山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿拟利用山岛金矿露天采场进行干式尾矿充填。为确保工程安全顺利实施，有必要对暴露多年的露天边坡稳定性进行分析评价，并提出工程治理对策。
边坡稳定性一直是岩土工程的重要研究课题之一。边坡失稳引起的滑坡、落石、塌陷、泥石流等，随时可能带来严重的破坏甚至不可估量的灾难。
对于边坡稳定性的评价，目前通常通过计算给出一个安全系数来表示边坡的稳定性。计算安全系数的方法主要有极限平衡法、能量法和强度折减法。随着计算机技术和数值分析方法的发展，采用强度折减法计算边坡安全系数成为一种新的趋势。本文选取安全系数作为边坡稳定性分析参数，并考虑边坡位移和塑性区分布特征，对露天矿三维边坡进行稳定性计算分析。
一、项目概况
莱州市仓上金矿位于莱州市北25公里处，尾矿填埋场位于莱州市三山岛街道仓上露天矿。
上仓矿区位于胶东半岛西北部的莱州湾上，北、西濒临渤海，属沿海平原，地势平坦。第四系发育，覆盖广，厚度大。矿区地势东高西低，南高北低。地势平缓，向西北倾斜。露天矿北侧隆起，地面标高10 ~ 20m，东、西、南三面为滨海平原，地面标高2.2 ~ 4.3m，露天矿北侧为仓上村，相距50 ~ 200m；南面和西面是垃圾场，大约60米和40米高；东北30米处有房屋；东面20m处有一个3m深的坑，有积水；东侧200米处为新立分公司矿(选矿厂)；西南、东、东南为农田。
(1)地层岩性
上仓矿区的岩浆岩主要有马莲庄超单元变辉绿岩、栖霞超单元英云闪长岩、玲珑超单元斑状二长花岗岩、郭家岭超单元巨型花岗闪长岩、煌斑岩和辉绿岩。岩石等级为ⅷ ~ ⅸ(普氏系数f为10 ~ 12)。建设场地岩性为花岗岩、绢云母化花岗岩、混合岩化角闪岩等。
(2)区域地质构造
上仓矿床位于胶东半岛西北部，在构造位置上处于胶北隆起的西缘，西侧与木易断裂带相邻。
上仓矿区主要构造形式为褶皱和断裂，且以断裂为主。根据产状顺序和与矿石的关系，可分为控矿断层和矿后断层。前者为仓上断裂带，后者有北东向和北西向断裂。
岩体产状和节理裂隙间距统计结果表明，结构面走向以北西向为主，倾向北东向。结构面间距0.1~0.5 m，结构面组数2 ~ 3组，主要结构面组合较差，岩体完整性较破碎。
(3)地下水情况
实地考察发现，仓上矿区主要有三个下降泉，均来源于第四系水，分别位于西北坡、东坡和南坡，但流量不大，且与季节性降雨关系密切，干旱时会断流。
露天坑底部南坡西侧有裂隙水出露，流量约0.01m3/h，流量稳定。可见现场水文条件简单。
二、露天矿边坡的变形破坏特征
上仓露天矿东帮、南帮、北帮破碎，西帮较完整。滑坡、危岩和崩塌是露天矿边坡的主要变形和破坏形式。共有四个主要滑坡区，自西向东编号为1号至4号滑坡，其中2号和3号滑坡较为严重。有两大塌陷区，自西向东编号为5 ~ 6。南坡危岩随处可见。露天矿上部边坡的滑坡和崩塌如图1所示。
图1中危岩和崩塌是由于露天开采暴露时间长、风吹日晒雨淋造成的岩体风化。在北坡，只有3号和4号滑坡之间的坡顶有明显的崩塌，东北坡、东坡和南坡的坡顶都有危岩，危岩随处可见。在蔡考察期间，下了几次大雨。雨后，大量碎石顺着北坡和南坡滑落，坡顶危岩更是险象环生。
三维计算模型构建及仿真分析方案
上仓矿区原露天采场最深标高约- 193.00m，采场周围地面标高约3.5 ~ 5.0m，采场东西长约1200m，南北宽约390m，采场及岸坡不平整。
根据现场调查和工程地质钻探资料，结合地形、地貌和工程特点，总结出仓上露天矿边坡的工程地质模型如图2所示。
(一)耦合法建模思想
上部露天矿边坡呈多台阶状，局部有滑坡和崩塌，坡面复杂，直接用FLAC3D建模难度很大。为了克服FLAC3D软件在前处理建模方面的不足，首先利用MIDAS/GTS有限元软件强大的前处理功能，建立露天矿三维几何模型，划分网格；然后利用MTALAB编写MIDAS/GTS-FLAC3D数据转换程序，将建立的网格模型导入FLAC3D。然后施加边界条件，赋值材料参数，设置初始条件，然后进行数值计算分析。
(2)三维计算模型
根据上述边坡工程地质模型，建立了如图3所示的露天矿边坡三维计算模型。坐标系以平行于南坡走向的方向为X轴，垂直于南坡走向并指向矿坑的方向为Y轴，垂直方向为Z轴。计算模型沿X轴东西方向1400米，沿Y轴南北方向800米，沿Z轴垂直高度380米。
在MIDAS/GTS中生成岩石界面和几何模型后，进行网格划分，将生成的节点和单元的几何信息输出到Excel。然后通过自行设计的接口程序将节点和单元信息转换成FLAC3D的前处理数据格式。将转换后的数据导入FLAC3D生成的网格模型如图3所示。整个模型由四面体单元组成，分为124677个单元和24515个节点。
计算模型(z=-380m)底面固定，模型侧面限制水平运动，其倾斜部分设为自由边界。在初始条件下，不考虑构造应力，只考虑自重应力引起的初始应力场。
岩土物理力学参数根据勘探钻孔资料、室内岩石力学试验和类似工程经验选取，见表1。
表1岩土体物理力学参数
模拟按照以下步骤进行:
1.产生初始应力场。在上述计算条件下，选择弹性本构模型，计算平衡后清除位移场和速度场。
2.露天矿边坡稳定性分析。在前一步产生初始应力场的条件下，选择莫尔-库仑本构模型进行弹塑性求解，分析边坡的位移场和塑性区分布特征。
3.通过solve fos命令求解边坡稳定的安全系数，评价露天矿边坡的稳定性。
第四，边坡变形破坏机理分析及稳定性评价。
为便于计算分析，沿X轴方向分别截取x=300m、x=510m、x=700m、x=950m四个典型断面(分别对应1号、2号、3号、4号实际滑坡位置)。此外，在x = 550m和x=850m处切割两个截面，以便于分析南部。模型中每个部分的位置如图4所示。
(1)变形破坏机理分析
1.位移场
从图4可以看出，最显著的位移区主要分布在北坡的中上部，共有四个关键变形区，与卫星照片和野外调查得到的四个滑坡位置相对应；其中最大位移发生在2号滑坡处，该处边坡呈凸形，更容易失稳破坏。而3号和4号滑坡处的边坡略呈凹形，小于1号和2号滑坡的最大位移值和位移影响范围。数值模拟结果与现场变形破坏现象一致。
竖向和水平位移的关键位置与整体位移分布一致。最大垂直位移发生在靠近坡肩的2号滑坡点上坡。结果表明，边坡开挖后，边坡上部的位移主要是由边坡自重引起的。但最大水平位移发生在2号滑坡坡中部，以此为中心，水平位移逐渐减小，并呈同心圆向四周扩散，表明该段土体与其他段相比，发生了水平变形，向采坑方向隆起。
X=510m断面露天矿位移矢量图见图5。从图5可以看出，从坡肩区域到坡中上部区域，位移矢量沿坡向下倾斜，几乎与坡平行，中下部位移矢量在坡的台阶面上被“切割”出来，不同于典型的上部位移矢量垂直向下的圆弧破坏模式。滑动面的圆弧很小，一定程度上反映了在断层和边岩挤压作用下，局部边坡楔形滑动的特征。
从图5中还可以看出，滑动面的位置不在坡脚附近，而是在坡脚中部的下部。这是因为边坡中上部岩性由第四系土层和强风化岩石组成，抗剪强度低，边坡中下部为花岗岩和角闪岩。虽然岩体经常破碎，完整性不好，但内摩擦角比较大，抗剪强度高，不容易直接剪切。相反，斜坡的局部可能只是因为上部的滑动而出现。
2.塑性区
x=510m段露天矿生产区分布见图6。从图6可以看出，剪切屈服区位于边坡附近一定深度范围内，主要分布在边坡中上部的第四系土层和强风化岩石中，从边坡向坡背延伸一定距离。拉伸屈服区分布在坡肩、坡顶和坡底的小范围内，表面的拉伸屈服单元较为分散。拉伸屈服单元相对集中在潜在滑动面附近，表明边坡中上部可能因“拉剪”破坏而发生滑动。
3、5、6段坍塌现象分析
露天矿5号和6号断面的位移云图和位移矢量见图7。从图7可以看出，5、6段边坡岩体局部突出(野外调查也发现了许多危岩)，边坡上部岩体沿坡向向下倾斜，而中部岩体明显向邻近空面移动，坡顶局部出现数十至数百毫米的沉降。 反映这两处受第四纪土层影响，强度低，变形明显，岩体破碎，危岩较多。
(2)露天矿边坡稳定性评价
利用FLAC3D内置的solve fos命令，采用强度折减法计算边坡整体稳定安全系数，露天矿局部最小安全系数为0.82，如图8所示。
图9是x = 510m米处的剪切应变增量等值线图。可以看出，露天矿边坡的局部剪切应变增量明显大于其他部位，且基本达到贯通，表明边坡会发生滑动破坏。
根据图8，结合上述变形场分析可知，边坡整体稳定，但在断层附近和风化、降雨作用下，部分边坡强度降低，部分岩石破碎，导致失稳，甚至部分部位已经发生严重滑坡和崩塌。在尾矿堆放前，这些关键部位需要加固，或者避免危险部位的施工。
五、确保矿山边坡稳定的工程对策
(一)划定露天矿地表安全警戒范围
如图10所示，根据100毫米的下沉值和50毫米的向坑内水平位移值，圈定了露天矿地表安全警戒范围。两种方法划定的安全警戒范围大致相同，主要位于北坡距坡肩30m左右的范围内。在施工过程中，要尽可能避免进入警戒范围，特别是要避免警戒范围内的堆载或车辆动载扰动对该范围内边坡的影响。
(2)加固露天矿局部滑坡体。
根据以上分析，结合现场调查结果，确定了露天矿边坡滑坡加固的重点部位，如图11所示。
(3)露天尾矿库建设的建议措施
根据以上计算分析和图10、图11圈定的安全警戒范围，可知北坡多处发生滑坡，地表在一定范围内变形严重。如果受到荷载的扰动，边坡容易加剧变形程度，增加失稳破坏趋势。因此，建议在露天采场旁的坡面上，在安全区外进行卸载，尾矿尽量从露天采场南坡堆放。
(4)建立和完善位移监测、预警和预报系统。
在施工过程中，将在露天矿边坡面建立沉降和水平位移监测系统，为施工作业提供安全预警信息。例如，在图10和图11中划定的安全警戒范围的边界和边坡肩上选择几个监测点来监测沉降和水平位移。
不及物动词结论
采用MIDAS/GTS预处理-MATLAB编程数据转换-MAC3D耦合建模方法，对仓上金矿露天采场三维边坡进行了稳定性分析与评价，主要结论如下:
(1)边坡最大位移发生在2号滑坡处，该处边坡呈凸形，位移值大，影响范围广，主要表现为整体下降。坡脚有轻微的应力集中现象，坡肩和坡顶有局部拉应力。与已发生滑坡的北坡相比，南坡也存在拉伸屈服单元，表明南坡也是局部失稳。
(2)基于FLAC3D强度折减法计算的边坡局部安全系数小于1.0，表明边坡局部不稳定。工程施工前(如堆放)，应采取加固措施。
(3)综合考虑地表下沉值和水平位移值，圈定地表安全预警范围。建议在工程施工中尽量避免进入预警范围，在预警范围外进行卸载等作业。建议尾矿堆放在变形相对较小的南坡。
(4)结合位移、应力分析和现场调查结果，确定滑坡加固的重点部位，并进行重点处理；为防止滑坡范围扩大影响边坡稳定性，确保施工安全，应建立完善的位移监测预警预报系统，在关键部位设置观测点进行连续监测，为正常施工提供安全预警信息。
