带有软弱夹层(Weak Layer)的三维采矿边坡稳定性分析(3D Open Pit Analysis)

1 引言

大多数情况下，采矿边坡的稳定性分析可以按二维平面应变问题处理，这样作的原因有两个：一方面由于问题本身确实可以近似简化为二维模型，另一方面由于技术的限制，三维分析的建模和计算过程比二维分析要复杂得多。随着开采深度的不断增加，采矿边坡越来越变成一个真三维问题，边坡曲率的影响会越来越大，而且当有不连续面穿过边坡时，使用二维模型分析的结果其误差将会变得很大。

随着计算岩土力学技术的不断进步，现在三维边坡稳定性分析正逐渐流行起来，其中最典型的数值分析工具是FLAC3D, 3DEC和RS3，最典型的极限平衡法分析工具是Slide3和PLE3。这个笔记简要讨论了使用极限平衡法进行的三维采矿边坡稳定性分析。 

2 三维模型

有多种方法可以建立三维模型，最常用的方法是输入DXF文件【使用DXF文件组装块状结构的六面体网格---基本规则】，不过这种建模方法对边坡形状作了太多的简化，而且组装模型需要非常娴熟的技巧。实践中最流行的方法是通过输入几何实体(Geometry)或表面(Surface)来建立更真实的三维模型，例如【建立更真实的数值模型(2)：FLAC3D与曲面地形的集成】。

在二维极限平衡分析中，代表岩体不连续面的软弱夹层(Weak Layer)具有一定厚度，作为一种独立的材料，如下图所示。当临近边坡面有软弱夹层时，滑动面会沿着软弱夹层扩展【复合滑动面(Composite Slip Surface)破坏模式；使用BLOCK算法搜索边坡的最小滑动面】。在三维极限平衡分析中，仅把不连续面作为一个面，类似于界面元(Interface Element)，给不连续面赋值强度参数但不设置厚度，滑动面的路径与二维分析相似。滑动面的搜索方法是极限平衡法的核心，当进行三维分析时，不必再区分是圆形滑动面还是非圆形滑动面。

3 应用实例

下图所示的模型通过导入两个surface建立，首先导入底层表面，代表"Hard Rock"，然后导入上层表面，代表边坡"Rock"。输入的平面代表不连续面"Weak Rock"。材料均采用Mohr-Coulomb模型。GLE/M-P的计算结果FOS=1.466。这个例子复制了【三维极限平衡岩石边坡稳定性分析流程(PLE) [两种地层+一个软弱滑动面]】，主要检查了软弱夹层对安全系数的影响。

显然软弱夹层的空间位置和强度影响着滑动面的路径和安全系数。当软弱层的倾角由初始的35°改变为45°时，FOS=1.585,这意味着滑动面与软弱面的相交部分减少；当把"Weak Rock"的粘结力由1kPa改变为10kPa时，FOS=1.469，这显示出粘结力对安全系数的影响不大，相比之下，内摩擦角对安全系数的影响更大，当把Phi由25°改变为35°时，FOS=1.589。

4 结束语

采矿边坡三维稳定性分析比二维稳定性分析的计算结果更准确，能够揭示出更复杂的破坏机理。除了输入地形表面建立三维模型外，一个更直接的方法是输入各种采矿软件【综合的地质、资源模拟、矿山规划和生产软件-Surpac 2020 块体模拟(Block Modeling)】建立的块体模型(Block Model)。