在博兹夏科尔430米深的露天铜矿中管理边坡稳定性绝非易事——尤其是当矿区南部边坡包含易发生复杂破坏的变质和各向异性沉积材料时。弱层理面、各向异性材料以及剧烈变形都导致了早期的不稳定性。为了精确模拟这些复杂的破坏机制，需要进行高级分析。KAZ Minerals的研究人员结合了实验室测试和现场调查，并利用Slide3进行了三维反演分析，以优化沉积材料的抗剪强度参数，为未来的边坡扩展优化设计，并改进了减压策略。
本文将介绍Slide3和RS3在博兹夏科尔矿区的应用。完整内容请参考Bayuprima Adiyansyah、Danila Gorokhov、Bekzad Rakhmetov、Jamie Caratti和Neil Bar在会议上的原始论文：https://papers.acg.uwa.edu.au/p/2335_66_Adiyansyah/图1.(a)平面图，突出显示南部边坡的关注区域；(b)面向东侧的南部边坡下部；(c)面向西侧的南部边坡上部。
博兹夏科尔矿区位于中亚造山带内，其南部边坡以沉积岩体为主，夹杂花岗闪长岩侵入体，并被构造断层切割。研究确定了两个主要的沉积岩域：这一域具有显著的赤铁矿蚀变特征、弱的各向异性层理面和松散的岩体结构。在某些情况下，该域表现出延性行为，其材料在某些区域更类似于土体，容易发生旋转破坏。这一域的岩石蚀变较少，表现出各向异性特性，包含主要剪切带，并沿层理面出现变形特征。 这些沉积岩域的蚀变和各向异性特性直接影响边坡稳定性。沉积类1显示出较低的抗剪强度和延性地基行为，这些因素是早期采矿阶段中观测到边坡破坏的关键原因。图2.沉积岩域的对比
(a)第6区显示出强烈的赤铁矿蚀变，(b)第5区材料的蚀变程度较低。
挑战
在早期采矿阶段，南部边坡在蚀变的沉积岩域中经历了多平台的不稳定。这些破坏对作业安全构成了威胁，特别是在靠近主要运输坡道的区域，因此需要立即进行岩土技术干预。 当时的边坡几何设计包括55°的平台面角和34.6°的平台间角，这种设计在这一规模的采矿中较为常见。然而，在南部边坡条件下，该设计显然不足，尤其是面对沉积类1区域中蚀变、弱且松散的岩体，这些区域特别容易发生旋转和复合型破坏机制。地下水条件进一步加剧了稳定性问题。高水位和季节性融雪导致孔隙水压力升高，增加了滑坡风险。观察到的不稳定性表明，需要更深入了解材料行为和破坏机制，以确保作业安全并为未来的边坡扩展提供指导。解决方案
团队利用Slide3（用于极限平衡建模）和RS3（用于有限元验证）进行了严格的岩土分析。这项工作包括如下的反演分析和前瞻性分析：反演分析
为了重现观察到的破坏并优化沉积类1材料的强度参数，进行了反演分析。实验室测试提供了初步的内聚力和摩擦角值，但通过建模调整后，确定了以下最终参数：岩体内聚力：25kPa
岩体摩擦角：34°
层理面内聚力：5kPa
层理面摩擦角：16°
反演分析结果：岩体内聚力与摩擦角的相关性
反演分析的结果为更准确的参数提供了依据，这些参数在优化边坡设计和改进稳定性管理方面发挥了重要作用。图3.岩体内聚力与摩擦角在不同Hu系数下的相关性
结果显示了较强的空间一致性，且安全系数（FoS）接近1。
在层理面上应用了各向异性强度模型，设置了变化参数A=15∘A=15^\circ和B=30∘B=30^\circ。地质断层被建模为弱的平面结构，但对整体稳定性的影响有限。灵敏度分析表明，孔隙水压力对边坡稳定性有显著影响，直接影响安全系数(FoS)。这些结果强调了减压策略的重要性，包括水平钻孔和安装振弦式孔隙压力计（VWP）网络，以有效监测孔隙压力并实现稳定的运行条件。
前瞻性分析通过评估不同几何构型和地下水场景（Hu=0.75、0.60和0.50），优化了第3阶段扩展的边坡设计。利用Slide3，团队确定了满足FoS>1.2的要求需要对几何形状进行调整，并实施有效的地下水管理策略。图4.前瞻性分析中不同减压场景下安全系数（FoS）值的汇总图
RS3验证了这些发现，确认所提出的边坡设计配置满足设计验收标准，同时排除了其他可能的破坏机制。根据分析结果，团队建议在沉积类1区域的边坡中将平台间角减少至29.7°，平台面角降低至45°，并采用10米的平台高度和7.5米的平台宽度设计。这些优化旨在确保边坡稳定性，同时满足实际操作需求。 图5.(a)Slide3前瞻性分析结果，全球安全系数（FoS）=1.33，表明在Hu=0.5条件下的稳定性；(b)结果通过RS3验证。
分析还突出了水平钻孔和孔隙压力计网络在降低和监测孔隙压力方面的重要性，特别是在融雪季节风险最高时。 结果
通过结合使用Slide3和RS3，岩土工程师获得了实用的洞察，并实现了显著的改进。反演分析成功再现了观察到的变形模式，验证了沉积类1区域优化后的强度参数。前瞻性分析表明，通过建议的几何调整，稳定性得到了增强：在部分减压条件下（Hu=0.60），FoS提高至1.26，在完全减压条件下（Hu=0.50），FoS达到1.33。将平台间角从34.6°降至29.7°，平台面角调整为45°，并设计10米的平台高度和7.5米的平台宽度，以实现沉积类1区域的长期稳定。
实施水平钻孔和密集的振弦式孔隙压力计网络，以降低和监测孔隙压力，特别是在融雪期间，确保FoS>1.2。
进行额外的金刚石钻探和钻孔地球物理勘测，以优化材料属性数据并提高对蚀变沉积岩域建模的精确性。
结论
通过Slide3和RS3，博兹夏科尔矿区的工程师在应对南部边坡复杂沉积域的稳定性挑战时，成功应用了精准且实用的解决方案。结合三维反演分析、前瞻性分析和验证，团队有效地解决了岩土技术难题。超越博兹夏科尔：Slide3和RS3如何助力您的岩土项目
此案例研究展示了Slide3和RS3如何提升博兹夏科尔强烈蚀变沉积域的边坡稳定性方法。然而，这些程序在多个工程和地质领域具有广泛的应用：Slide3的应用：
露天矿山：在各种地质和地下水条件下评估和优化边坡设计，以提高安全性和经济性。
滑坡治理：模拟潜在滑移面并识别引发自然边坡不稳定的关键因素。
挡土结构：分析复杂挡土系统的稳定性，考虑土体-结构相互作用和多变荷载条件。
水坝：评估静态和动态荷载下的坝体边坡稳定性，确保符合安全标准。
RS3的应用：
隧道工程：模拟复杂地质环境中隧道周围的应力、位移和破坏机制。
深基坑：模拟深基坑行为及其支护系统，包括挡墙和锚杆。
岩体行为：分析断裂或各向异性岩体中的应力和变形，包括断层影响区域。
动态荷载：研究地震或爆破荷载对边坡、挡土结构及其他岩土特性的影响。
Slide3和RS3是现代可靠工程工作流程的关键组成部分。不论是优化铜矿的边坡设计，还是在城市区域设计安全的开挖项目，它们都能帮助您自信且高效地应对岩土技术挑战。
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