1. 引言
随着露天煤矿剥采工作的不断推进，边坡的规模、深度不断增大、这无疑增加了边坡失稳的风险。边坡能否安全运行直接关系到矿山生产、人员及设备的安全，因此边坡稳定性问题就显得尤为重要，而边坡安全问题的解决重点在边坡变形及稳定性的分析。本文以神华宝日希勒露天矿为例，对高边坡的变形及稳定性进行了系统的分析研究。
2. 边坡工程地质条件
2.1. 地形地貌
宝日希勒露天矿位于陈旗煤田宝日希勒矿区西南部，行政隶属陈巴尔虎旗。宝日希勒露天区位于海拉尔河以北，莫勒格尔河以南的楔型地带，其宏观地貌特征属缓波状起伏的高平原地貌，北部及东北部与低山丘陵相接，地势北东高而南西低。海拨+724.09 m~+601.88 m。
2.2. 地质构造
研究区位于一大型极其宽缓的向斜构造中，其轴向自西向东，由98˚逐渐转为75˚，平面呈一向南微突的弧形，西窄东宽，波幅宽约3000 m，起伏高差仅40 m，两翼倾角多在2˚以下，仅个别倾角近5˚。区内断裂构造不发育，构造相对简单。
2.3. 地层特征
根据二采区2012年补勘工作的揭露情况及以往煤田地质勘探资料显示，本区出露地层由老到新主要为白垩系下统大磨拐河组含煤段和第四系松散覆盖层如表1。
主含煤段地层南厚北薄，煤层向北缓慢变薄，几乎不分叉，不见有边缘相多往南则分叉变薄尖灭。其中，12 (12+3)、21、31煤层厚度最大，且较为稳定，是露天开采的主要煤层。煤层构造为顺倾，不利于边坡的稳定。
区内岩石颗粒间多为泥质胶结、极少数为钙胶结，岩石强度低，组成边坡稳定性差。煤层中的夹矸及泥岩中的蒙脱石、高岭土、伊利石等黏土矿物经差热分析显示，高岭石含量为6%~12%，伊利石4%~12%，蒙脱石含4%~14%，含量较高，遇水易膨胀、粘土矿物含水率为50%~55%，抗剪强度很低，内摩擦角小于5˚，使岩石的工程地质性能弱化。
Table 1. The main stratum characteristics
表1. 主要地层特征
3. 边坡变形破坏特征
3.1. 破坏特征
自2001年8月开始至2013年5月，评价区内几乎每年都出现不同规模滑坡，造成停工、增加清理费用，给煤矿造成巨大的损失，严重威胁到露天矿边坡的正常工作。
根据现场踏勘、调查统计，边坡变形坡面裂缝滑塌，沉陷主要由于帮坡滑塌、地表开裂、采空区等许多不良地质现象造成(表2)。
采区各个帮坡上裂缝都较为发育，主要分布在坡顶。拉裂缝、剪裂缝为主，致使帮坡滑移或滑塌，对生产、设备等都造成了一定损失。
南端帮坡顶外侧近两年出现塌陷频繁，且大部分出现于废弃矿井与南端帮之间，已严重威胁到二采区帮坡的正常运行。
二采区南侧分布大量采空区，且分布不详，目前正采取物理勘探手段进行勘察。通过统计，近几年发生的滑坡大多发生在2月~5月，应重视冻融及水致使边坡破坏。
3.2. 变形失稳形式
根据已揭露的地层，全区普遍分布发育软弱夹层，位于煤层顶板以下10~14 m，厚度约2~5 cm，软弱层呈褐色、黑褐色，软塑状，根据室内试验，其抗剪强度极低，且随着剪应力作用的时间延长而降低。边坡发生蠕变滑动，最终导致边坡变形失稳，发生滑落。
3.3. 边坡变形破坏模式地质分析
一般来说，岩体的变形破坏有两种方式：一为岩块沿结构面或主要受结构面控制发生破坏；二是岩块强度不足而产生破裂面追踪形成的滑动面延展的方式破坏 [1] 。研究区地层岩性以泥岩及泥质胶结的砂岩为主，强度低，且研究区断裂构造不发育。因此，不易发生第一种方式破坏。有前面分析可知，因岩石强度低因此极易产生破裂面进而沿软弱夹层追踪滑动面形成蠕变，发生破坏。
4. 边坡Adina有限元软件计算分析
4.1. 模型建立
模型的建立过程中，尽可能模拟各地质剖面的地质条件，以符合客观存在，本文选取典型剖面(图1)遵循以下原则：
1) 将各帮坡煤层最薄，边坡最高的断面作为典型计算断面；
2) 选取资料齐全的区域；
Table 2. In recent years, the statistics information of landslide
表2. 近年滑坡信息统计表
Figure 1. South of the studied area for engineering geological model figure of S1 section (h = 95 m)
图1. 研究区南帮S1断面工程地质模型图(h = 95 m)
3) 地层顺倾且倾角最大处作为典型计算断面。
边坡组成岩体按岩性情况分为不同的材料，均是基于Mohr-Coulomb破坏准则的理想弹塑性材料，流动法则采用相关流动法则，即剪胀角等于内摩擦角。最大迭代次数设定为15，采用位移收敛准则，加载方式为自重加载。按平面应变问题处理，坡体底边界为固定约束，左右边界为水平约束，其它边界均为自由端[2] [3] 。
4.2. 模拟分析
本研究利用强度折减法逐级对c、φ值进行折减，直到数值解出现不收敛或者形成塑性贯通区域为止，本文模型材料所取参数如表3。
判据边坡失稳条件[4] [5] ：
1) 在有限元计算过程中采用力和位移的不收敛作为边坡失稳的标志。
2) 以广义塑性应变或者等效塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为边坡破坏的标志。
3) 滑动面上的位移与应变将产生突变，产生很大的且无限制的塑性流动。
由图2~4可知，塑性区域主要分布在c、φ值相对较小的地层中，利用强度折减法对c、φ值同时折减，随着F值增加，塑性区域增大，上下塑性区出现连通，但整个塑性区域未完全贯通，因此边坡处于相对稳定状态。
进而对c、φ值进行折减，当F = 1.26时，有限元静力平衡计算不收敛，说明边坡失稳破坏。
由图5~7可知，随着c、φ值同时折减，塑性区应变范围逐渐增大且向上有贯通趋势。塑性应变最大的部位在软弱岩层处，因此边坡失稳滑动延软弱岩层顺层滑动，上部岩层由于滑动受剪应力作用，发生穿层破坏。
应力云图图8表明，有效应力从下往上逐渐变小，且可以发现相对较软的岩层所受应力较大。
塑性应变矢量图如图9所示，从图中可以再次明显的观察到滑动面的位置。及塑性应变的区域。
4.3. 极限平衡法稳定性计算
基于极限平衡法原理的边坡稳定计算有多种方法，根据不同的适用条件，主要有摩根斯坦－普瑞斯(Morgenstern-Price)法、毕肖普(Bishop)法、简布(Janbu)法、推力法、萨尔玛(Sarma)法等[6] 。
根据相关规范及经验[7] [8] ，本次采场稳定性分析采用简布法(Janbu)并利用理正软件进行计算，计算结果如图10。
图中AB段为事先假定的滑动面，BC段为通过计算得到可能最危险滑动面，计算安全系数Fs = 1.17，变形破坏为下部延假定软弱面滑动，上部穿层破坏。
4.4. 计算精度分析
工程上所用的方法如瑞典条分法和简布法需要对滑动面做出假定，再进行计算，最后得出最小解，以此作为稳定性安全系数和最危险滑动面，计算较为烦琐，而且在力平衡等方面需要作出一些假定。而基于有限元的强度折减法法不需要对滑动面形状和位置做假定，通过强度折减使边坡达到不稳定状态时，边坡沿着“自然的”破坏面滑动，并可自行搜索其它可能的滑动面，这与实际情况更符合 [9] 。
因此，基于ADINA的强度折减法算出的稳定性安全系数为1.25与简布法所得的稳定性安全系数1.17相差7%，说明强度折减法在进行边坡稳定性计算时有较高的精度，是可以应用于实际工程的，同时也说明使用岩土工程软件中的简布法算出的稳定性安全系数是偏于保守的。
Table 3. The model material parameters
表3. 模型材料所取参数
Figure 2. F = 1.06, distribution of plastic zone of slope
图2. F = 1.06时，边坡塑性区分布图
Figure 3. F = 1.18, distribution of plastic zone of slope
图3. F = 1.18时，边坡塑性区分布图
Figure 4. F = 1.25, distribution of plastic zone of slope
图4. F = 1.25时，边坡塑性区分布图
Figure 5. F = 1.06, the slope of the plastic zone and strain
图5. F = 1.06时，边坡塑性应变云图
Figure 6. F = 1.18, the slope of the plastic zone and strain
图6. F = 1.18时，边坡塑性区应变云图
Figure 7. F = 1.25, the slope of the plastic zone and strain
图7. F = 1.25时，边坡塑性区应变云图
Figure 8. F = 1.25, the stress nephogram
图8. F = 1.25时，应力云图
Figure 9. F = 1.25, plastic strain vector
图9. F = 1.25时，塑性应变矢量图
Figure 10. The calculation results of Janbu method
图10. 简布法计算结果
5. 结论
1) 通过ADINA有限元分析得出边坡的塑性区均分布在软弱夹层及强度较低的岩层与土层中；通过两种方法计算结果表明边坡的变形方式是上部为切层圆弧滑动，下部为沿强度较低的岩层顺层滑动，变形破坏模式为顺层–后缘穿层滑动(折线滑动) [10] 。
2) 通过强度折减法与极限平衡法分析对比，折减系数为1.25时边坡处于临界平衡状态，因此该边坡安全系数为1.25，且边坡处于稳定状态。
基金项目
中铁资源集团有限公司科技开发计划项目(2012-重点-61)；中煤科工集团西安研究院有限公司创新基金(2012XAYCX020)；中科院冻土工程国家重点实验室开放基金(SKLFSE201311)。