大顶铁矿露天采场边坡稳定性分析与优化设计

D0L:10.13374/.issn1001-053x.2012.03.005 第34卷第3期 北京科技大学学报 Vol.34 No.3 2012年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2012 大顶铁矿露天采场边坡稳定性分析与优化设计 蔡美峰回朱青山乔兰李长洪王金安 谭文辉 北京科技大学土木与环境工程学院，北京，100083 ☒通信作者，E-mail:caimeifeng@(usth.edu.cm 摘要针对大顶铁矿露天采场边坡岩体强度低、稳定性差的特点，在系统的现场工程地质、水文地质、岩体结构与岩性分布 调查和岩石物理力学性质试验基础上，采用符合现代岩石力学原理的数值模拟和极限平衡相结合的方法，进行边坡稳定性和 设计优化研究，并推荐了该矿的边坡设计方案。总体边坡角比原设计平均提高3°以上. 关键词铁矿：露天采场：边坡稳定性：优化设计 分类号TD214*.1 Slope stability analysis and optimum design in Dading open-pit iron mine CAI Mei-feng,ZHU Qing-shan,QIAO Lan,LI Chang-hong,WANG Jin-an,TAN Wen-hui School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:caimeifeng@ustb.edu.cn ABSTRACT The slope of Dading open-pit iron mine in south China has the characteristic of low rock strength and bad stability.Its basic information on engineering-geological conditions,hydro-geological conditions and rock mass structures together with physical and mechanical properties of rock mass was derived from systematical field and laboratory investigations,experiments and tests.Stability analysis and optimum design were done for the slope by using a combined method of numerical modeling and limit equilibrium analysis. The slope angle increases more than 3 compared with the original design. KEY WORDS iron mines;open-pit mining:slope stability:optimum design 大顶铁矿位于广东省河源市东源县境内，东南 二期扩建工程，实现年产矿石300万t的规模 距河源市73km,西北距广州一梅州一汕头铁路 大顶铁矿自建矿以来，没有进行过专门的露天 57km,西距京九铁路70km,均有高等级公路相连， 采场边坡稳定性研究，严重缺乏开采设计所必需的 交通便利. 边坡地质和岩石力学基础资料.为了保证二期开采 该矿是一座大型含锡、锌的磁铁矿床，具有矿石 设计的合理性和可靠性，该矿委托北京科技大学进 储量大、品位高、埋藏浅以及便于露天开采的特征. 行了“广东大顶铁矿露天采场边坡稳定性分析及设 但是，由于该铁矿属高温热液接触交代（矽卡岩）型 计优化”的试验研究. 矿床，铁矿体赋存于接触带或接触带附近的镁质矽 卡岩中，严格受外围蚀变带的控制，导致边坡岩体结 1边坡稳定性分析与优化设计方法 构疏松，强度较低，稳定性较差 露天矿采场边坡设计是一个两难的问题：边坡角 矿山于1989年完成一期露天开采设计，设计规 太大，边坡过陡，将引起边坡的失稳破坏，严重影响矿 模为原矿100万t"a-.进入21世纪后，随着外部 山正常生产；边坡角太小，边坡过缓，将增加边坡剥岩 运输条件的全面改善，广东及周边省份对大顶铁矿 量，显著增加生产成本.为了解决这一难题，必须进行 的铁矿产品需求不断增加.为了满足用户不断增长 边坡设计优化的研究，在保证开采安全的前提下，尽可 的对大顶铁矿产品的需求，大顶铁矿集团决定开展 能提高边坡角，减少剥岩量，降低生产成本习 收稿日期：2011-02-10 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51034001)

第 34 卷 第 3 期 2012 年 3 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 3 Mar． 2012 大顶铁矿露天采场边坡稳定性分析与优化设计 蔡美峰 朱青山 乔 兰 李长洪 王金安 谭文辉 北京科技大学土木与环境工程学院，北京，100083 通信作者，E-mail: caimeifeng@ ustb． edu． cn 摘 要 针对大顶铁矿露天采场边坡岩体强度低、稳定性差的特点，在系统的现场工程地质、水文地质、岩体结构与岩性分布 调查和岩石物理力学性质试验基础上，采用符合现代岩石力学原理的数值模拟和极限平衡相结合的方法，进行边坡稳定性和 设计优化研究，并推荐了该矿的边坡设计方案． 总体边坡角比原设计平均提高 3°以上． 关键词 铁矿; 露天采场; 边坡稳定性; 优化设计 分类号 TD214 + . 1 Slope stability analysis and optimum design in Dading open-pit iron mine CAI Mei-feng ，ZHU Qing-shan，QIAO Lan，LI Chang-hong，WANG Jin-an，TAN Wen-hui School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: caimeifeng@ ustb． edu． cn ABSTRACT The slope of Dading open-pit iron mine in south China has the characteristic of low rock strength and bad stability． Its basic information on engineering-geological conditions，hydro-geological conditions and rock mass structures together with physical and mechanical properties of rock mass was derived from systematical field and laboratory investigations，experiments and tests． Stability analysis and optimum design were done for the slope by using a combined method of numerical modeling and limit equilibrium analysis． The slope angle increases more than 3° compared with the original design． KEY WORDS iron mines; open-pit mining; slope stability; optimum design 收稿日期: 2011--02--10 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51034001) 大顶铁矿位于广东省河源市东源县境内，东南 距河 源 市 73 km，西 北 距 广 州—梅 州—汕 头 铁 路 57 km，西距京九铁路 70 km，均有高等级公路相连， 交通便利． 该矿是一座大型含锡、锌的磁铁矿床，具有矿石 储量大、品位高、埋藏浅以及便于露天开采的特征． 但是，由于该铁矿属高温热液接触交代( 矽卡岩) 型 矿床，铁矿体赋存于接触带或接触带附近的镁质矽 卡岩中，严格受外围蚀变带的控制，导致边坡岩体结 构疏松，强度较低，稳定性较差． 矿山于 1989 年完成一期露天开采设计，设计规 模为原矿 100 万 t·a － 1 ． 进入 21 世纪后，随着外部 运输条件的全面改善，广东及周边省份对大顶铁矿 的铁矿产品需求不断增加． 为了满足用户不断增长 的对大顶铁矿产品的需求，大顶铁矿集团决定开展 二期扩建工程，实现年产矿石 300 万 t 的规模． 大顶铁矿自建矿以来，没有进行过专门的露天 采场边坡稳定性研究，严重缺乏开采设计所必需的 边坡地质和岩石力学基础资料． 为了保证二期开采 设计的合理性和可靠性，该矿委托北京科技大学进 行了“广东大顶铁矿露天采场边坡稳定性分析及设 计优化”的试验研究． 1 边坡稳定性分析与优化设计方法 露天矿采场边坡设计是一个两难的问题: 边坡角 太大，边坡过陡，将引起边坡的失稳破坏，严重影响矿 山正常生产; 边坡角太小，边坡过缓，将增加边坡剥岩 量，显著增加生产成本． 为了解决这一难题，必须进行 边坡设计优化的研究，在保证开采安全的前提下，尽可 能提高边坡角，减少剥岩量，降低生产成本［1--2］． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.005

·240· 北京科技大学学报 第34卷 传统的边坡稳定性分析与设计方法是极限平衡 坡稳定性和设计优化研究的基础.为此，开展了专 分析法.这种方法所依据的是静力平衡原理，只考 门的地表边坡工程地质测绘、深部边坡工程地质勘 虑在重力作用下滑坡体的下滑力与滑移面上抗滑力 探及岩体构造发育情况现场勘查等，完成的主要工 的平衡问题：只能考虑“滑坡”一种边坡破坏方式， 作有：边坡专门工程地质调查与测绘，实际上图测点 只有“安全系数”一种边坡稳定性判断指标；不能考 69个：边坡深部工程地质勘探，共打专门边坡补勘 虑边坡断层、构造和实际岩体物理、力学特性等控制 钻孔3个，累计进尺500.64m;辅助勘探孔3个，累 性因素对边坡稳定性的影响.事实上，边坡失稳破 计进尺357.33m 坏是一个复杂的力学过程，只有通过系统的力学分 2.1.1边坡工程地质岩组划分 析，才能对边坡稳定性做出全面的、准确的分析和评 工程地质岩组的划分以地层和岩石组成与结构 价.简单的极限平衡分析不可能做出既符合工程实 作为基础，把岩性特征、成层环境和结构特点作为划 际又符合边坡失稳破坏机理的边坡稳定性分析和判 分的重要依据.根据以上原则及实际调查和勘查得 断，因而不可能做出真正的优化设计B-! 到的采场边坡岩体条件，大顶铁矿边坡工程地质岩 现代数值模拟方法能根据实际的边坡工程地 组具体划分为以下五组：泥岩夹粉砂岩岩组，粉砂岩 质、水文地质条件、矿体赋存状况和岩体物理力学性 夹砂质泥岩岩组，花岗（斑）岩岩组，矽卡岩岩组和 质，对边坡开挖全过程中的稳定状态进行系统的力 闪长岩岩组 学分析，能考虑滑移、倾倒、崩塌、拉伸、剪切、拉一剪 2.1.2边坡岩体不连续面测量与统计 和压一剪等多种破坏模式，有应力、位移、位移速度、 边坡节理岩体不连续面的产状、密度、形态 应力集中局部化、能量集中局部化、拉破坏区、剪破 及其组合分布对边坡稳定性往往起控制作用.为 坏区和塑性区等多种边坡稳定性判断指标，因而分 掌握岩体不连续面空间组合关系及分布规律，采 析结果能很好地反映工程实际.通过多方案的计 用详细线测量方法对岩体节理进行了实地测量. 算、分析和比较，就可以做出符合边坡工程实际的优 在边坡不同位置布置测线11条，所测数据运用 化设计.但是，数值模拟方法不能像极限平衡分析 动态聚类分析方法进行统计分析.聚类分析是将 方法那样给出一个确定的滑移面.所以，数值模拟 样本的各种性质转化成若干个指标，通过指标的 方法和极限平衡分析方法相结合，是最好的边坡稳 定量化分析对样本进行精确分类.其基本特点是 定性分析与优化设计方法B-) 用精确的数学计算和简单的逻辑判断代替传统 分析方法中大量的经验判断与复杂的逻辑判断， 2 边坡工程地质、水文地质和岩石力学综合 使得不连续面的产状分组工作完全由计算机来 调查与试验研究 实现 2.1矿区工程地质勘探与试验研究 根据测量和统计结果绘制的大顶铁矿边坡岩体 准确了解和掌握边坡的工程地质条件是进行边 节理走向分布等密度图见图1. (a 极点密度色诺对照图（每1学面积 10-2% 极点密度色谱对照图（每1%面） 0-15% 24是 1.5%-3.0% 46g 6%-8% 3.0%-45% 8%-10% 45%-6.0% 10%-12% 6.0%-75% 12%-14% 75%-9.0% 14塔-16% 9.0%-10.5% 16%-18% 10.5%-12.0% 189%-20% 12.0%-13.5% 13.5%-15.0% 最大极点密度：17.8029% 最大极点密度：11.6570% 图1节理走向分布等密度图.(a)北帮：(b)东帮 Fig.1 Iso-density chart of joint strikes:(a)north side;(b)east side 2.1.3边坡岩体结构特征 其中不连续面为节理面和风化软弱夹层.此结构类 调查表明，大顶铁矿边坡岩体结构主要有以下 型的岩体节理裂隙发育，局部节理贯通性强，贯穿 三种类型：(1)块状结构.块状结构边坡主要由矽 2~3个台阶的大节理面很多见.采场北帮、西北帮 卡岩与花岗（斑）岩岩体构成.结构体主要为块状， 边坡基本属于此类型结构，见图2(a).(2)碎裂结

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 传统的边坡稳定性分析与设计方法是极限平衡 分析法． 这种方法所依据的是静力平衡原理，只考 虑在重力作用下滑坡体的下滑力与滑移面上抗滑力 的平衡问题; 只能考虑“滑坡”一种边坡破坏方式， 只有“安全系数”一种边坡稳定性判断指标; 不能考 虑边坡断层、构造和实际岩体物理、力学特性等控制 性因素对边坡稳定性的影响． 事实上，边坡失稳破 坏是一个复杂的力学过程，只有通过系统的力学分 析，才能对边坡稳定性做出全面的、准确的分析和评 价． 简单的极限平衡分析不可能做出既符合工程实 际又符合边坡失稳破坏机理的边坡稳定性分析和判 断，因而不可能做出真正的优化设计［3--4］． 现代数值模拟方法能根据实际的边坡工程地 质、水文地质条件、矿体赋存状况和岩体物理力学性 质，对边坡开挖全过程中的稳定状态进行系统的力 学分析，能考虑滑移、倾倒、崩塌、拉伸、剪切、拉--剪 和压--剪等多种破坏模式，有应力、位移、位移速度、 应力集中局部化、能量集中局部化、拉破坏区、剪破 坏区和塑性区等多种边坡稳定性判断指标，因而分 析结果能很好地反映工程实际． 通过多方案的计 算、分析和比较，就可以做出符合边坡工程实际的优 化设计． 但是，数值模拟方法不能像极限平衡分析 方法那样给出一个确定的滑移面． 所以，数值模拟 方法和极限平衡分析方法相结合，是最好的边坡稳 定性分析与优化设计方法［5--6］． 2 边坡工程地质、水文地质和岩石力学综合 调查与试验研究 2. 1 矿区工程地质勘探与试验研究 准确了解和掌握边坡的工程地质条件是进行边 坡稳定性和设计优化研究的基础． 为此，开展了专 门的地表边坡工程地质测绘、深部边坡工程地质勘 探及岩体构造发育情况现场勘查等，完成的主要工 作有: 边坡专门工程地质调查与测绘，实际上图测点 69 个; 边坡深部工程地质勘探，共打专门边坡补勘 钻孔 3 个，累计进尺 500. 64 m; 辅助勘探孔 3 个，累 计进尺 357. 33 m． 2. 1. 1 边坡工程地质岩组划分 工程地质岩组的划分以地层和岩石组成与结构 作为基础，把岩性特征、成层环境和结构特点作为划 分的重要依据． 根据以上原则及实际调查和勘查得 到的采场边坡岩体条件，大顶铁矿边坡工程地质岩 组具体划分为以下五组: 泥岩夹粉砂岩岩组，粉砂岩 夹砂质泥岩岩组，花岗( 斑) 岩岩组，矽卡岩岩组和 闪长岩岩组． 2. 1. 2 边坡岩体不连续面测量与统计 边坡节理岩体不连续面的产状、密 度、形 态 及其组合分布对边坡稳定性往往起控制作用． 为 掌握岩体不连续面空间组合关系及分布规律，采 用详细线测量方法对岩体节理进行了实地测量． 在边坡不同位置布置测线 11 条，所 测 数 据 运 用 动态聚类分析方法进行统计分析． 聚类分析是将 样本的各种性质转化成若干个指标，通过指标的 定量化分析对样本进行精确分类． 其基本特点是 用精确的数学计算和简单的逻辑判断代替传统 分析方法中大量的经验判断与复杂的逻辑判断， 使得不连续面的产状分组工作完全由计算机来 实现［7］． 根据测量和统计结果绘制的大顶铁矿边坡岩体 节理走向分布等密度图见图 1． 图 1 节理走向分布等密度图 . ( a) 北帮; ( b) 东帮 Fig． 1 Iso-density chart of joint strikes: ( a) north side; ( b) east side 2. 1. 3 边坡岩体结构特征 调查表明，大顶铁矿边坡岩体结构主要有以下 三种类型: ( 1) 块状结构． 块状结构边坡主要由矽 卡岩与花岗( 斑) 岩岩体构成． 结构体主要为块状， 其中不连续面为节理面和风化软弱夹层． 此结构类 型的岩体节理裂隙发育，局部节理贯通性强，贯穿 2 ～ 3 个台阶的大节理面很多见． 采场北帮、西北帮 边坡基本属于此类型结构，见图 2( a) ． ( 2) 碎裂结 ·240·

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 ·241· 构.碎裂结构边坡主要由石英粉砂岩和细砂岩夹泥 坡面，倾角与坡角相近或稍缓于坡角的节理面滑落 岩构成.岩体受层面、节理等不连续面交错切割呈 的组合块体破坏，其特点是节理面常形成大光面，见 碎块状，强度较低。采场大部分东帮边坡为此类型 图3(c). 结构，见图2(b).(3)散体结构.散体结构边坡主 综合采场边坡已形成的边坡破坏，以及对矿区 要由泥岩夹粉砂岩构成.采场东南帮及局部东帮边 实际地质资料的分析，预测大顶铁矿采场边坡潜在 坡为此类型结构，见图2(c). 破坏模式主要有以下三种：(1)弧形破坏，主要发生 2.1.4边坡破坏模式调查与分析 在散体结构类型和碎裂结构类型边坡.(2)复合型 根据现场调查，采场东南帮和东帮局部散体结 平面破坏，主要发生在块状结构类型边坡.其中，台 构边坡破坏较多，破坏形式主要为圆弧形坍塌破坏， 阶边坡多形成沿单一节理面破坏，总体边坡可形成 见图3(a).另一种出现较多的破坏为楔性破坏，多 组合块体破坏，通常称为复合型平面破坏.(3)楔形 形成于块状结构边坡中，见图3(b).此外，在北帮 破坏，主要发生于块状结构类型边坡。楔形体两侧 块状结构边坡中，常见沿一组平行于边坡走向，倾向 由两组交叉节理切割坡体形成. b 图2采场边坡岩体结构类型.(a)块状结构：(b)碎裂结构：()散体结构 Fig.2 Rock mass structures of the open-pit slope:(a)block structure:(b)fractured structure:(c)discrete structure 图3边坡破坏模式.(a)圆弧形坍塌破坏：(b)楔形破环：()组合块体破坏 Fig.3 Failure patterns of the slope:(a)circular sliding failure:(b)wedge shaped failure;(c)combined block failure 2.1.5边坡工程地质分区 依据上述原则，将大顶铁矿边坡分为I、Ⅱ 由于矿区不同部位工程地质岩组分布特征不 和Ⅲ三个工程地质区，如图4所示.I区位于西 同，边坡要素及方位不同，岩体变形破坏类型也不 北帮，边坡最大标高690m,边坡垂直高度216m; 同，为确切地反映各区段边坡的客观实际，显然不 岩体以块状结构为主，节理裂隙发育，局部节理 能只用单一的地质模型和边坡结构模型来进行边 贯通性强，中上部岩体中存在风化软弱夹层，易 坡稳定性计算和分析，必须根据采场边坡岩体各 形成组合块体平面滑移破坏.Ⅱ区位于东帮，边 区段的实际特征，结合采场边坡设计方案，将不同 坡最大标高762m,边坡垂直高度288m;岩体以 地质结构和不同岩体结构的边坡加以区分.根据 碎裂结构为主，局部为散体结构，易形成台阶坍 工程地质分区，可以建立各分区相应的地质模型塌破坏.Ⅲ区位于东南帮，边坡最大标高702m, 和边坡结构模型，为边坡稳定性计算提供基础边坡垂直高度228m;岩体上部以散体结构为主， 依据圆 易形成小规模圆弧形滑移破坏，下部为块状结 具体的工程地质分区依据如下四个指标：(1) 构，除边坡中部存在规模不大的风化软弱夹层， 工程地质岩组特征：(2)岩体结构特征：(3)岩体不 其完整性较好，层面与边坡面反顷或斜交，不会 连续面分布特征：(4)采矿设计及边坡方位的变化. 直接构成边坡滑动面

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 构． 碎裂结构边坡主要由石英粉砂岩和细砂岩夹泥 岩构成． 岩体受层面、节理等不连续面交错切割呈 碎块状，强度较低． 采场大部分东帮边坡为此类型 结构，见图 2( b) ． ( 3) 散体结构． 散体结构边坡主 要由泥岩夹粉砂岩构成． 采场东南帮及局部东帮边 坡为此类型结构，见图 2( c) ． 2. 1. 4 边坡破坏模式调查与分析 根据现场调查，采场东南帮和东帮局部散体结 构边坡破坏较多，破坏形式主要为圆弧形坍塌破坏， 见图 3( a) ． 另一种出现较多的破坏为楔性破坏，多 形成于块状结构边坡中，见图 3( b) ． 此外，在北帮 块状结构边坡中，常见沿一组平行于边坡走向，倾向 坡面，倾角与坡角相近或稍缓于坡角的节理面滑落 的组合块体破坏，其特点是节理面常形成大光面，见 图 3( c) ． 综合采场边坡已形成的边坡破坏，以及对矿区 实际地质资料的分析，预测大顶铁矿采场边坡潜在 破坏模式主要有以下三种: ( 1) 弧形破坏，主要发生 在散体结构类型和碎裂结构类型边坡． ( 2) 复合型 平面破坏，主要发生在块状结构类型边坡． 其中，台 阶边坡多形成沿单一节理面破坏，总体边坡可形成 组合块体破坏，通常称为复合型平面破坏． ( 3) 楔形 破坏，主要发生于块状结构类型边坡． 楔形体两侧 由两组交叉节理切割坡体形成． 图 2 采场边坡岩体结构类型 . ( a) 块状结构; ( b) 碎裂结构; ( c) 散体结构 Fig． 2 Rock mass structures of the open-pit slope: ( a) block structure; ( b) fractured structure; ( c) discrete structure 图 3 边坡破坏模式 . ( a) 圆弧形坍塌破坏; ( b) 楔形破坏; ( c) 组合块体破坏 Fig． 3 Failure patterns of the slope: ( a) circular sliding failure; ( b) wedge shaped failure; ( c) combined block failure 2. 1. 5 边坡工程地质分区 由于矿区不同部位工程地质岩组分布特征不 同，边坡要素及方位不同，岩体变形破坏类型也不 同，为确切地反映各区段边坡的客观实际，显然不 能只用单一的地质模型和边坡结构模型来进行边 坡稳定性计算和分析，必须根据采场边坡岩体各 区段的实际特征，结合采场边坡设计方案，将不同 地质结构和不同岩体结构的边坡加以区分． 根据 工程地质分区，可以建立各分区相应的地质模型 和边坡 结 构 模 型，为边坡稳定性计算提供基础 依据［8］． 具体的工程地质分区依据如下四个指标: ( 1) 工程地质岩组特征; ( 2) 岩体结构特征; ( 3) 岩体不 连续面分布特征; ( 4) 采矿设计及边坡方位的变化． 依据上述 原 则，将 大 顶 铁 矿 边 坡 分 为Ⅰ、Ⅱ 和Ⅲ三个工程地质区，如图 4 所示． Ⅰ区位于西 北帮，边坡最大标高 690 m，边坡垂直高度 216 m; 岩体以块状结构为主，节理裂隙发育，局部节理 贯通性强，中上部岩体中存在风化软弱夹层，易 形成组合块体平面滑移破坏． Ⅱ区位于东帮，边 坡最大标高 762 m，边坡垂直高度 288 m; 岩体以 碎裂结构为主，局部为散体结构，易形成台阶坍 塌破坏． Ⅲ区位于东南帮，边坡最大标高 702 m， 边坡垂直高度 228 m; 岩体上部以散体结构为主， 易形成小规模圆弧形滑移破坏，下 部 为 块 状 结 构，除边坡中部存在规模不大的风化软弱夹层， 其完整性较好，层面与边坡面反顷或斜交，不会 直接构成边坡滑动面． ·241·

·242· 北京科技大学学报 第34卷 隙网络外，同时将岩体视为渗透系数很小的渗透连 62000 61000 续介质，研究岩块孔隙与岩体裂隙之间的水交换. 70000 等效连续介质模型在理论上比较成熟和完善 该模型用渗透张量表示介质渗透性，具有合理性，能 够反映介质的几何及渗透性的各向异性，并且计算 精度指标能够满足工程岩体渗流分析的要求回 本文采用等效连续介质模型和迦辽金有限元法 数值模拟分析，得到大顶铁矿边坡地下水渗流场的 分布规律.由于计算结果的相关图太多，选择具有 659000 代表性的北帮A-A'剖面地下水渗流场分布示于 图4边坡工程地质分区示意图 图5.图中：wh为水头高度，A-A剖面最小水头高 Fig.4 Engineering-geological zoning of the slope 度74.0m,最大水头高度230m.A-A剖面在边坡 上的位置见图4. 2.2边坡水文地质条件及地下水渗流场分析 通过系统的野外水文地质调查，包括对矿区及 其附近的出水点、泉和井的详细调查，并利用边坡工 wh:230.000 浸润线 230 程勘查孔进行了水文地质测量.在工程地质勘查的 220 T00 三个钻孔中，共进行了七次压水试验，二次提水试 验，取得了重要的水文地质数据.这三个勘查孔将 20 保存为长期水文观测孔.在此基础上，运用有限元 h74.000 法进行了边坡地下水渗流场计算，预测了边坡地下 水压力的分布规律，为后续边坡稳定性分析和优化 设计提供了必要的水压参数 图5A-A剖面边坡地下水渗流场分布（单位：m) 2.2.1矿区边坡岩体渗透性 Fig.5 Seepage distribution at A-A'section (unit:m) 根据三个钻孔的压水、提水试验和水文地质观 2.3边坡岩石物理力学性质试验及相关分析 测结果，求得边坡岩体不同深度的渗透指标参数，如 在实验室进行了岩石密度试验、声波测试、劈裂 表1所示. 试验、单轴压缩和三轴压缩试验.同时，作为对室内 表1岩体渗透性参数 试验数据的补充，在现场进行了160组岩样的点荷 Table 1 Permeability parameters of the rock mass 载试验.试验所得边坡岩石物理力学性质参数，包 段长/ 单位吸水量/ 渗透系数/ 括岩石密度p、纵波传播速度V。、横波传播速度V.、 部位 孔号 m (L'min-1.m-2) (cm's-1) 单轴抗拉强度σ，、单轴抗压强度σ。、弹性模量E、动 18.10 0.060 2.5×10-4 弹性模量Ea、泊松比v、内聚力c和内摩擦角Φ，见 B-01 12.20 0.082 1.4×10-4 表2. 9.25 0.076 1.6×10-4 由以上实验结果可以得出：(1)大顶铁矿边坡 上中部 B-02 22.41 0.021 5.3×105 岩体结构面发育，当试件中含裂隙面且方向有利时， 21.69 0.047 1.1x10-4 可发展成主要破坏面，并导致试件的强度仅为正常 B-03 32.62 0.006 1.6×10-5 值的1/3~1/2：(2)岩石抗拉强度仅为抗压强度的 下部 B-02 67.60 0.002 6.0×10-6 117~1/5,表明岩石抗拉能力很差，建议在矿山开 采过程中，应尽量避免或减少拉应力，以利于边坡 2.2.2边坡岩体地下水渗流场的分析计算 稳定 进行岩体渗流场分析主要有以下三种模型： (1)等效连续介质模型把裂隙渗流平均到岩体，采 3采场边坡稳定性分析与设计优化 用孔隙介质渗流的分析方法，即可得到等效连续介 3.1数值模拟计算与分析 质模型：(2)裂隙网络模型认为水由一个裂隙流向 3.1.1计算程序与计算模型 与之相交的另一个裂隙：(3)双重介质模型是除裂 采用有限差分计算程序FLAC2D进行计算.由

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 4 边坡工程地质分区示意图 Fig． 4 Engineering-geological zoning of the slope 2. 2 边坡水文地质条件及地下水渗流场分析 通过系统的野外水文地质调查，包括对矿区及 其附近的出水点、泉和井的详细调查，并利用边坡工 程勘查孔进行了水文地质测量． 在工程地质勘查的 三个钻孔中，共进行了七次压水试验，二次提水试 验，取得了重要的水文地质数据． 这三个勘查孔将 保存为长期水文观测孔． 在此基础上，运用有限元 法进行了边坡地下水渗流场计算，预测了边坡地下 水压力的分布规律，为后续边坡稳定性分析和优化 设计提供了必要的水压参数． 2. 2. 1 矿区边坡岩体渗透性 根据三个钻孔的压水、提水试验和水文地质观 测结果，求得边坡岩体不同深度的渗透指标参数，如 表 1 所示． 表 1 岩体渗透性参数 Table 1 Permeability parameters of the rock mass 部位 孔号 段长/ m 单位吸水量/ ( L·min － 1 ·m － 2 ) 渗透系数/ ( cm·s － 1 ) B--01 18. 10 0. 060 2. 5 × 10 － 4 12. 20 0. 082 1. 4 × 10 － 4 上中部 B--02 9. 25 0. 076 1. 6 × 10 － 4 22. 41 0. 021 5. 3 × 10 － 5 B--03 21. 69 0. 047 1. 1 × 10 － 4 32. 62 0. 006 1. 6 × 10 － 5 下部 B--02 67. 60 0. 002 6. 0 × 10 － 6 2. 2. 2 边坡岩体地下水渗流场的分析计算 进行岩体渗流场分析主要有以下三种模型: ( 1) 等效连续介质模型把裂隙渗流平均到岩体，采 用孔隙介质渗流的分析方法，即可得到等效连续介 质模型; ( 2) 裂隙网络模型认为水由一个裂隙流向 与之相交的另一个裂隙; ( 3) 双重介质模型是除裂 隙网络外，同时将岩体视为渗透系数很小的渗透连 续介质，研究岩块孔隙与岩体裂隙之间的水交换． 等效连续介质模型在理论上比较成熟和完善． 该模型用渗透张量表示介质渗透性，具有合理性，能 够反映介质的几何及渗透性的各向异性，并且计算 精度指标能够满足工程岩体渗流分析的要求［9］． 本文采用等效连续介质模型和迦辽金有限元法 数值模拟分析，得到大顶铁矿边坡地下水渗流场的 分布规律． 由于计算结果的相关图太多，选择具有 代表性的北帮 A － A !剖面地下水渗流场分布示于 图 5． 图中: wh 为水头高度，A － A !剖面最小水头高 度 74. 0 m，最大水头高度 230 m． A － A !剖面在边坡 上的位置见图 4． 图 5 A － A'剖面边坡地下水渗流场分布( 单位: m) Fig． 5 Seepage distribution at A － A' section ( unit: m) 2. 3 边坡岩石物理力学性质试验及相关分析 在实验室进行了岩石密度试验、声波测试、劈裂 试验、单轴压缩和三轴压缩试验． 同时，作为对室内 试验数据的补充，在现场进行了 160 组岩样的点荷 载试验． 试验所得边坡岩石物理力学性质参数，包 括岩石密度 ρ、纵波传播速度 Vp、横波传播速度 Vs、 单轴抗拉强度 σt、单轴抗压强度 σc、弹性模量 E、动 弹性模量 Ed、泊松比 ν、内聚力 c 和内摩擦角 Φ，见 表 2． 由以上实验结果可以得出: ( 1) 大顶铁矿边坡 岩体结构面发育，当试件中含裂隙面且方向有利时， 可发展成主要破坏面，并导致试件的强度仅为正常 值的 1 /3 ～ 1 /2; ( 2) 岩石抗拉强度仅为抗压强度的 1 /17 ～ 1 /5，表明岩石抗拉能力很差，建议在矿山开 采过程中，应尽量避免或减少拉应力，以利于边坡 稳定． 3 采场边坡稳定性分析与设计优化 3. 1 数值模拟计算与分析 3. 1. 1 计算程序与计算模型 采用有限差分计算程序 FLAC2D 进行计算． 由 ·242·

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·