大型复杂露天矿边坡三维建模方法及加固对策研究

陶志刚，任树林，庞仕辉，徐浩田，何满潮

深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；

中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083

随着人类活动范围的不断扩展和资源需求量的不断增加，世界范围内滑坡灾害频发，造成了巨大的人员伤亡和经济损失，对铁路、公路、露天采矿等行业的安全运营影响重大[1-2]。与其他工程类边坡不同，露天矿边坡具有鲜明的动态性特征[3-4]，即随着采矿活动的进行，开挖深度和矿区边坡高度、角度不断增加且开采过程中影响因素复杂、工程活动多样。并且露天采矿需综合考虑经济效益、开采成本等问题。据统计，一个大型高边坡总体坡角加陡1°，可节省剥岩费用千万元甚至亿元人民币[5]。

2017年4月30日，内蒙古长山壕露天矿西南采场北帮8600—8900勘探线之间发生大规模边坡倾倒变形破坏，主倾倒区长260 m，高度130 m，并造成下方边坡加固工程80%被摧毁。设备和人员及时撤离，未造成生产安全事故。但采场北东侧主运输道路中断，无法恢复通车，造成西南采场停产数月。西南采场北帮主要为反倾岩质边坡，研究其变形破坏特征和成因机制对边坡灾害治理起关键作用。

反倾岩质边坡的工程地质问题在20世纪70年代才逐步被人们认识和研究，研究问题主要包括反倾边坡变形模式和稳定性分析方法。1973年de Freitas等[6]正式将倾倒变形作为边坡变形的一种。Goodman和Bray[7]将倾倒变形分为弯曲倾倒、块体倾倒和块状弯曲倾倒3种基本类型，并提出次生倾倒概念。Heok和Bray[8]将次生倾倒进一步划分，反倾边坡稳定性分析方法主要包括解析分析法、物理模型试验法和数值模型法。Aydan等[9]首先采用悬臂梁弯曲模型，应用极限平衡理论，建立了边坡稳定性分析方法。Adhikary等[10-11]通过实验对Aydan理论进行了完善和推广。陈红旗等[12]推导了反倾边坡岩层折断应力和挠度判据。卢海峰等[13]在悬臂梁模型基础上对层间黏聚力、各层岩体重度进行了修正，改进了悬臂梁极限平衡理论。左保成等[14]通过相似模型试验研究了反倾岩层的层面剪切强度(c，φ值)、岩层厚度及岩层倾角对反倾边坡变形的影响。邱俊等[15]在总结大量倾倒体实例基础上，研究了边坡倾倒变形形成条件及发育特征。

随着计算机技术的发展，有限元、有限差分、离散元等数值模拟方法在边坡工程中应用广泛[16-18]。但现有数值软件受限于复杂模型构建功能，初期建模的大量简化造成模拟结果不准确。学者们对此也开展了大量研究，提出了众多耦合建模方法，但与真实地质体之间仍有较大差异[19-20]。因此，高精度复杂地质体的三维建模仍是目前需要解决的问题。此外，边坡合理的加固方式是边坡安全的重要保障。目前，边坡加固主要采用锚索、锚杆及挡墙等小变形材料或刚性材料，往往无法抵抗滑坡大变形灾害的发生。如新磨特大滑坡造成边坡70%以上的预应力锚索格构梁加固工程的破坏[21]；鸡尾山大型滑坡摧毁了滑坡体上所有的挡土墙、抗滑桩、锚索格构梁等加固工程[17]。因此，采用具有大变形、高阻力加固材料支护方案的研究是解决当下滑坡加固困境的客观需求。

本文对西南采场进行详细的地质调查，对倾倒体变形破坏特征进行分析，详细介绍3DMine和FLAC3D大型复杂地质体耦合建模方法，对采场整体以及倾倒体边坡进行稳定性分析。在此基础上提出以恒阻大变形锚索为主的新支护方案，并与普通锚索支护效果对比分析，验证支护方案的可行性。

1 工程地质条件

太平矿业长山壕露天金矿位于我国内蒙古自治区乌拉特中旗(县)东北85°方向，新忽热苏木(乡)，是我国北方区域最大的黄金堆浸矿山。矿区于2007年投入试生产，现已形成东北和西南两大采场(图1)。

图1 长山壕露天金矿全景

矿区地质构造复杂，自北向南划分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个断裂构造体系(图2)。Ⅲ、Ⅳ构造体系分布在浩尧尔忽洞向斜的南翼，其中Ⅲ脆-韧性剪切构造带系靠近向斜，为矿带的主要控矿构造。受浩尧尔忽洞向斜及构造带的影响，矿区内发育多条NE走向、倾向NW、大小规模不等的主断层以及其他次生的张剪性、压剪性构造带。其中，压剪性断裂带在西南采场较为发育，主要呈现NW走向的多组叠瓦式排列。长山壕露天采场主要发育以片麻岩、片岩、千枚岩等为主的板岩岩组、页岩岩组以及变细砂岩岩组等，岩层主要为倾向NE、倾角大于60°的陡倾厚层产出，与采场北帮呈现反倾关系、与采场南帮呈现顺倾关系。

图2 长山壕露天采场地质构造

本文主要研究区域为长山壕露天矿区西南采场(图3)。西南采场自转入深部开采后，北帮多处区域出现不同规模的滑坡失稳现象，其中2017年4月30日，采场北帮8600—8900勘探线之间发生大规模倾倒变形破坏。采场地表标高为1 661 m，截至2017年4月底，采场开挖深度为157 m，底部标高1 504 m。在采场北帮选择16个钻孔进行钻孔数据分析，钻孔点(D1-D16)分布如图3(a)所示。通过钻孔数据得到RQD值，对岩体完整性进行评价和统计，结果如图3(b)所示。西南采场北帮上部区域RQD值主要为0～40，岩体较为破碎，下部区域相对较完整，且北帮东部岩体较为破碎、西部岩体相对较完整。

图3 西南采场地质勘探

该采场处于我国北方内陆地区，具有典型的大陆性气候特征，冬冷夏热、温差悬殊、雨量稀少、春秋多风。年最高气温35～37 ℃，最低气温-34 ℃。每年10月到次年的4月属于北方的霜冻期。年降水量233.7 mm，年蒸发量2 646.2 mm，降雨期主要集中于7—9月。矿区露天采场地貌多为剥蚀的低山和丘陵，地势起伏不大，较为平坦，绝对标高在 1 550～1 750 m，相对高差在50～200 m之间。长山壕地段以长山壕矿区为最低，向南、向北渐渐升高，总体地形东高西低，区内岩层裸露较好，植被不发育。此外，矿区不处于地震带，发生大地震的可能性较小。

2 倾倒失稳特征及变形分析

2.1 倾倒失稳特征

西南采场大规模失稳变形发生在北帮靠近东U形口勘测线8 600—8 900之间(图4)，主变形区长260 m，高127 m，坡顶区域边坡坡度约37 °，倾向SE155 °。随着边坡的开挖，边坡坡高增加、坡度变陡。边坡标高1 570 m处，其坡角约为62 °，岩层倾角约为85 °，处于反倾状态。坡顶后缘朝边坡倾倒方向发育多道弧形裂缝和拉裂带，裂缝最大宽度达到1 m[图4(b)]。滑坡造成1 620～1 604 m主变形区固定斜坡路下沉约6 m，道路发生严重的倾倒滑移，造成矿区交通长时间中断[图4(c)]。倾倒区域出露岩体主要为含有大量结构面的板岩，岩体节理裂隙发育，呈碎裂结构，具有明显的叠瓦式反倾弯曲变形特征[图4(d)]。坡脚处受上部岩体挤压应力的作用，发生明显的隆起倾倒变形。此外，边坡的倾倒变形造成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区锚索和混凝土挡墙加固工程被摧毁[图4(f)(g)]，加固所用传统预应力锚索被拉断，锚具失效，锚索夹片弹出，夹片最大弹射距离达到96 m。

2.2 边坡变形分析

2.2.1 岩石力学性质

板岩、片岩是西南采场存在最多、分布最广的一种岩石。现场倾倒区岩层发生大规模断裂，通过板岩、片岩的室内三点弯曲试验发现，板岩的试验成功率较低，多块板岩样品在荷载仅为0.5 kN的试验预加载阶段发生破坏，破坏后断面存在层间剥离断裂面。片岩在弯曲过程中发生层间错动剥离现象，主裂纹方向不定，存在交错顺层破坏面。总体而言，板岩和片岩的抗弯强度较低，易发生折断破坏。在倾倒区内岩层以大量片岩或板岩为主，且含有大量泥质岩层进一步弱化了岩体强度。开采过程中，板岩、片岩等所受压力超过了其抗弯强度和层间剥离强度，岩层发生倾倒折断，是滑坡倾倒失稳的主要原因。

2.2.2 结构面发育

断层、节理等结构面的存在对岩质边坡的稳定性起关键作用[22]。受地质构造作用，倾倒体区域发育大量断层破碎带及节理密集带。根据现场勘查，倾倒区发育4条控制性断层，断层编号和走向倾角分别为F22(340∠84)、F21 (167∠74) 、F13-2 (210∠82) 、F13-1 (205∠80)。边坡开挖过程中，坡体发生应力重新分布，岩体处于卸荷状态，断层、节理等结构面逐渐张开，发育贯通形成大的滑裂面[23]。此外岩体内储存的弹性应变能不断向边坡临空面释放[24]，导致临空面岩体具有一定运动趋势或已经发生变形，且采矿过程中爆破振动等对结构面的发育贯通以及对整个滑坡的稳定性都会产生不利的影响。

2.2.3 边坡支护结构

根据倾倒体现场调查，其边坡加固体被摧毁，锚索拉断，锚具损坏。滑坡发生的本质是岩体发生大变形破坏，而边坡支护结构主要采用以传统锚索这类小变形材料为核心的加固方案。传统小变形和刚性加固工程往往不能够满足岩土体大变形特性而被破坏失效，无法抵抗滑坡灾害的发生。

3 边坡3DMine-FLAC3D耦合建模及加固对策研究

3.1 边坡3DMine-FLAC3D耦合建模

3DMine矿业软件具有强大的三维可视化模型构建功能[25]。基于岩芯钻孔、地质剖面图等地质数据，通过建立线框模型、表面模型、实体模型以及块体模型等流程，最终可建立复杂地质体三维数字化模型。该模型可实现与FLAC3D数值模拟软件的精确对接，完美解决了数值模拟软件前处理功能的缺陷，所建立的地质体数值模型与实际地质体赋存产状精确对应。根据西南采场实际工程，现对3DMine-FLAC3D耦合建模流程进行详细介绍。具体建模流程如图5所示。

图5 3DMine-FLAC3D耦合建模流程

(1) 构建钻孔数据库。在3DMine软件中建立新的ACCESS格式的钻孔数据库，数据库由定位表、测斜表、地质岩性表组成。数据导入完成后，将数据和图形关联起来，形成三维的数据库形态，如图6所示。

图6 三维数据库形态

(2) 构建地表模型。地形表面形态的属性信息一般包括高程、坡度、坡向等。其数据主要来源于矿山测量数据，在坐标系中将地形表面形态以及空间位置特征使用数字坐标描述。地表模型通过处理冗余数据，将等高线及采场现状线全部赋予正确高程，然后利用软件功能生成DTM模型(图7)。

图7 露天采场DTM图像

(3) 构建岩层模型。岩层地质体形态复杂，一般采用线框模型法实现复杂三维实体模型的构建。即采用一系列的不发生交叉、重叠的三角网，包裹形成封闭实体。首先对所有剖面数据进行坐标校正，按照实际勘探线的位置进行三维转换，将剖面图形摆放到矿区实际位置上，坐标校正示意图如图8(a)所示；然后将装换后的剖面内关于岩层信息的点、线、文字等进行提取；最后将剖面之间，相同岩层的线利用三角网连接起来，形成长山壕露天金矿岩层模型，如图8(b)所示。

图8 长山壕矿区坐标校正和岩层模型示意图

(4) 构建地层面模型。长山壕金矿采场利用空间估值功能对地层模型进行空间插值，构建三维地层面模型，如图9所示。首先提取剖面地层线，包括强风化线、中风化线、弱风化线、第四系底板，分类归并处理；然后对提取的建模对象线，进行点加密处理，并分解为散点，便于将模型位置点均权重。利用网格估值(普通克里格方法)，分别对强风化底板、中风化底板、弱风化底板、第四系底板散点进行空间插值，得到强风化底板面、中风化底板面、弱风化底板面、第四系底板面；最后将空间差值的网格面实体化，将生成的面模型通过三角网的合并生成实体模型。

图9 构建地层面模型

(5) 构建断层构造模型。使用矿山断层勘测所得到的“DXF”格式数据，包括断层走向、倾向及倾角等信息，建立西南采场的断层构造模型(图10)。

图10 西南采场断层构造模型

(6) 构建采场实体模型。在地质构造模型的基础上，根据西南采场的生产现状建立采场实体模型(图11)。

图11 西南采场实体模型

(7) 构建工程地质网格模型。工程地质网格模型包括建立块体模型、添加块体属性、块体属性赋值3个步骤。在3DMine软件中是利用块体模型进行空间网格划分的。块体模型是将矿区空间划分为许多六面体单元块形成的离散空间，六面体单元块质心点可以记录和存储该离散空间的属性信息。块体模型建立时需要明确块体空间范围、块体尺寸、次级模块以及约束条件等信息；然后为块体添加块体属性，利用三角网约束功能选择待赋值的实体，作为空间约束对象；对模型实体内部约束的块体进行显示并进行材料属性单一赋值，赋值的内容为实体的性质。以此类推，将各个岩性模型、断层模型、地层模型等全部进行单一赋值。赋值完成后，可根据分析需要对采场形态约束显示，以便展开各个工况的分析。

根据西南采场的实际地质勘测范围，建立了西南采场两种工况的数值模型，即现状边坡模型和最终境界边坡模型(图12)。现状边坡模型开挖深度为157 m，坡底标高为1 504 m。根据矿区的计划开采方案，最终境界边坡模型开挖深度为261 m，坡底标高为1 400 m。

图12 西南采场现状和最终境界模型

(8) FLAC3D数值模拟分析。3DMine软件完成了精确复杂的三维建模，导出的FLAC3D软件可直接识别的“STL”格式文件。模型导入FLAC3D后，需要对实际岩性参数进行标定。3DMine软件中块体属性分组在FLAC3D中同样有效，因此无须进行重新分组。计算参数的选取是数值模拟的关键。本数值计算参数的确定采用从局部到整体的反演思路，即通过选取典型的已发生滑坡为例，调整由室内试验获得的岩性参数，对滑坡进行参数的反算，最终确定适用于长山壕金矿的岩体强度参数。为了避免因受主控构造影响小、因素复杂、随机性较强的小型滑坡对参数反演造成干扰，对参与岩体强度折减反演计算的滑坡进行了定量筛选，筛选采用滑坡体积(V)与滑坡面积(S)共同确定的原则，即V>(3 000±200)m3、S>(2 000±200)m2。经过一系列的参数反演过程，最终获得适用于FLAC3D软件的岩体强度参数见表1。整体模型采用位移边界约束条件。X方向和Y方向分别限制模型左右两侧和前后两个面的位移，Z方向限制模型底面位移，上部边界采用自由边界，不限制其任何位移。初始模型在重力作用下进行数值运算，当模型内部最大不平衡力趋于0时，即认为达到初始平衡状态。

表1 西南采场FLAC3D三维数值模拟岩层参数

西南采场复杂三维数值模拟计算结果如图13所示。图13(a)(b)分别为西南采场开采现状的位移云图和剪应变增量云图。边坡失稳区域主要发生于采场北帮，并且大型滑坡区域主要集中于北帮靠东部U形口，其余破坏范围相对较小，主要为单台阶的局部破坏，与实际边坡勘察变形情况基本一致。图13(c)(d)分别为西南采场最终境界的位移云图和剪应变增量云图。其破坏范围相对于现状出现了较大扩展，北帮东侧、中部整体失稳，并且北帮西侧也出现大规模失稳现象。因此需要对采场最终境界方案做出一定调整或对边坡进行合理有效的加固，以防止开采过程中滑坡灾害事故的发生。

图13 西南采场数值计算结果

3.2 边坡加固对策研究

为解决小变形材料无法满足滑坡大变形灾害控制要求的严峻问题，2009年，He等[26]研发出具有负泊松比效应的恒阻大变形(CRLD)锚杆/索，具有高恒阻、大变形、吸收能量等超强特性[26]。实验证明，恒阻大变形锚索最大恒阻力可达850 kN，最大变形量为2 000 mm，已广泛应用于隧道大变形控制、巷道围岩支护、边坡加固、滑坡监测等工程领域[27-28]。

针对西南采场边坡倾倒导致加固体被摧毁的问题，以及随着开采进行，采场北帮出现整体失稳趋势，对现有加固方案做出调整。研究区域为主倾倒区勘探线8700边坡断面。参考前期加固设计支护参数，沿剖面标高1 570～1 606 m之间共布置8排锚索，每排布置5根，锚索长度为60 m，锚固段长度为25 m，锚索轴线与水平面夹角均为15 °，普通锚索强度设计值和恒阻大变形锚索恒阻值均为 700 kN。并在边坡坡面设置A、B两个位移监测点进行不同加固条件下的边坡位移监测(图14)。

图14 边坡支护数值模拟示意图

图15(a)为未加固条件下边坡位移云图，其最大位移量达到1.69 m。图15(b)为该状态下的塑性区云图，受剪切和拉伸作用，边坡岩体发生不同程度的破坏变形。结果表明，边坡内部破坏主要为剪切塑性区，研究区域岩体主要为板岩、片岩等，抗剪强度较低，易发生折断进而发生大规模倾倒破坏。图15(c)为普通锚索加固后边坡位移云图，加固区域仍产生了较大位移，最大的位移量达到了1.28 m，相较于未加固边坡最大位移1.69 m，加固效果较差，无法抵抗滑坡体的大变形破坏。采用恒阻大变形锚索加固后的边坡，最大位移量只有0.52 m，加固效果显著，且边坡位移并未达到恒阻大变形锚索的承载极限。

图15 支护方案数值计算结果

图16为A、B两个坡面位移监测点，通过不同支护条件下的位移曲线可以看出，普通锚索仅能在边坡变形发育初期起到一定加固效果，而随着边坡变形的发展而最终破断失效。而恒阻大变形锚索在整个边坡破坏发育过程中都能够起到良好的加固作用，有效防止边坡大变形的发展。

图16 监测点位移变化

图17(a)为普通锚索轴力分布云图，普通锚索轴力在现有加固条件下几乎全部为零，已经失去承载能力，起不到任何加固作用。图17(b)为普通锚索单元的轴力变化图，普通锚索初始施加预应力为28 t，随着计算的进行，锚杆轴力呈线性变化，在计算接近5 000步时，锚索轴力达到其强度设计值700 kN，经过一定的塑性变形后，锚索轴力突降为零，锚索破断失效。图17(c)为恒阻大变形锚索轴力分布云图，所受轴力达到其设计恒阻强度时，继续保持恒定，实现了恒阻效应。图17(d)为恒阻大变形锚索单元的轴力变化，锚索达到恒阻值700 kN时，继续保持承载能力以及大变形能力，并未发生失效，取得有效的加固效果。因此，对长山壕露天金矿西南采场北帮边坡采用恒阻大变形进行加固，是一种经济有效的加固措施。

图17 锚索轴力

4 结 论

(1) 倾倒边坡为节理、断层等弱结构面发育的反倾岩质边坡。边坡岩性主要为抗弯强度较低的板岩、片岩等层状岩体，层间软弱夹层发育。边坡加固主要采用传统小变形锚索，不能承受边坡倾倒失稳大变形的破坏，以及边坡开挖等工程扰动，导致边坡大规模倾倒失稳的发生。

(2) 基于3DMine-FLAC3D耦合建模方法，建立了西南采场现状模型和最终境界模型，对西南采场边坡稳定性进行总体分析，结果表明：采用现有开挖方案施工，采场北帮会发生整体失稳。

(3) 提出基于恒阻大变形锚索的新的边坡支护方案，并采用数值模拟对普通锚索加固、恒阻大变形锚索加固以及无加固3种工况对比分析。采用恒阻大变形锚索加固，边坡变形量较小，且恒阻锚索在承受大变形过程中保持恒定阻力，取得良好的加固效果。