Slide3和RS2：露天矿边坡破坏反分析的首选工具  

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Rocscience Slide3和RS2以其可靠和强大的极限平衡和有限元边坡稳定分析而闻名。因此，它们成为J.M.的首选工具也就不足为奇了。卡布亚等人在一篇论文中提出了一个数值反分析的边坡破坏发生在露天矿在加拿大。

边坡高125米，宽200米，总坡度为44°。边坡稳定性雷达检测到不稳定性，导致多台阶破坏，影响约3,000,000吨岩石。

方法  

反分析方法包括三个步骤：

第1步-使用Slide3分析基础案例模型。

第2步-基本情况模型的迭代校准，再现了观察到的故障特征。

第3步-使用RS2进行有限元反分析，以验证Slide3的结果。

输入  

在准备边坡破坏反分析的基础（预校准）建模输入时，使用了几个数据源和假设：

地质模型

矿山地质块体模型被用作开发用于反分析建模的3D地质实体的基础。将这些3D实体文件剪切到Slide3导入的感兴趣区域，并切片以供RS2使用。图1描述了几何模型，包括地质模型，用于基础案例模型的初始迭代。

图1.几何模型，包括地质模型

土工模型  

基本情况建模使用了露天矿先前的岩土工程特性以及具体针对边坡破坏位置提供的数据。

岩体强度-所研究露天矿东南区域存在的五个岩性岩石单元的基本情况，岩体强度参数，如表1所示，并用作基本情况有限元和极限平衡数值模型的输入参数。

不连续面的方位-从边坡的摄影测量制图中收集结构数据。图2显示了代表不连续性集和方向的立体网。断层区域沿节理的不连续性通常呈中度至急剧倾斜，走向接近平行于面向西北的矿坑壁（FL-1B、FL-1C和FL-1A）。还存在与节理正交的十字节理（JN Set 1A/1B，BD-1）。   

图2.露天矿东南部区域的构造解释（Kabuya & Henriquez 2017）

沿着不连续面的抗剪强度-对于边坡破坏的反分析建模，照片显示高度持久的节理不连续面，在基本情况模型中，假定层面节理和其他节理方向的强度基于5%岩石桥接。表2总结了AMP、IF和QR中不连续性的强度参数。

Slide3极限平衡反分析  

Slide3是反分析露天矿边坡破坏的主要工具。将潜在滑动体划分为垂直柱进行分析。基于作用在每个柱上的力和力矩计算滑动体的总体FOS，并且迭代地执行该计算以搜索最关键的潜在破坏面，即，具有最低总FOS的滑动表面。

Slide3模型建立  

Slide3基础模型是逐步开发的，从假设均质各向同性岩石单元开始，并根据输入参数假设逐步引入各向异性强度和离散结构。复杂性逐渐增加到模型中，以了解每个假设对稳定性分析的影响。在所有情况下，使用Janbu简化的力平衡法和Cuckoo搜索椭球表面，然后进行表面改变优化（SAO）来确定报告的最小FOS。

基础模型（V1）-几何模型，包括基础案例模型初始迭代中使用的地质模型，如图1所示。各向同性岩体模型的结果表明，边坡是稳定的（最小FOS = 6.5），这表明，估计的岩体强度单独不能有效地模拟方向弱点，可以控制稳定性时，持久的不连续性与潜在的滑动方向对齐。尽管如此，最低的FOS滑动面的几何形状与矿山的边坡监测雷达检测到的破坏程度非常匹配，如图3a所示。   

增加的各向异性强度（V2）-为了降低斜坡FOS并更好地代表节理岩体的方向相关强度，代表叶序1B和1C平均方向的各向异性强度窗口（67°/338°）和节理组JN-1A（79°/57°）和JN-1B（84°/243°）添加到模型中的所有岩石单元中，这导致坡度FOS降低为4.8。当还加入代表JN-2（74°/204°）和BD-1（8°/116°）的各向异性强度时，FOS进一步降低至约2.7（图3b）。

图3.临界滑动面：（a）V1模型，（b）V2模型

高程相关节理（V3）-为了进一步确定边坡失稳区域的节理结构，并试图调整预测的破坏几何形状，对破坏区域的上边坡和下边坡定义了单独的结构状态。图4a描绘了V3极限平衡模型内的两个部分，由QR中的颜色变化表示。V3模型的分析没有显著改变V2的预测失效几何形状，并表明临界FOS略有增加（3.1）。尽管如此，V3模型被认为是对边坡破坏的几何和结构特征的最佳估计。

Slide3模型校准    

在V3模型上进行强度参数和地下水条件的校准，以将估计的FOS降低到约1.0，并与观察到的失效程度和解释的失效机制相匹配。要做到这一点，相关的抗剪强度，不连续性和地下水条件的参数的变化进行了测试。

试验结果产生了一个模型，其最小坡度FOS为0.97，用于沿弱化QR-IF接触面沿着滑动的破坏面，在最小坡脚高程约642m处退出边坡，利用坡脚处弱化BD-1接头。图4b显示了该破坏面的图像。在没有地下水影响的情况下运行的相同模型表明，坡度FOS为1.3。使用2015年和2017年坑地形表面运行的等效模型在潮湿条件下分别产生了8.2和1.2的FOS值。

图4.临界滑动面：（a）V3模型，（b）校准Slide3模型

RS2有限元反分析  

在RS2中分析了通过边坡破坏体的截面，以验证Slide3建模练习的结果，并探索Slide3极限平衡计算中未模拟的破坏机制的可能性。   

在RS2中，使用抗剪强度折减（SSR）方法量化边坡的稳定性。通过这种方法，模拟岩体和节理的抗剪强度逐渐减小，直到发生不稳定。强度必须降低以引起不稳定的因子，称为临界强度降低因子（SRF），类似于Slide3中计算的FOS。获得了RS2模型的多种变化的临界SRF值，主要针对评估BD-1强度参数在646m高程以下、地下水条件和应变软化假设的影响。选定案例见表3。

图5描述了RS2案例10最终模型的临界SRF状态，显示了最大剪切应变的等值线。QR和IF之间的接触形成了上部破坏面的重要部分，近水平BD-1接头组形成了破坏面的下部。图6描述了RS2案例10最终模型的临界SRF状态，显示了总位移的轮廓。   

结论  

这项简单的校准研究结果被认为能够令人满意地复现所观察到的失效机制，因此可以作为未来对所研究的露天矿坑以及其它具有相似规模或地质条件和特征的矿坑进行岩土工程设计分析的参考。此外，通过回溯分析，我们强调了理解与复杂结构环境相关的地质变异性，需要对矿体的成因和区域地质环境有深入的了解。

参考

J.M. Kabuya, R. Simon, J. Carvalho, and D. Haviland. Numerical back-analysis of highwall instability in an open pit: a case study. Slope Stability 2020 - PM Dight (ed.). Australian Centre for Geomechanics, Perth, ISBN 978-0-9876389-7-7. https://papers.acg.uwa.edu.au/p/2025_62_Kabuya/.