0 引言

随着工程建设的不断推进，在降雨、地震、爆破作用等外部环境因素作用下，边坡稳定性研究变得更加复杂和紧迫（尹超等，2018；韩廷文等，2019；王江平等，2022；李晶等，2023）。降雨是引发边坡失稳的重要自然因素之一。吴旭敏等（2022）通过建立特定边坡的 GeoStudio 模型分析了降雨入渗对边坡稳定性的影响，揭示了短时强降雨对边坡稳定性的显著影响，强调了降雨入渗对边坡安全的威胁。此外，夏艺峰等（2019）对风化混合花岗岩边坡在强降雨作用下的稳定性进行了深入分析，进一步证实了降雨对边坡稳定性的负面影响。王强和吴尚 （2019）利用FLAC3D软件研究了爆破振动载荷对露天边坡稳定性的影响，发现在一定条件下边坡仍能保持稳定状态，但也强调了准确评估爆破活动对边坡稳定性影响的重要性。廖赞（2023）采用极限平衡法和离散元法对某水电站高边坡进行稳定性分析，强调了综合方法在解决实际问题中的重要性。邓东平等（2023）改进了 Sarma 方法，针对节理岩质边坡提出了新的稳定性分析方法，表明了在特定地质条件下分析方法的创新是必要的。Zhou et al. （2023）和平曈其等（2015）的研究则聚焦于地震作用下边坡稳定性的影响，揭示了地震力对边坡稳定性具有显著影响的证据。尹永明等（2023）在广东某建筑砂岩矿露天采场的设计边坡稳定性分析中，强调了降雨对边坡稳定性的影响，同时指出了预防措施的重要性。周正山等（2024）则从降雨和地震耦合作用的角度，综述了黄土边坡稳定性的研究进展，为黄土地区边坡稳定性分析提供了理论基础。陈景松等（2024）通过分析不同降雨类型下混合花岗岩路堑边坡的稳定性，揭示了降雨类型和强度对边坡稳定性的具体影响，为边坡防护措施的设计提供了重要参考。乔文号等（2020）和袁中夏等 （2022）研究发现，边坡的稳定性受地震和降雨影响较大，尤其是对土体表层和浅层的影响明显。

综上所述，边坡稳定性分析是一个多学科、多因素综合作用的复杂问题（徐晓东和杜文秀， 2023）。本文综合分析相关领域研究文献，通过数值模拟和理论分析等方法，研究了边坡在不同外部因素影响下的失稳机理，为边坡稳定性评估和治理提供科学依据。未来的研究应进一步探索新的理论模型、提高分析方法的精确性，并开发更有效的边坡稳定性预测和防治技术。同时，加强实际工程案例的研究，将理论研究成果应用于实践对于促进岩土工程领域的发展至关重要（刘杨等，2022；刘胤等，2022；赵玉凯等，2024）。

1 工程概况

1.1 矿山基本情况

如图1所示，矿区所处地区属低山丘陵，位于云浮市云安区城区 257°方向，直距约 5 km，中心点地理坐标：东经111°56′46″，北纬23°03′47″。行政区划隶属云浮市云安区六都镇管辖。面积约 0.2952 km²，区内海拔标高最高279.7 m，最低66.8 m，最大相对高差 212.9 m。区内植被为杂草、灌木、桉树，较发育。地面坡度30°～40°。

从内部因素看，矿区表层主要由砂岩风化坡残坡积土组成，呈散体状结构，平均厚度 6.2 m，地表植被发育，自然堆积斜坡坡角30°～40°，其物理学性质较差，遇水易软化崩解，稳定性较差。表层下部破碎较坚硬—坚硬岩组主要由强—中风化石英砂岩组成，平均厚度 57.9 m，风化程度自上而下逐渐减弱，据钻孔揭露资料，其原始岩体结构大部分被破坏，岩石被风化成砂粒状、碎块状，局部风化成黏土，岩石力学性质软弱，稳固性差。

从外部因素看，该区域年平均降雨量1800 mm，最大达 1916.30 mm（1994 年），日最大降雨量 157.70 mm，雨量多集中在4—6月，强降雨或短时大暴雨，对边坡上部强风化岩和第四系松散堆积边坡冲刷破坏作用明显，甚至导致局部损毁，对中风化岩边坡破坏则不明显，主要导致局部浮石掉块。且雨水主要沿斜坡径流并向山间沟谷处以泉的形式排泄，或以径流方式向区域孔隙潜水含水层排泄。在强降雨条件下，边坡裂隙渗水有可能发展为涌水，对局部边坡坡面和坡底，产生一定的冲刷破坏。同时强降雨使地下水量剧增，加剧了地下水对边坡的破坏。且在矿山爆破作用下，爆破裂隙和节理裂隙的形成会削弱边坡岩体的强度，其次雨水浸蚀和风化则进一步降低岩体的稳定性。随着时间推移，这些因素会导致边坡出现掉块，甚至引发滑坡事件。

因此，研究爆破地震波的传播以及降雨冲刷影响，判定地震以及降雨对围岩的影响程度及影响范围，边坡稳定性的设计尤为关键，采用爆破动荷载数值以及利用GEO-studio Seep模拟手段，研究在爆破以及降雨工况下对边坡稳定性的影响，为附近区域的边坡岩体设计支护提供有效的理论依据。

1.2 矿区边坡等级划分

根据按照《非煤露天矿边坡工程技术规范》 （GB 51016—2014），矿区边坡的划分Ⅰ区为低边坡，海拔范围为+212.77 m至+167 m。而Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区为中边坡，其海拔范围各不相同。考虑到边坡失稳可能带来严重后果，该矿区边坡被评定为Ⅰ级危险等级，因此有特定的安全系数要求，详见表1。

注：荷载组合I为“自重+地下水”；荷载组合Ⅱ为“自重+地下水+ 爆破振动力”；荷载组合Ⅲ为“自重+地下水+地震力”。

1.3 矿山边坡分区

为了确保边坡设计的准确性和稳定性，必须对采场进行详细的工程地质分区。这涉及考虑岩性、构造、工程地质和水文地质条件，并将采场划分为不同的区段。在每个区段内，根据边坡的几何要素、产状等因素，建立相应的地质和边坡结构模型，为边坡稳定性计算提供准确的基础依据。边坡分区结果如图2所示。

2 二维边坡稳定性分析

根据 2022年 4号文《关于加强非煤矿山安全生产工作的指导意见》规范，Ⅰ区边坡高度不超过100 m，因此该报告稳定性分析涉及3个边坡分区4个剖面，其中，Ⅱ区包括C、D剖面，Ⅲ区包括E剖面，Ⅳ区包括F剖面，具体剖面位置及分布如表2所示。

2.1 岩土力学参数

在进行钻孔取样后，对采场的中风化砂岩和微风化砂岩进行物理力学以及现场原位土工试验，以获取岩土体的物理力学参数。如图3 所示，图中为实验的单轴以及三轴的加载设备，根据实验结果以及岩石的质量评价，利用广义霍克布朗准则进行折减，得到各岩层参数如表3所示。

a—单轴试验机；b—三轴试验机

2.2 计算结果

本文主要运用 Geo-Studio 软件里的 Seep/w、 Slope/w模块。采用饱和-非饱和渗流理论边坡的渗流场变化规律，将渗流场计算结果和非饱和抗剪强度相结合，分析采场边坡稳定性变化规律，如图4所示。因篇幅要求，只列举A剖面进行分析计算。

根据计算结果分析，在不同荷载组合下，各个分区的边坡安全系数计算结果如表4 所示，各个区域的边坡安全系数均处于规范要求的范围内，具体为 1.381~3.709。此外，每个分区的剖面的边坡角度均存在优化的可能性。特别值得注意的是，Ⅱ区的两个剖面和Ⅲ区的一个剖面的安全系数明显高于其他区域，这主要源于这些剖面的边坡高度较低，且软弱地层较薄，从而使其在受力条件下更为稳定。

3 三维稳定性分析

FLAC3D软件是解决岩土工程三维问题的分析工具。采用显式拉格朗日格式和混合离散划分技术，保证了塑性破坏和流动模型的精确性。

3.1 计算模型

为了科学、合理评估露天采场的稳定性状态，采用了三维数值模型以还原地质原型。尽管采场物质结构复杂且勘察工作受限，边坡实际情况在建模过程中经过适度理想化处理。通过采集和分析采场地表、钻探资料以及露天开采设计最终境界等数据，导入犀牛软件并执行嵌面、布帘、复制等操作，形成实体。最后，利用 Griddle 插件完成网格划分，从而成功建立了露天采场现状开采境界的真三维数值计算模型如图5所示。

初始边界条件为在模型侧面及地面均施加法向约束，即模型左右 2个界面约束 x方向位移，前后两个界面约束 y方向位移，底面约束 x、y和 z方向的位移。

3.2 计算结果

在强度折减法中，边坡稳定的安全系数被定义为岩土体的实际抗剪强度与临界破坏时经过削弱后的剪切强度的比值。该比值反映了边坡在达到临界破坏状态时岩土体抗剪强度的实际减弱程度。强度折减法的要点在于运用特定公式进行准确计算。公式如下：

a—荷载组合Ⅰ（Bishop法）图；b—荷载组合Ⅰ（M-P法）图；c—荷载组合Ⅱ（Bishop法）图；d—荷载组合Ⅰ（M-P法）图；e—荷载组合Ⅲ（Bishop 法）图；f—荷载组合Ⅲ（M-P法）图

式（1）中：C_F—折减后的黏聚力（Pa）；φ—折减后的摩擦角（°）；F_trial —折减系数。

通过对岩土体强度参数进行调整，进行边坡稳定性的数值分析。随后，逐步增加折减系数并反复计算，直至边坡达到临界破坏状态。在此时获得的折减系数即为安全系数Fs。

（1）自重+地下水的荷载组合

如图6所示，采场边坡剪应变增量为1.51，主要位于采场边坡分区各区坡顶。经现场调查可知，Ⅰ 区出现崩塌迹象，边坡平台区域已修建挡石墙，墙内落石已出现淤塞迹象，需要及时清理。整体安全系数为1.918，满足规范要求。

（2）自重+地下水+地震的荷载组合

采用静力法模拟地震震动，如图7所示，采场边坡最大剪应变增量区域为1.49，主要位于采场边坡各区坡顶。整体安全系数为 1.91，满足规范要求。其安全系数较自重与地下水工况条件下安全系数减少0. 008，说明地震对边坡稳定性具有一定影响，使得边坡整体安全性降低。

（3）边坡降雨渗流模拟

采用已知的渗透系数进行渗流模块赋值，根据水文地质调查结果，确定此次降雨时间为24 h，分析降雨条件下的孔隙水压力分布特性，降雨强度取日最大降雨量进行计算，同时选取地表为降雨入渗面。

如图8 所示，图中为降水 24 h 过程中模型孔隙水压力云图，结果显示：边坡下部完整程度较好的砂岩受降雨影响较小，只有少量雨量渗入。而上部土层由于渗透性能较好，降雨通过该层土体继续向下渗透，直至强-中风化岩层。

4 结论

根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》 （GB 51016-2014）的规定，选定适当的安全系数后，利用 Geo-Studio 中的简化 Bishop 法和 M-P 法进行了边坡稳定性分析。结果表明：

（1）在3种荷载组合下，各现状边坡的整体安全系数均符合要求。

（2）同时，FLAC 3D软件采用强度折减法分析了矿山边坡的潜在滑动区域，发现主要位于各区坡顶区域。且 24 h降雨模拟结果显示，雨量主要渗入采场上覆土层，对完整程度较好的砂岩影响较小。

（3）为确保未来开采过程中的稳定性，建议矿方特别关注上覆土层边坡稳定性，可能需要适当减缓土层边坡角度，以提高矿区边坡整体稳定性。

参考文献