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0 引言
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随着矿山资源的不断减少，矿山开采逐渐转向深入，出现了越来越多的高陡边坡发生严重的变形、滑坡等灾害，造成重大的人员伤亡和财产损失 （黄润秋，2008；何满潮，2009；杨天鸿等，2011；刘光旭等，2014；李浩荡等，2019）。因此，有效评估边坡稳定性在矿山安全生产中扮演着举足轻重的角色，为安全生产提供了重要的指导方向。
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学者们已经对如何有效地评价边坡稳定性进行了大量深入研究工作。林永春等（2023）研究了凸型几何形态和地下水渗出等内部因素对金属露天矿山高陡边坡变形的影响规律。（林永春，2023） 吴礼军等利用 Geo-Studio 软件深入分析边坡稳定性，并探究回采过程中爆破振动的规律（杨仕教等， 2010；王建国等，2012；周子涵等，2020；吴礼军和徐文彬，2022；王子一等，2023）。叶志程等以某工程边坡为实例，采用 GEOSTUDIO 软件，系统分析了地震单独作用及地震与降雨共同作用下的边坡稳定性（缪丹，2008；叶志程和杨溢，2024）。尹永明等以广东某建筑砂岩矿为研究对象，采用 Geo-Studio 软件中的 Slope/W 模块运用极限平衡法，并结合 FLAC3D 软件中的强度折减法，对采场设计边坡的稳定性进行了综合分析（潘祖瑛和李二宝，2019；尹永明等，2023）。毛正君等（2021）深入研究了渭北石灰岩露天采区高陡边坡的破坏模式，并运用 FLAC3D数值模拟软件进行计算。屈春来等（2012） 结合赤平极射投影与三维离散元计算方法，确定某露天矿高陡边坡的潜在破坏模式。吴迪等建立了地震作用下三维边坡的极限分析方法，探讨了地震对三维土坡稳定系数、最危险滑动面及等效 MC 强度参数的影响机制（郭建军和王俊杰，2023；吴迪等，2024）。苏振宁和邵龙谭（2022）提出了一种基于有限元弹塑性应力场和极限平衡状态的三维边坡稳定分析方法，得出了该方法滑动方向假设合理。
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本文以四川省某露天矿石灰岩质高陡边坡为研究对象，通过赤平投影分析对岩质边坡进行稳定性分析，选用基于强度理论的刚体极限平衡法与二维有限元数值模拟、三维数值模拟进行相互验证比较对边坡进行稳定性评价，为高陡边坡的稳定性研究和治理提供数据支持。
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1 矿山基本情况
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矿区整体地形为北东—南西向的单向斜坡，岩体主要以中厚层灰岩为主，部分为钙质泥岩夹薄层状泥灰岩，为软弱性岩质，根据开发利用方案及现场调查，该侧坡体分级开采，目前该侧形成平台 865~955 m共7级，各级台阶高差约15 m，边坡最高约983 m，最低约865 m，最大高差约118 m。边坡长度约 220~430 m，平均长度约 360 m，边坡倾向为 212°，开挖坡体宽度约 135 m，边坡整体坡度约 42°，各台阶坡度 70°~80°，开挖平台宽度约 10~25 m。坡体为人工开挖岩质边坡，岩性为中风化灰岩（T1f4），现场测得该区域的岩层产状为：230°~240°∠13°~20°，坡面无地下水出露，边坡现状图如图1所示。
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图1 边坡现状图
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该剖面结构面主要以挤压或错动带的形式出现，具有断续分布的破裂面，大部分无充填，少量方解石脉与泥质充填。根据其倾向玫瑰花图可获悉其展布的优势方位主要有3组，90°～120°∠52°～86°、 150°～160°∠67°~89°和 180°～200°∠60°~88°；其中倾向90°～120°∠52°～86°（平均倾向108°，平均倾角 74°）与180°～200°∠60°~88°（平均倾向186°，平均倾角72°），两组优势结构面最为发育，节理间距2~10 m，结构面走向玫瑰花图、极点等密度图如图2所示。
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图2 结构面走向玫瑰花图、极点等密度图
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a—玫瑰花图；b—极点等密度图
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2 边坡赤平投影分析
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根据现场剖面调查结果及相关资料，采用赤平投影分析三面边坡的岩体结构特征，进行判断边坡的稳定性特征。
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该边坡位于采区北东侧，采矿开挖后形成高度约 120 m 岩质边坡（局部少量残坡积层），边坡倾向为 212°，整体坡度约 42°，岩层产状 242°∠17°；边坡主要受Ⅲ级结构面控制，结构面产状 18°∠80°、113° ∠74°、180°∠85°。边坡赤平投影图如图3所示。
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图3 边坡赤平投影图
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岩层层面与边坡小角度相交，形成顺向坡，层面倾角小于坡面倾角，岩层层面对边坡稳定性起控制作用；裂隙L1、L2与边坡大角度相交，对边坡稳定性影响较小；裂隙 L3 与边坡小角度相交，对边坡稳定性有一定影响；L1与 L3交点位于坡面外，对边坡稳定性影响小；裂隙L1、L2、L3与岩层层面交点均位于坡面内，对边坡稳定性有一定影响。边坡稳定性主要受岩层层面控制，结构面裂隙对稳定性有一定影响，岩层层面倾角小于坡面倾角，有失稳的风险。
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3 边坡稳定性分析
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3.1 参数选取
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本文基于采场边坡现场调查、结构面特征分析、岩体质量分级，参照《工程岩体试验方法标准》 （GB/T50266-2013）以及《室内岩石力学试验》，矿山边坡的岩体及结构面参数取值，通过岩石力学试验成果、GSI 岩体强度参数估算、工程经验类比、规范参数类比等手段进行综合取值，并按照《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016-2014），对爆破振动力和地震力荷载采用拟静力法实现，计算过程中岩土体物理力学参数取值如表1所示。
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3.2 荷载组合
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根据《非煤露天矿工程技术规范》（GB 51016-2014），该矿山边坡稳定性计算荷载组合主要分为3 种，荷载组合如表2所示。
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3.3 基于强度理论的刚体极限平衡法稳定性计算
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本文参照《岩石密度试验》和《非煤露天矿山工程技术规范》GB51016-2014附录C公式计算获得边坡整体稳定性计算参数取值，地震荷载及爆破振动力作用下参数取值如表3 所示。借助 GeoStudio 软件Slope模块、Seep模块和Quake模块的耦合及M-P 算法进行圆弧搜索，分析矿区边坡整体稳定性，剖面在不同荷载组合条件下的安全系数计算如图4~图6 所示。矿区边坡整体稳定性计算结果如表4 所示。
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图4 荷载组合Ⅰ
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图5 荷载组合Ⅱ
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图6 荷载组合Ⅲ
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经计算，剖面在不同荷载组合条件下的稳定性均较好，满足边坡安全系数规范要求。
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3.4 基于有限元法的二维有限元数值计算
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有限元数值模拟分析对边坡变形特征的研究具有重要意义，本节借助 Geo-studio2012 软件的 SIGMA/W模块和QUAKE/W基于有限元理论对模型进行应力应变问题分析，岩土体的破坏遵循莫尔— 库伦准则。
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3.4.1 剖面确定
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本节根据调查结果得知研究区并无大的贯通性结构面，仅存在小规模节理裂隙发育，故二维有限元计算模型主要关注软弱夹层对边坡稳定性的影响，未涉及节理裂隙的影响，剖面计算模型如图7 所示。
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3.4.2 自重+地下水
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根据图8、图9 所示，边坡总应力主要体现为压应力，坡表局部有拉应力特征。随着深度增加，压应力逐渐增强。开挖坡表应力约 0.4 MPa，坡脚处因卸荷回弹产生约 0.2 MPa 的拉应力集中，坡度转变区域出现应力集中现象主要位于坡脚位置，认为自重+地下水作用下边坡稳定性整体较好。
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图7 边坡剖面数值计算模型
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图8 最大总应力云
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图9 最小总应力云图
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3.4.3 自重+地下水+爆破振动力
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根据图10、图11所示，边坡最大最小总应力也表现出以压应力为主，坡表局部出现拉应力的特征，且压应力随着深度的增加逐渐增大，剖面坡表拉应力约为 0.5 MPa，由于卸荷回弹坡体坡脚出现小范围拉应力集中现象，约为0.2 MPa，坡度转变区域出现应力集中现象主要出现在坡脚位置，认为自重+ 地下水+爆破振动力作用下边坡稳定性整体较好。
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3.4.4 自重+地下水+地震力
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根据图12、图13 所示，边坡最大最小总应力表现出以压应力为主，坡表局部出现拉应力的特征，且压应力随着深度的增加逐渐增大，剖面坡表应力约为 0.5 MPa，坡体中部由于开挖卸荷出现小范围拉应力集中现象，约为0.2 MPa，坡度转变区域出现应力集中现象主要集中出现于坡脚位置，认为自重+地下水+地震力作用下边坡稳定性整体较好。
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图10 最大总应力云图
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图11 最小总应力云图
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图12 最大总应力云图
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图13 最小总应力云图
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3.5 基于变形理论的三维有限差分数值模拟计算
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本节针对研究区开展 FLAC3D 数值模拟，构建的计算模型主要采用四节点四面体网格单元，分析 3种工况下的最大、最小主应力及位移应变图。
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3.5.1 自重+地下水
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边坡自重+地下水作用下的边坡稳定性分析，主要通过应力场的分布特征进行分析，以下是通过数值计算得到的研究区各部位应力场特征，研究区天然状态应力场如图14、图15 所示，边坡剖面最小主应力值约为 0. 00256 MPa，坡体顶部局部区域有拉应力，约为 0.59 MPa。剖面最大主应力值约为 5.758×10-4 MPa，在坡表现为拉应力。
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3.5.2 自重+地下水+爆破振动力
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由于计算模型所覆盖的研究区范围较大，在各种不同荷载组合条件下，研究区的应力场调整相对较小。自重+地下水+爆破振动力作用下研究区的稳定性分析将通过边坡的变形特征、剪应变增量特征等来进行分析，如图16、图17所示。边坡在自重+ 地下水+爆破振动力作用下剖面位移最大主要出现在坡体后缘坡表，位移量较大，最大位移约为 0. 0768 cm，边坡的坡脚等部位变形较小，边坡稳定性整体较好。最大剪应变增量主要集中出现在坡体后缘岩层交界部位，坡脚部位剪应变增量较小，说明边坡出现变形部位以坡体后缘为主。
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图14 剖面最小主应力云图
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图15 剖面最大主应力云图
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3.5.3 自重+地下水+地震力
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研究区的稳定性分析也将通过边坡的位移特征、剪应变增量特征等来进行分析，如图18、图19所示。该剖面位移最大主要出现在坡体后缘顶部，位移量较小，约为 0.3806 cm，坡脚等部位位移较小，说明边坡稳定性整体较好。
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图16 剖面位移云图
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图17 剖面最大剪应变增量云图
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图18 剖面位移云图
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图19 剖面最大剪应变增量云图
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坡面最大剪应变增量主要集中出现在坡体后缘中部，坡脚等部位剪应变增量不明显，坡体前缘底部的剪应变增量突变位置为岩层交界处，说明边坡变形主要集中于坡体后缘。
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4 总结
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（1）基于刚体极限平衡法的分析结果认为，不同荷载组合条件下边坡整体稳定性系数均较高，该剖面最低稳定性系数为 2.674，大于规范要求安全系数值。
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（2）二维有限元和三维数值模拟结果表明：不同荷载组合条件下边坡最大、最小主应力变化较小，边坡整体位移也较小，应力集中部位主要出现在坡度明显变化部位，局部范围内应力量值较小，边坡整体稳定性较好。
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（3）强度理论的刚体极限平衡法与二维有限元和三维数值模拟分析可以很好地进行相互检验对比，为边坡稳定性定性分析提供了另一种验证方法。
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参考文献
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郭建军， 王俊杰 . 2023. 地震作用下反倾岩土复合边坡稳定性分析 ［J］. 重庆交通大学学报（自然科学版）， 42（1）： 74-82.
-
何满潮 . 2009. 滑坡地质灾害远程监测预报系统及其工程应用［J］. 岩石力学与工程学报， 28（6）： 1081-1090.
-
黄润秋 . 2008. 岩石高边坡发育的动力过程及其稳定性控制［J］. 岩石力学与工程学报， （8）： 1525-1544.
-
李浩荡， 佘长超， 周永利， 黄玉凯 . 2019. 我国露天煤矿开采技术综述及展望［J］. 煤炭科学技术， 47（10）： 24-35.
-
林永春， 徐兴港， 李永昌， 肖亚辉， 张朝辉 . 2023. 金属露天矿山凸型渗水高陡边坡监测变形规律研究［J］. 中国安全生产科学技术， 19（S1）： 60-66.
-
刘光旭， 席建超， 戴尔阜， 吴文祥. 2014. 中国滑坡灾害承灾体损失风险定量评估［J］. 自然灾害学报， 23（2）： 39-46.
-
毛正君， 毕银丽， 李成， 陈建平， 孙魁， 张瑾鸽， 连海波， 刘伟. 2021. 渭北石灰岩露天采区高陡边坡破坏模式及形态优化研究［J］. 西北地质， 54（4）： 211-226.
-
缪丹. 2008. 降雨及地震对九黄机场高填方边坡稳定性影响［D］. 成都： 成都理工大学.
-
潘祖瑛， 李二宝 . 2019. 基于 GEO-SLOPE的某露天矿边坡稳定性分析［J］. 现代矿业， 35（8）： 237-239.
-
屈春来， 乔兰， 李远 . 2012. 某深凹露天矿高陡边坡破坏模式分析 ［J］. 矿冶工程， 32（5）： 4-6.
-
苏振宁， 邵龙潭 . 2022. 基于有限元极限平衡法的三维边坡稳定性 ［J］. 工程科学学报， 44（12）： 2048-2056.
-
王建国， 栾龙发， 张智宇， 李祥龙， 凡春礼 . 2012. 爆破震动对高陡边坡稳定影响的数值模拟研究［J］. 爆破， 29（3）： 119-122.
-
王子一， 吴桂义， 罗畅， 郑行行. 2023. 多次爆破振动下陡边坡振动响应及稳定性研究［J］. 爆破， 40（3）： 158-169， 176.
-
吴礼军， 徐文彬. 2022. 邻近高陡边坡采矿爆破振动规律及边坡稳定性分析［J］. 工程爆破， 28（4）： 113-119.
-
吴迪， 王钰轲， 陈欣 . 考虑地震作用和非线性强度的三维土坡极限分析［J/OL］. 力学学报， 1-10. ［2024-04-07］. http： //kns. cnki. net/kcms/detail/11. 2062. O3. 20240321. 1550. 003. html.
-
杨仕教， 罗辉， 喻清， 刘超， 杨冬生 . 2010. 高陡边坡爆破震动动力可靠性评价方法研究［J］. 武汉理工大学学报， 32（9）： 85-88.
-
杨天鸿， 张锋春， 于庆磊， 蔡美峰， 李海洲 . 2011. 露天矿高陡边坡稳定性研究现状及发展趋势［J］. 岩土力学， 32（5）： 1437-1451， 1472.
-
叶志程， 杨溢. 2024. 地震及地震降雨耦合作用下边坡的稳定性分析 ［J］. 武汉大学学报（工学版）， 57（2）： 142-151.
-
尹永明， 朱强， 张小军， 王猛. 2023. 广东某建筑砂岩矿露天采场设计边坡稳定性分析［J］. 中国安全生产科学技术， 19（S1）： 104-109.
-
周子涵， 陈忠辉， 王建明， 张凌凡， 年庚乾 . 2020. 爆破荷载作用下露天矿边坡稳定性的突变研究［J］. 岩土力学， 41（3）： 849- 857， 868.
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摘要
为研究高陡露天边坡的稳定性，本文以四川省某露天矿石灰岩质边坡为工程背景，选取 1个典型剖面分析，运用赤平投影分析法对岩质边坡的稳定性进行分析评价，并采用强度理论的刚体极限平衡法与二维有限元数值模拟、三维数值模拟等进行了相互验证比较分析。研究结果表明：1个典型剖面在3种工况下的整体边坡安全系数均符合规范要求值，边坡整体稳定性较好。所得结论对后期施工设计提供了理论依据及数据支持，同时为类似工程的边坡稳定性分析提供了参考。
Abstract
In order to study the stability of high and steep open-pit slope， taking the limestone slope of an open-pit mine in Sichuan Province as the engineering background， a typical profile analysis was selected， and the stability analysis and evaluation of rock slope were carried out by using the stereographic projection analysis method. The rigid body limit equilibrium method of strength theory， two-dimensional finite element numerical simulation and three-dimensional numerical simulation were used to verify and compare each other. The research results show that ：The overall slope safety factor of a typical section under three working conditions meets the requirements of the specification， and the overall stability of the slope is good. The conclusions obtained provide theoretical basis and data support for the later construction design， and provide reference for the slope stability analysis of similar projects.
