董武斌

基于极限平衡法的峨口铁矿露天边坡稳定性分析

董武斌

(山西太钢鑫磊资源有限公司，山西 孟县 045100)

峨口铁矿边坡高、陡，褶皱极为发育，岩层倾角复杂多变。因此，选取边坡的S-S'剖面，采用Janbu修正法对峨口铁矿靠帮边坡现状进行稳定性分析。结果表明：在最不利的工况组合下，现状边坡整体安全系数计算为1.213，判定该边坡整体是稳定的，不会影响生产。

稳定性分析;Janbu修正法;安全系数;安全评价

0 前 言

高边坡发生破坏失稳是一种复杂的地质灾害，往往造成极大的安全事故和经济损失，露天矿山的边坡稳定性预测分析一直是采矿以及岩土工程的重要关注问题之一[1]。极限平衡法由于其原理简单，能给出边坡稳定分析定量评价值[2]，获得了广泛的工程应用。随着计算技术和计算机处理能力的发展，这种方法逐步从一种经验性的简化方法发展成为一个具有完整的理论体系的、成熟的分析方法，也是目前国内外在边坡稳定评价中应用最为广泛的分析方法[3]。极限平衡分析方法很多，但由于滑坡形式不同以及采用的假设条件不同而又有所差异，如Bishop法、瑞典法、陆军工程师团法和Lowe-Karafiath法等[4-5]。但受到矿山工程地质环境和条件的影响，每种方法的适应性和要求不同。针对峨口铁矿的高露天边坡特点，特别是多地质构造特征影响，为提高计算可靠性，充分利用满足边坡条块间作用力和力矩平衡且适合于折线滑动面边坡的方法作为计算方法，选择Janbu修正法作为本次研究的计算方法。

1 工程背景

峨口铁矿矿床由山羊坪断层和楼羊爬向斜（从南至北，从东到西）控制并由其分成南东区、南西区、北东区和北西区4个采区。设计开采深度642 m，标高为2170~1528 m。随着矿山持续的开采，采矿下降速度平均每年11 m，目前边坡南帮已形成高度为354 m（标高为2170~1816 m）的边坡，平均边坡角为45°。北帮也形成高度为164 m（标高为1980~1816 m）的边坡。南西区露天底标高为1612 m，最终边坡高度达458 m。同时由于边坡加高，地质构造、岩性、结构面等不断地揭露，采场边坡岩体结构特征变得复杂，绿泥石英片岩在矿区以软弱夹层的形式存在。边坡高、陡，褶皱极为发育，岩层倾角复杂多变，故滑面折线的倾角变化难以捉摸，变化较大。特别是目前边坡的安全情况未知，亟需对采场边坡进行安全性评价。

2 Janbu修正法原理

基本假定：直条块侧面上的作用力位于滑面1/3条块高处；作用于条块上的重力、反力通过条块底面的重心点。

典型条块受力分析如图1所示。

图1 Janbu法典型条块受力分析

根据垂直及水平两方向的静力平衡及推力边界条件，求得简化Janbu法安全系数表达式：

式中，s为安全系数；W为条块自重；K为地震影响系数；u为平均水压力；b和分别为条块宽度和底面倾角；c和滑面粘聚力和摩擦角；E为上条块推力（水平）；E+1为下条块推力。

式（1）安全系数F为隐式，需迭代求解，通常用牛顿-拉芙逊法加速收敛。但是，简化Janbu法忽略了垂直法向条块间作用力，减少了未知数，也不考虑力矩的平衡，使问题静定可解；同时，此法低估了边坡抗滑能力，计算出的安全系数偏小。为此Janbu提出了修正公式：

当=0时，=0.31；当c>0时,>0，=0.5。

4 边坡稳定性极限平衡分析

4.1 地质概化模型

在现场踏勘和地质调查分析基础上，选取露天边坡的S-S'剖面，起点（6122.14，5989.71），终点（5673.98，6412.01），见图2。其在剖面上主要存在多种地质构造、不同的矿岩层结构和高陡等 特点。

国内外对露天矿边坡的稳定性研究，一般取允许安全系数在=1.10~1.50之间，多数场合下取=1.15~1.3（《岩土工程勘察规范》GB50021—2001规定）。目前矿山已经进入露天开采后期，即将进入露天转地下开采，边坡加高加陡趋势明显，取允许安全系数为1.2。

4.2 计算参数与工况

S-S′剖面计算选取各类岩石密度参数见表1。

本矿区范围内主要存在地下水的作用，针对地下水对边坡稳定性的影响，选取2种不同的工况组合，即工况Ⅰ无地下水和工况Ⅱ有地下水。

4.3 现状和终了边坡计算结果与分析

计算剖面S-S′位于南东采场，边坡顶部标高为1958 m，现状底部平台标高为1708 m，边坡高度240 m，现状和终了边坡Janbu法计算的安全系数结果见图3和图4，其中-为10个监测点的安全系数。

图2 太钢峨口铁矿S-S′边坡工程地质剖面

表1 计算岩石容重参数

图3 现状条件下边坡S-S′剖面潜在滑面示意

由图3可知，在最不利工况组合情况下，采用用Janbu修正法，现状边坡整体安全系数计算结果为1.213，可以判定该边坡整体是稳定的。其中，计算的1900平台至1806平台在最不利工况下，计算的安全系数是1.197，略低于允许安全系数1.2，其它滑面的计算结果均大于1.2。计算结果表明，潜在滑动面存在于绿泥石英片岩与铁英岩的接触面，其他平台的各段安全系数均大于1.2，不存在局部安全问题。

图4 最终境界下边坡S-S′剖面潜在滑面示意

由图4可知，终了边坡在最不利工况组合下，边坡整体安全系数计算的结果为1.202，因此可以判定该边坡整体是稳定的，但存在安全储备不足的问题，需要注意边坡的风化、降雨等局部影响的作用，减少安全隐患。边坡顶部稳定性在现状极限平衡计算里已经分析了，顶部可能会产生局部顺层滑动。边坡底部在最不利工况组合下安全系数结果为1.584，安全系数较大，稳定性较好。

整体分析表明，边坡软弱岩层和强度较高岩层交界处易构成潜在滑动面，是该矿露天边坡稳定性存在的主要隐患，要加强巡检和弱面处的防护。

4 结 论

（1）采用Janbu修正方法，可以有效计算矿山边坡的安全稳定性，为边坡的管理和安全评价提供有效的计算方法。

（2）以S-S′剖面计算可知，在矿山开采现状和最终境界条件下，地下水对边坡稳定性产生一定的影响，但边坡整体稳定。

（3）边坡上部的弱面接触处，是边坡安全的主要隐患，存在沿着软弱结构面滑动的可能性，需要加强边坡的巡检和安全防护。

[1] 王玉平,曾志强,潘树林.边坡稳定性分析方法综述[J].西华大学学报(自然科学版), 2012, 31(2):101-105.

[2] 邓东平,李 亮.基于滑动面应力假设下的三维边坡稳定性极限平衡法研究[J].岩土力学,2017,38(1):189-196.

[3] 乔 翔.基于极限平衡法的高边坡稳定性分析及处治措施[J]. 铁道建筑,2017,57(8):89-93.

[4] 邱利锐,李维朝,文 斌.圆弧滑动边坡强度参数瑞典法反分析[J]. 公路,2005(12):73-76.

[5] 王 月.有限元极限平衡法在黄土边坡稳定性分析中的应用研究[D].石家庄:石家庄铁道大学,2017.

[6] 胡建华,张行成,甯瑜琳,等.露天转地下开采边坡稳定性概率分析[J].矿冶工程,2012,32(5):1-3.

[7] 张文平,胡建华,杨 春.露天矿边坡爆破震动测试及边坡稳定性影响分析[J].采矿技术,2016,16(2):55-57.

(2019-03-06)