1 引言

大多數(shù)情況下，采礦邊坡的穩(wěn)定性分析可以按二維平面應(yīng)變問題處理，這樣作的原因有兩個(gè)：一方面由于問題本身確實(shí)可以近似簡(jiǎn)化為二維模型，另一方面由于技術(shù)的限制，三維分析的建模和計(jì)算過程比二維分析要復(fù)雜得多。隨著開采深度的不斷增加，采礦邊坡越來越變成一個(gè)真三維問題，邊坡曲率的影響會(huì)越來越大，而且當(dāng)有不連續(xù)面穿過邊坡時(shí)，使用二維模型分析的結(jié)果其誤差將會(huì)變得很大。

隨著計(jì)算巖土力學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在三維邊坡穩(wěn)定性分析正逐漸流行起來，其中最典型的數(shù)值分析工具是FLAC3D, 3DEC和RS3，最典型的極限平衡法分析工具是Slide3和PLE3。這個(gè)筆記簡(jiǎn)要討論了使用極限平衡法進(jìn)行的三維采礦邊坡穩(wěn)定性分析。 

2 三維模型

有多種方法可以建立三維模型，最常用的方法是輸入DXF文件【使用DXF文件組裝塊狀結(jié)構(gòu)的六面體網(wǎng)格---基本規(guī)則】，不過這種建模方法對(duì)邊坡形狀作了太多的簡(jiǎn)化，而且組裝模型需要非常嫻熟的技巧。實(shí)踐中最流行的方法是通過輸入幾何實(shí)體(Geometry)或表面(Surface)來建立更真實(shí)的三維模型，例如【建立更真實(shí)的數(shù)值模型(2)：FLAC3D與曲面地形的集成】。

在二維極限平衡分析中，代表巖體不連續(xù)面的軟弱夾層(Weak Layer)具有一定厚度，作為一種獨(dú)立的材料，如下圖所示。當(dāng)臨近邊坡面有軟弱夾層時(shí)，滑動(dòng)面會(huì)沿著軟弱夾層擴(kuò)展【復(fù)合滑動(dòng)面(Composite Slip Surface)破壞模式；使用BLOCK算法搜索邊坡的最小滑動(dòng)面】。在三維極限平衡分析中，僅把不連續(xù)面作為一個(gè)面，類似于界面元(Interface Element)，給不連續(xù)面賦值強(qiáng)度參數(shù)但不設(shè)置厚度，滑動(dòng)面的路徑與二維分析相似。滑動(dòng)面的搜索方法是極限平衡法的核心，當(dāng)進(jìn)行三維分析時(shí)，不必再區(qū)分是圓形滑動(dòng)面還是非圓形滑動(dòng)面。

3 應(yīng)用實(shí)例

下圖所示的模型通過導(dǎo)入兩個(gè)surface建立，首先導(dǎo)入底層表面，代表"Hard Rock"，然后導(dǎo)入上層表面，代表邊坡"Rock"。輸入的平面代表不連續(xù)面"Weak Rock"。材料均采用Mohr-Coulomb模型。GLE/M-P的計(jì)算結(jié)果FOS=1.466。這個(gè)例子復(fù)制了【三維極限平衡巖石邊坡穩(wěn)定性分析流程(PLE) [兩種地層+一個(gè)軟弱滑動(dòng)面]】，主要檢查了軟弱夾層對(duì)安全系數(shù)的影響。

顯然軟弱夾層的空間位置和強(qiáng)度影響著滑動(dòng)面的路徑和安全系數(shù)。當(dāng)軟弱層的傾角由初始的35°改變?yōu)?5°時(shí)，F(xiàn)OS=1.585,這意味著滑動(dòng)面與軟弱面的相交部分減少；當(dāng)把"Weak Rock"的粘結(jié)力由1kPa改變?yōu)?0kPa時(shí)，F(xiàn)OS=1.469，這顯示出粘結(jié)力對(duì)安全系數(shù)的影響不大，相比之下，內(nèi)摩擦角對(duì)安全系數(shù)的影響更大，當(dāng)把Phi由25°改變?yōu)?5°時(shí)，F(xiàn)OS=1.589。

4 結(jié)束語

采礦邊坡三維穩(wěn)定性分析比二維穩(wěn)定性分析的計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，能夠揭示出更復(fù)雜的破壞機(jī)理。除了輸入地形表面建立三維模型外，一個(gè)更直接的方法是輸入各種采礦軟件【綜合的地質(zhì)、資源模擬、礦山規(guī)劃和生產(chǎn)軟件-Surpac 2020 塊體模擬(Block Modeling)】建立的塊體模型(Block Model)。