非煤矿山边坡稳定性研究应用现状

非煤矿山边坡稳定性研究应用现状031100001803采矿1130班赵淼（昆明冶金高等专科学校）摘要：边坡岩体的变形和破坏严重地威胁到国家财产和人们的生命安全，对边坡安全性进行正确评价、对变形趋势进行准确预测，然后采取合理的治理措施是减少滑坡灾害与经济损失的一个重要途径。因此，正确的边坡安全评价方法与预测手段非常重要；就目前边坡工程常用的稳定性评价方法的优缺点进行分析，对未来研究方向及发展趋势进行展望。关键词：边坡稳定NoncoalminesResearchonAnalysisMethodsofSlopeStability031100001803mining1130classZhaoMiao(KunmingMetallurgyCollege)Abstract:Deformationanddestructionofslopesrockmassthreatenedseriouslythestatepropertyandpeoplesafety.Itshouldcorrectlyevaluateslopesafetyandaccuratelypredictdeformationtrend,andthenadoptreasonablecontrolmeasures.Thesewereimportantwaystoreduceearthslipdisaster.Therefore,itwasveryimportanttousecorrectsafetyevaluationmethodsandpredictionmeansfortheslope.Advantagesanddisadvantagesofthecommonlyusedstabilityassessmentmethodsfortheslopeengineeringwereanalyzed,andthefutureresearchorientationanddevelopmenttrendwereforecasted.Keywords:Slopestability;1、引言：随着采掘技术的飞跃发展,露天采矿工程的规模和深度越来越大。采深从100～500m已不足为奇,有的采深已达700多米。因此,露天矿的边坡稳定性研究问题,也日显突出重要。边坡角的大小,对露采矿山经济效益及安全生产,有着非常密切的关系。边坡角过缓,虽能保持边坡稳定,但必然要增大剥岩量,降低矿产开采经济效益,从经济方面要求边坡设计尽量陡些。边坡角过陡,虽可减少剥岩量,但可能会造成滑坡,给矿山生产和安全带来严重后患。如美国宾哈姆·康诺露天矿在米深467m时,发生大面积滑坡,总量近1600万吨,整个矿坑一多半被滑落体掩埋。加拿大的约翰斯曼维尔矿,由于水的作用,引起2293m的滑坡。苏联的马格尼托哥尔斯克露天矿,沿200m宽的工作面上八个台阶同时滑落,清理量达200万吨。至上个世纪以来，国内外露天矿开采所占的矿石产量比重相当大。对于我国来讲[1]，金属矿山露天开采的铁矿约占80%～90%，有色金属矿约占40%～50%，化工材料占70%，建筑材料占100%，露天煤矿开采比重一直在5%左右，近年来随着神华、神矿区一些大型露天矿的上马，表明未来露天开采的发展潜力十分巨大。从20世纪90年代到本世纪初，随着资源的不断开发利用，深凹露天矿成为世界上露天矿山的发展趋势，目前世界上最大的露天矿—美国犹他州宾汉姆铜矿（BinghamCanyoncoppermine），宽为4000m，深为1200m，面积为7.7km2；规模较大的智利丘基卡（Chuquicamata）铜矿，目前矿深达850m，到2020年将达到1100m；俄罗斯的乌达企纳亚（Udachnayapipe）钻石矿，开采深度也已超过600m。我国现有的16座大型冶金露天矿山已全部转入深部凹陷开采，最大凹陷深度将达到或超过500m，如首钢水厂铁矿最终边坡垂直高度为760m、最终凹陷开采深度为540m。深凹开采过程中，随着边坡的加高和开采深度的增加，一方面，边坡稳定性和安全性越来越差；另一方面，对大型露天矿山，提高边坡角又是充分回收资源、降低生产成本、增加开采效益的重要手段之一。如1981年6月，攀钢石灰石矿采场西部发生1100×104t的大滑坡，迫使该矿山企业投入巨资进行滑坡体处理和重新设计、改造。20世纪90年代抚顺西露天矿北帮边坡大规模倾倒滑移变形[2]，国内外罕见，严重影响地面工业、民用建筑的安全，国家投资几个亿开展大规模滑坡治理。据统计[3]，一个大型高边坡总体坡角加陡1°，可节省剥岩费用数以千万元乃至亿元人民币。因此，露天矿深部开采过程中确保边坡安全和提高经济效益的矛盾日益突出。深入开展矿山高大岩质边坡失稳机制及预测预报的基础研究，对于推动我国未来的边坡治理技术发展、防治高大岩质边坡诱发的地质灾害、保证矿山安全生产具有重要的理论与实际意义。2、国内外研究现状及分析露天矿边坡稳定性研究历来是露天矿安全生产的关键技术问题，并一直是岩石力学等相关学科的基本命题。回顾历史，露天矿边坡稳定性研究经历了由经验到理论、由定性到定量、由单一评价到综合评价、由传统理论和方法到新理论、新方法、新技术的发展过程[4]，对确保矿山边坡稳定起到巨大作用。2.1边坡稳定性分析方法研究现状研究方法工程地质分析法极限平衡分析法极限分析法数值分析方法、可靠性分析2.1.1工程地质分析法工程地质分析法是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及力学机制、变形地质体的成因及其演化史进行分析，得到边坡稳定性状况及其发展趋势的定性说明与解释，其理论基础是地质成因演化论、工程地质类比法及岩体结构控制理论[5－7]。对于地质条件复杂的矿山岩质边坡，该法在确定滑坡模式和机制方面独具价值[6,8]，为定量研究边坡稳定性奠定了基础。2.1.2极限平衡分析法极限平衡法是纳入设计规程的边坡稳定分析的重要和最常用方法，从广义上来说，该方法也属于数值分析方法的一种，但由于其通用性和实用性，人们将其作为单独的一类方法列出。极限平衡法假设边坡出现滑动面且处于极限平衡状态，然后将边坡离散成有垂直边界的刚体条块，建立条块之间的静力平衡方程，通过求解静力平衡方程得到边坡的安全系数。早期的极限平衡条分法是1916年由瑞典人彼德森提出，后来Fellenius，Taylor，Bishop，Janbu，Morgenstern和Price，Spencer，Sarma[9－10]，陈祖煜[11]等很多学者致力于对条分法的改进。目前，刚体极限平衡方法已经从二维发展到了三维，我国学者陈祖煜[12]、朱大勇[13]、郑宏[14]在理论计算方面做出了突出的贡献。刚体极限平衡法其力学模型简单，可对边坡稳定性进行定量评价，但不能考虑坡体中的应力-应变状态，只是给出所有可能的危险滑动范围，对于均匀土质边坡计算结果较好。但该方法需对滑坡边界条件进行简化，人为假定条块之间的作用力方向和位置，对于由复杂介质和边界组成的岩质滑坡体，计算结果与实际相比有很大误差。2.1.3极限分析法塑性极限分析法将滑坡体看作服从流动法则的理想塑性材料，以极限状态时自重和外荷载所做的功等于滑裂面上阻力所消耗的功为条件，结合塑性极限分析的上、下限定理，求得边坡极限荷载与安全系数。塑性极限分析最早由Drucker和Prager于1952年提出，70年代潘家铮[15－16]提出了滑坡极限分析的两条基本原理——极大和极小值原理，Donald[17]和陈祖煜[18]从变形协调出发建立运动许可速度场，根据外力功和内能耗散的原理确定安全系数。塑性极限分析方法得出的是安全系数的一个范围，而且只能得出非常理想条件下边坡稳定的解析解；另外，极限分析法很难考虑复杂荷载及渗流等因素影响。2.1.4数值分析方法随着计算机的普及和发展，数值计算方法发展迅速：有限差分法、有限单元法、边界元法、无单元法、无网格法、离散单元法、不连续变形分析方法、快速拉格朗日插值方法、流形元方法等方法在边坡稳定性分析中得到普遍应用。离散单元法[19]和FLAC-3D（快速拉格朗日法）[20]是美国学者Cundall教授提出的两种计算方法，在解决离散的、非连续的问题和大变形问题方面有着极其广泛的应用范围与发展前途[21－23]，其不足之处是缺乏严密的理论基础。一些不连续变形分析方法[24]、流形元[25]、PFC（particleflowcode）[26]、RFPA（realisticfailureprocessanalysis）[27]等数值方法广泛应用于边坡稳定性分析中，促进了人们对边坡破坏失稳机制的认识。有限元法是一种较成熟的数值方法，在边坡岩土体的稳定性分析中应用最早于1967年，也是目前最广泛使用的一种数值分析方法。有限元法能够考虑滑体的应力-应变关系，保持了严密的理论体系，能够模拟滑体与支护的共同作用，对于滑体变形和渗流作用的耦合计算有很大的优势。但它还不能很好地求解大变形和位移不连续等问题。边坡稳定性分析的有限元法大体上可以分为两类：一是基于滑面应力分析的有限元法（slipsurfacestressanalysis，简称SSA），它是将极限平衡原理与有限元计算结果相结合的一种方法（Zou等[28]；Duncan[29]），以有限元应力分析为基础，用不同的优化方法确定最危险滑动面，计算过程简单，便于实际应用，缺点是在理论上有缺陷，不能反映滑体最容易出现破坏的区域和破坏演进过程。二是基于强度折减的有限元法（strengthreductionmethod，简称SRM），是一种直接的方法，最早由Zienkiewice于1975年提出，其基本原理是将强度折减概念、极限平衡原理与有限元原理相结合，首先对边坡强度参数进行折减，得到一组新的强度参数值；然后以这组新值作为输入参数进行有限元计算，对计算过程中的某些数学特征进行分析，直至据这些数学特征认为边坡失稳，此时对应的折减系数值就是边坡的最小安全系数。许多学者在这方面做了大量的工作[30－33]。流形元法综合吸收了有限元法与DDA法各自的优点，可有效地计算连续体的小变形到不连续体大变形的发展过程。滑坡演化是一个从联系变形到非联系破坏乃至分离的过程，把有限元法等连续介质方法和离散单元法等不连续介质方法结合起来，是数值计算方法的发展趋势。2.1.5可靠性分析方法由于岩土介质的特殊性（岩土体参数的离散性、随机性），在工程设计、施工、使用过程中具有种种影响工程安全、使用的不确定性因素，所以在工程设计中采用确定性方法进行边坡安全性能评估是不科学的。边坡工程的可靠性分析方法正是借鉴了结构工程可靠性分析理论的方法，结合边坡工程的特点，把边坡岩体性质、荷载、地下水、破坏模式、计算模型等视为随机变量，结合某些合理的分布函数来描述它们，用可靠指标和破坏概率评价边坡的安全度的理论体系。把工程设计和现有工程的安全性评价建立在可靠性分析的基础上是当前的发展趋势[34]。可靠度理论应用于边坡工程是从20世纪70年代后期开始的[35－36]，许多学者对边坡可靠度的研究做出了卓有成效的贡献[37－42]。尤其是祝玉学的《边坡可靠性分析》[35]和王家臣[43]的《边坡工程随机分析原理》专著的出版，标志着我国对于边坡可靠性理论方面的研究进入了一个崭新的阶段。边坡可靠性分析所常用的方法有[44－47]：蒙特卡洛模拟法（MonteCarlo）、一次二阶矩法（又称rosenblueth法）、统计矩法、随机有限元法。近些年有很多学者致力于可靠性分析方法的应用研究，在大冶铁矿东露天扩帮区边坡稳定性分析[46]、黄河山东堤段边坡稳定性分析[48]、三峡库区滑坡[49]和小浪底进水口边坡稳定性分析[50]中得到成功应用。由于边坡岩体性质、地质构造等多方面的差异，实际边坡的渐进破坏与理论模型有一定的差距[51]。郑颍人[52]院士指出：“边坡的稳定分析、参数选用，至今仍是一大技术难题，特别是岩质边坡尚没有实用的分析方法”。2.2边坡监测研究现状岩质边坡地质条件和影响因素的复杂性决定了边坡稳定性分析必须依