中仿Rocscience系列Slide3软件对露天煤矿坑(Open Pit Mine in Minas Gerais, Brazil)的三维边坡稳定性分析

中仿Rocscience系列Slide3软件对露天煤矿坑(Open Pit Mine in Minas Gerais, Brazil)的三维边坡稳定性分析

中仿Rocscience系列软件的Slide3具有强大的三维边坡稳定性分析能力，使用该软件能够实现各种复杂化、接近于实际情况的边坡稳定性极限平衡法分析。

二维(2D)极限平衡分析是岩土工程实践中最常用的边坡稳定性分析方法。因为这种方法相对容易理解，计算量小，并且只需要输入较少的材料。然而，2D分析仅限于2D横截面，因此不能模拟复杂的失效机制或复杂的几何形状，在这些情况下很难选择典型的2D截面。

然而，计算性能和用户界面的进步正在使得三维(3D)边坡稳定性分析变得常规化。三维极限平衡分析将2D极限平衡的条分法扩展到三维柱分法中，其中力和力矩平衡在两个正交方向上求解。这使得可以在任何方向计算失效，这样我们就可以用3D解决方案解决3D问题。结果是更贴近现实的分析，因此更可靠、更经济。

本文介绍了巴西米纳斯吉拉斯四边形露天铁矿坑的三维极限平衡边坡稳定性分析。该分析是使用中仿Rocscience Slide3进行的。为了进行比较，本文还使用集成在Slide3中的Rocscience Slide2功能对3D模型的一部分进行了2D分析。这两种分析都证明了Slide3和Slide2可以轻松快速地建模和分析最复杂的三维地质结构。

地区

从1946年开始，几名地质学家绘制了该矿所在区域的地质图，该图所在地区成为巴西铁矿和金矿生产的战略要地。该地区发现了四种类型的铁矿:伊塔比尔岩、白云质伊塔比尔岩、角闪岩伊塔比尔岩和致密赤铁矿。1

利用露天矿山的野外绘图，确定了以下岩石:白云质伊塔比尔岩、白云石、伊塔比尔岩、致密赤铁矿、变质侵入岩、第三纪矿床和崩积层。主要构造特征为组合条带(Sn)，总体倾向为NNW-SSE，东北向中等偏大的倾角。此外，还发现了两个变形构造。第一个是解理Sn+1(韧性断裂)，总体倾向为从西到东，向南倾角较大；第二个是解理Sn+2(韧性断裂)，总体倾向为南北向，低倾向。

露天矿坑的开采形成了相当大的矿坑深度，高度为340米，整体倾斜角为38°。值得注意的是，斜坡的角度比面理的倾角要高，例如小的台阶宽度。因此，有可能存在局部的矿坑不稳定性，特别是在西侧，在该处伊塔比尔岩和变质基性岩石上发生楔形滑动。

模型

该模型使用了四种不同类型的材料特性:广义Hoek-Brown、Mohr-Coulomb、各向异性强度和广义各向异性。如图1所示，材料属性被分配给几何图形的不同部分。

图1.利用三维模型的剖面给几何几何体不同部分指定材料属性

三维分析

选择了简布法和斯潘塞法作为极限平衡法。选择简布简化法是因为它给出了安全系数的下限因子，而选择斯潘塞法是因为它是较为严格的方法。

选择了椭球滑动面类型，并启用了布谷鸟搜索方法和表面优化功能(SAO)。这些方法旨在找到最佳临界滑动面，并且这些功能是Slide3独有的。

使用简布简化方法的分析给出的安全系数为1.331，而斯潘塞方法的安全系数为1.37(图2)。

图2 .使用斯潘塞方法的分析结果

观察临界滑动面的摩擦角云图表明，安全系数的差异可以通过临界滑动面穿过的带有不同摩擦角的材料层来解释。

如下图3所示，Slide3中的安全图显示了计算出的安全系数临界和安全区域。分析发现的临界滑动面是该区域的一部分。

图3 .Slide3分析结果安全图

2D分析

为了进行比较，在Slide3中使用Slide2截面创建器创建了3D模型的2D截面。然后使用内置的Slide2引擎对剖面进行2D极限平衡分析。然后将得到的全局最小表面和最小安全系数叠加在3D模型上进行比较。

可以直接从Slide3中访问Slide2解释器，也可以在Slide2中看到2D分析的结(Analysis > Slide2 Integration > Open Slide2 Interpret).

对于2D分析，简布法给出的安全系数为1.2，而斯潘塞法给出的安全系数为1.24。当比较2D和3D结果时，我们可以看到3D结果大约高10%。这种比较使我们能够这些发现2D与3D的区别。

结论

如在具有复杂地质结构的露天矿山的情况下，我们分析的几何是三维几何体，2D建模和分析方法是不够的。换句话说，3D问题需要3D解决方案。正如本文所展示的，软件程序Rocscience Slide3能够让更真实有效3D极限平衡分析成为可能，并且能够得到我们想要的分析结果。

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