露天矿边坡稳定性分析方法

对边坡稳定几种计算方法的评述~

一、极限平衡计算法是当前国内外边坡工程中边坡稳定计算常用的基本方法。用该方法能确定边坡滑动面位置和破坏型式，能根据边坡不同破坏形式和任意滑动面位置来计算边坡稳定系数，它适用于边坡体不同地质条件和边坡各类破坏形式。在国内露天矿边坡稳定性计算中，已得到广泛应用，如兰尖铁矿、大冶铁矿、海南铁矿、永平铜矿和行洛坑钨矿等边坡工程中边滑坡稳定计算均用此方法。二、有限单元法是应力、应变分析法，即用弹性理论分析边坡体的应力状态。它只能分析在弹性阶段边坡体应力、应变和位移分析情况，不能对边坡体的破坏情况给出定量的分析。因此，当前在国内露天矿边坡稳定计算中应用该方法时，常用极限平衡法计算进行对比校核（如海南铁矿、新桥铜矿）。该方法能适用于边坡岩体的复杂条件。三、概率分析法只能用数理统计方法，分析研究影响边坡稳定诸因素的规律，求出边坡不稳定概率，但不能完全定量地给出边坡稳定或不稳定的程度。当前在国内露天矿边坡稳定性计算中应用该方法时，常用极限平衡计算法进行对比校核，如攀钢石灰石矿边坡稳定性研究。该方法适用于边坡体的复杂条件，能根据边坡不同破坏类型用电子计算机算出边坡不稳定概率。采用以上三种方法都必须获得边坡稳定性计算分析所需的各项资料，并将计算结果和类似矿山进行对比；在不具备边坡稳定性计算分析资料的情况下，可根据设计工程的具体条件，用类比法确定边坡角。

随着露天矿的继续开采，采深和坡角不断增大，井工开采所引起的边坡岩体变形量值及变形范围日益增大，采动边坡的稳定问题已成为许多学者关注的重要论题。中国岩石力学与工程学会曾在1989年对此问题专门召开一次学术研讨会，国家有关部委和相关企业召开各种论证会二十余次。该问题之所以引起有关部门如此重视，最主要的原因是复合采动引起的岩体变形不仅仅影响矿山本身的安全，而且也严重影响到矿坑周边各种市政设施及众多工厂的安全。
在边坡稳定研究方面，国内外许多学者将处理复杂系统和探索复杂性的非线性方法先后引入滑坡灾害地质过程的演化研究，建立了基于分形理论、协同学理论、混沌动力学和突变理论的预测模型。张倬元、黄润秋、秦四清等在国家自然科学基金、国家“九五”攻关项目等课题中，运用神经网络方法实现灾害的预测、评价，在理论上有了较大的突破;Bhandary，R.K应用head-end interaction、tail-end interaction及Phenomenon of neigh-borhood interference三种滑坡力学基础综合方法预计滑坡;美国Sharjach大学的Al-Ho-moud，A.S应用三维滑坡体动态稳定性进行计算机模拟分析;Sogang大学Youn，So-Jeong进行了基于协同方法(Coordination method)方面的研究等。
这些研究成果主要是针对自然边坡和人工边坡，很少涉及因地下开采引起的露天滑坡灾害的相关研究，而对开采引起滑坡机理系统性的研究则更少见。露天井工联合开采的边坡稳定研究涉及岩石力学、测量学、采矿学、滑坡学、开采沉陷学、运筹学、环境学和计算机科学等多学科的相互交叉渗透。在这方面的研究成果主要有:何万龙、颜荣贵[25]等提出以随机介质理论为基础的山区地表采动影响函数叠加预计方法;田家琦[26]等提出基于叠加原理的应力应变函数法，以及传统的极限平衡理论方法;谢和平、于广明提出了以分形理论为基础的非线性分析方法[27];孙世国对露天转地下开采边坡岩体滑移机制进行了深入探讨[28];芮勇勤应用FLAC方法和Sarma坡体稳定性分析方法，模拟分析采动引起滑坡的主要人为和自然因素，寻求控制方法[29];Sydney大学Hull，T.S.通过大量的采动滑坡事例调查，证明应用极限平衡理论预计采动滑坡的可靠性较低;德国学者Foerster.W 应用Kinematic Element Method方法分析Berzdrf矿井开采引起的滑坡灾害;Yoshida，R.T.应用断裂力学分析模型(FailureAnalysismodels)分析采动山体滑坡的机理;乌克兰力学研究所Martynyuk，A.A.将采动滑坡视为一个复杂的非线性系统进行研究。[30-34]
以上理论方法应用于开采引起的滑坡灾害的预测与控制还存在一定的局限性与不足。主要表现为:①多学科综合、定量研究的不够;②作用机理的研究还不够深入;③对地下开采引起矿山滑坡这一复杂系统中主要系统间的相互干涉、协同作用分析研究不够。应当将采动引起滑坡灾害，作为一个复杂的非线性协同作用系统综合研究。
对露天矿边坡稳定的研究，近年来主要从边坡岩体的工程、水文地质特征，特别是岩体构造和结构特征以及岩体物理力学特性等方面进行。科学的地质统计方法和岩石力学实验手段，计算机技术和相似模拟等方法的引入，使得对露天矿边坡岩体的变形破坏特征、滑坡机理、稳定分析方法等很多问题有了新的认识。对边坡稳定性诸多影响因素，在分析研究中，考虑的愈加全面。另外，采动影响下的山体边坡和露天矿边坡的稳定问题，虽然在移动形式等方面相似，但是二者又有些不同。山体是一个天然的稳定体，或者说原始状态是以一种平衡状态所存在的，而露天矿边坡是由于露天开采后破坏了地下的原岩应力后，边坡岩体已产生一定的移动和变形，坡体的应力状态要比山体复杂，通过现有方法分析起来更加困难。

露天矿边坡稳定性分析主要任务是确定既经济又稳定的边坡角。稳定是相对的概念，实际上，稳定性是与经济密切相关连的。关于经济问题本文不谈，仅就稳定性本身来说也是一个模糊的问题，因为影响边坡稳定性的因素有很多，如地质结构、地下水、地震、边坡结构、施工影响等，地应力有时也起作用（如对反倾向边坡产生倾倒变形）。而这些因素又不都是很明确的，除边坡结构可以人工给定以外，其余的都是带有一定的模糊性的。实际上，边坡结构也是不确定的，施工和设计很难相符，边坡稳定性分析是十分困难的问题。现代的办法提倡设计、监测、处理三位一体的考虑。也就是说，在设计阶段充分运用现有的科学水平和科学储备，确定一个既稳定又经济的设计边坡角，为施工提供依据（包括边坡结构、边坡角、边坡变形破坏预测、边坡加固方案等）；在施工一开始就安设变形监测系统进行边坡施工过程中产生的变形监测，根据监测资料对正在施工的边坡的稳定性作出预测，及时修改设计和采取加固措施，这是一套科学方法，称为地质监控施工法。在边坡设计或稳定性分析中不能只考虑不加任何处理的边坡自身稳定性，而且必须将加固处理与节约开挖作出对比；同时还需对加陡边坡不作处理、对其在运营过程中产生破坏进行清理的投资额与减少挖方节省的投资额作出对比，择优选用。尤应该是把经济放在第一位，边坡设计绝不是简单的岩体力学和工程地质工作，而是必须与工程设计、施工技术上可行性相结合来定。关于这一概念所有的参加边坡研究的地质、设计、施工技术工作者都必须明确。这一节主要任务是为实现边坡设计的第一步，即边坡角设计提供一点预备知识。

1.露天矿边坡破坏模式

露天矿边坡破坏模式与露天矿边坡地质结构密切相关，这里所讨论的可能产生的边坡变形破坏模式，并不一定凡是具有相同地质结构的边坡都会发生，发生与否主要取决于当时的力学条件。破坏模式是指各种地质结构构成的边坡如果发生破坏的话，最可能出现的破坏形式，为力学分析时建立力学模型提供预备知识，露天矿边坡破坏模式可概括为6种：①平面滑动；②楔形体滑动；③曲面滑动；④倾倒变形；⑤溃曲破坏；⑥复合式破坏。

（1）平面滑动模式：平面滑动的特点是岩体沿某一层面、或断层面、大节理面下滑。产生平面滑动的条件是：①控制性结构面的走向与边坡近平行，在边坡上有临空面出露，即边坡角大于控制性结构面倾角；②垂直于边坡走向的控制性结构面倾角α大于结构面的摩擦角φ_j，即α＞φ_j；③地下水活动和各种振动（包括地震和大爆破）往往是这类滑动的触发因素。

（2）楔形体滑动模式：该模式在露天矿大边坡和阶段台阶边坡破坏中极为常见，其基本形式是由两个或三个与边坡斜交的控制性结构面将边坡切割成楔形块体，在自重作用下沿结构面组合交线下滑，它的规模与控制性结构面分布状况有关。金川露天矿一区边坡上部的滑动是一个很好的例子。该滑坡体系受F₂₃和f₃切割成的楔形块体。F₂₃是一条小断层，产状是N78°W-NE∠70°；f₃是一条平直的大节理，其产状为N40°E-SE∠40°。F₂₃和f₃组合交线的倾向为N77°E，倾角33°。该滑体的滑动面，经多年实际观察资料分析为N81°E，相差仅4°，结构面组合交线的滑动方向与实际滑动方向基本一致，证明该滑体系沿F₂₃和f₃组合交线方向滑动。

（3）曲面滑动模式：该模式主要发生于第四纪堆积层、风化层、大型断层破碎带及节理密集切割的碎裂岩体内。滑面的曲率与地质体的松散程度有关，愈松散愈软弱的地质体滑面曲率半径愈小；愈密实愈坚硬的地质体滑面曲率半径愈大。第四纪粘土层的滑动面近似圆弧形，而碎裂岩体及断层松动带内滑面近似为平面形。

（4）倾倒变形模式：当边坡岩体内存在有贯通性的反倾向的软弱结构面时，由于开挖卸荷，在地应力松弛作用下而产生向矿坑内倾倒变形现象。倾倒变形产生的主要原因为开挖卸荷，一旦边坡停止开挖，停止卸荷，倾倒变形相应地也停止发展；但由于倾倒已经使结构面开裂，当有水灌入时，结构面内充填物软化，还可以继续产生倾倒变形；施工过程中采用较大规模的爆破振动作用时亦可以导致继续产生倾倒变形。倾倒变形的结果在岩体内形成一条折断面，贯通整个边坡，当边坡很高时，倾倒变形所形成的临近边坡的碎裂似板裂体有可能在坡脚处剪出或产生溃曲破坏，引起边坡失稳，当边坡内存在有小断层等软弱结构面切割似板裂体时亦可沿软弱结构面产生滑动破坏。

（5）溃曲破坏模式：受到比较强烈的褶曲作用的岩体（包括岩浆岩、沉积岩、变质岩），层间错动比较发育，而形成板裂结构岩体。板裂结构岩体在自重作用下克服层间的摩擦力，而在剩余的下滑力作用下产生板裂体弯曲导致失稳破坏的一种破坏模式。这种破坏模式目前研究的还不多。瓦顿（Watton）在英国露天矿边坡破坏中见到这种破坏模式，在露天矿高边坡日益增多的情况下，出现这种破坏模式会愈来愈多。

（6）复合式破坏模式：该破坏模式机理并无新鲜内容，但在露天矿边坡破坏中还是常见。如金川露天矿边坡上部为楔形体滑动，下部为倾倒变形；抚顺西露天矿边坡上部为第四纪堆积层，下部为玄武岩及反倾向的煤系地层。在开挖卸荷作用下下部产生倾倒变形，而导致上部地质体松脱开裂，亦属于一种复合式破坏。

露天矿边坡破坏基本模式大体上可归纳为上述6种。这6种破坏模式实际上是滑动力学模型和板裂介质力学模型。前者宜用极限平衡滑动理论分析其稳定性；后者宜用板裂介质岩体力学理论分析其稳定性。对边坡稳定性分析来说，必须建立两种力学分析方法。

2.露天矿边坡力学分析问题

这里不讨论边坡变形破坏等力学作用分析计算方法，仅对露天矿边坡力学作用的作用力和参数选择问题做些补充讨论。

（1）作用力分析方法：促使边坡破坏的力主要有三种：①重力；②水力；③振动力。

重力：主要是主滑体自重、排土场堆土重、附属建筑附加作用力等构成的重力。要注意，这些力并不都通过滑体的重心，因此，除有滑动作用力外，有时还存在有转动力，不能一律都用共点力系理论分析。还应当注意，在研究边坡变形及倾倒作用时必须考虑初始地应力场的作用。

水力：这里有两种情况，一种是暴雨后边坡岩体内裂隙充水，这种充在裂隙内的水对边坡岩体形成有静水压力；另一种是在边坡内流动的水，它具有动水压力。静水压力p_s可用下式分析：

地质工程学原理

式中：p_s为地质体内水的压强；P_s为地质体内的总静水压力。

动水压强p_d应该用下式分析：

地质工程学原理

动水压力与静水压力不同，它是向量，其方向为流势线的切线方向。

振动力：振动力包括地震力和爆破振动力。地震力用下式计算：

地质工程学原理

式中：m为岩体体积；W为岩体重；α为地震荷载系数。

爆破振动产生的振动力与爆破形成的位移速度v有关，即

地质工程学原理

式中：Q为一次爆破的药量；R为作用点距震源中心的距离；K为与炸药类型有关的系数，变化于45～450之间；α为与岩性及纵横波形有关的系数，变化于1.5～1.9之间。

长沙矿冶研究所在金属露天矿做500多次控制爆破试验得到的纵横波峰值速度半经验公式为

地质工程学原理

据此可得到振动加速度（α_b）为

地质工程学原理

则爆破振动力为

地质工程学原理

α_b为爆破振动力的荷载系数，应当注意，爆破振动力和地震力一样是向量。

（2）岩体强度分析方法：边坡分析中用到的岩体强度有软弱结构面强度和裂隙岩体强度两大类。这些参数不能简单地用试验求得，因为不论软弱结构面或裂隙岩体在力学参数上都具有明显的结构效应——尺寸效应。应该采用典型地质单元试块力学试验与岩体结构力学效应相结合综合分析给出。

（3）边坡稳定性分析方法：鉴于在岩体力学书籍中已论述过连续介质、块裂介质岩体边坡稳定性分析方法，在这里就不再重复，仅补充一点关于顺向坡的板裂结构岩体产生溃曲破坏的可能性分析方法。其稳定性系数采用自稳极限边坡长度l_cr与实际边坡长度l之比η表示，即：

地质工程学原理

地质工程学原理

式中：I为板裂体截面距，I=；b为单位宽度时，I=；q为单位板裂体重；α为板裂体倾角。

这个公式是根据单层板模型推导出来的，在实践中著者逐渐认识到，板裂岩体边坡多半是多层结构。1986年我们通过地质力学模型实验和理论研究，发现多层板和单层板模型在公式的形式上完全相同，而在刚度表达形式上是不同的，它们的差异可用下面公式表达：

单层板刚度

地质工程学原理

单宽质量

地质工程学原理

式中：h为单层板计算厚度。

多层板刚度

地质工程学原理

单宽质量

地质工程学原理

上式D_i、q_i中为组成多层板的各单层板的刚度和单位质量，著者利用这个公式计算过许多实例，效果是比较好的。这里有一个问题计算深度h取到多深?这个问题可以通过分析滑动起始深度来定。其计算公式如下：

地质工程学原理

式中：α为岩层倾角；φ_j，C_j为结构面摩擦角和内聚力。

3.工程地质类比法

这是边坡设计中最常用的方法之一，而且被认为是信得过的方法。实际上，并不完全如此，工程地质条件类比法必须在一定的条件下才有效，这些条件应该是：①地质结构相似；②水文地质条件相似；③大气降水条件相似；④边坡施工条件相似；⑤边坡运营条件相似；⑥边坡维护条件相似。至少在这6个方面具有相同、相近、相似才能类比，否则很难比拟。有很多人主张用自然边坡资料类比法比拟选择人工坡角，这里有许多不可比之处。如：

（1）自然边坡多半是在流水剥蚀精心雕刻下形成的，而人工边坡多半是在炸药爆炸作用下形成的，爆炸使岩体受到不同程度的振动破坏，而岩体强度已大大降低，且由于爆破使岩体内裂隙开裂，大气降水很容易渗入到岩体内，不仅使岩体强度降低，且有静动水压力参与作用。

（2）自然边坡形成过程中存在有自然界的自选性，即薄弱的地质体被侵蚀掉而形成冲沟，坚固部分残留为边坡或山体；人工边坡缺乏这种自选性，一般来说不管岩体好坏，一律作成统一的边坡，这种边坡内常常存在隐患，存在有薄弱的、稳定性低的部分，在运营过程中很容易产生破坏，从理论上讲这种破坏是不可避免的，强行要求百分之百的边坡都不发生破坏，实际上，是脱离实际的。

（3）自然边坡是经过很长的地质历史时期形成的，它在流水作用下精心雕刻过程中对岩体内的一些薄弱部分可以自己进行灌浆防渗补强；而露天矿边坡是人工边坡，一般历史很短，无自愈能力。人工开挖的边坡上的裂隙提供了渗水能力，且无遮掩地暴露在大气中，提供了易于发生风化作用的条件。

这些条件表明，在采用工程地质条件对比法时，必须细心研究条件可比性及折减程度。这就是自然边坡可高达1000m，坡角达到70°～80°，而人工边坡很难做到的原因所在。

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止峰贝唐： 从理论上说,研究土体边坡稳定有两类方法,一是利用弹性、塑性或弹塑性理论确定土体的应力状态,二是假定土体沿着一定的滑动面滑动而进行极限平衡分析.第一类方法对于边界条件比较复杂的土坡较难以得出精确解,国内外许多人在这方面进行不少研究工作,也取得一些进展,近年来还可采用有限单元法,根据比较符合实际情况的弹塑性应力应变关系,分析土坡的变形和稳定,一般称为极限分析法.第二类方法是根据土体沿着假想滑动面上的极限平衡条件进行分析,一般称为极限平衡法.在极限平衡法中,条分法由于能适应复杂的几何形状、各种土质和孔隙水压力,因而成为最常用的方法.条分法有十几种,其不同之处在于使问题静定化所用的假设不同,以及求安全系数方程所用的方法不同.

柳江县18332719187： 边坡稳定性分析的目的是什么?/// - ？
止峰贝唐： 边坡稳定性分析的目的只有一个,就是预防滑坡.分析手段有:1、边坡土壤颗粒分析;2、土壤的物理指标试验【粘结系数、内摩擦角、抗渗系数、锤击试验(称为CBR)等】3、滑坡趋势分析(土力学内容)