏区和压剪破坏区的性质、大小、范围 和分布状态，边坡岩体内的渗流矢量场和渗流迹线， 边坡关键部位的位移、位移速度及其发展趋势，边坡 局部或整体失稳的可能性，对不同计算方案边坡的 稳定性状况进行分析和比较． 表 3 边坡各剖面初选设计方案 Table 3 Primary design plans of the slope 剖面 方案 边坡角/( °) 上部 下部 分界线 标高/m A － A' A1 46 48 600 A2 46 50 600 B1 46 46 上下不变边坡角 B2 46 48 600 B － B' B3 46 50 600 B4 46 46 合并下部一个台阶 B5 46 46 合并下部两个台阶 C － C' C1 46 48 600 C2 46 50 600 D － D' D1 46 48 600 D2 46 50 600 A － A'剖面在边坡开挖过程中浅层部位出现拉 应力区，当整个边坡开挖完后，坡面拉应力区范围由 上至下逐渐减小． 边坡的破坏区出现在两处: 一是 在边坡中上部岩体风化软弱夹层部位，破坏性质浅 部为拉破坏，深部为剪切破坏; 二是边坡底部浅层岩 体，为局部拉破坏和剪切破坏． 下部边坡角由 48°提 高到 50°后，在边坡下部 1 ～ 3 台阶浅层岩体出现局 部拉破坏和剪切破坏，并且由于边坡下部岩体的破 坏，导致该部位岩体内的渗流量明显增大． 但是，整 个边坡岩体未出现整体剪切滑移带． B － B'剖面采用上下统一边坡角为 46°的方案， 边坡稳定性良好; 在边坡下部合并一个台阶时，在边 坡下部 1 ～ 4 台阶处最大拉应力和坡角最大有效剪 应力值区范围扩大，应力集中程度增加，边坡下部的 拉破坏区范围增加，导致边坡中下部出现不稳定征 兆，不稳定的位置主要在边坡中下部岩体和中部风 化软弱夹层． 合并二个台阶比合并一个台阶的失稳 征兆更明显． B － B'剖面按 B2 方案，即上部边坡角 ·243·