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工 业技术 露天矿边坡稳定性分析方法综述① 侯 永莉 黄略 辽宁有色勘察研究院 辽宁沈阳 1 1 0 0 1 3 摘要 本文对目前露天矿边坡稳定性分析中所采用的各种方法进行 了归纳， 冀单说明 了 各种方法的适用性， 并 简 要论述了露天矿迎坡稳 定性 分析 方法 的发展 趋 势 ，指 出露天 矿边坡 正 向 着更 综合 ，更科 学、更 合理 的 方 向发展 。 关键词 露天矿 边坡 稳定性 分析方法 综述 中图分类号 T U 4 1 3 ． 6 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 0 9 8 X 2 0 0 9 0 4 c 一0 0 5 5 0 2 露 天矿 边坡 稳定性研 究是一项关系到 矿 山设计 、矿山安全生产 、矿 山可持续 发 展 、提高矿山经济效益以及矿 山闭坑后综 合利 用的关键课题 。据 估算 ， 对于大 型露 天矿 边坡每加 陡 l 度 ， 可带 来近亿元 乃至 更多的收益。但同时边坡过陡造成滑坡 也 会给矿 山生产和安全带来严重后果。因此 露天矿边坡 稳定问题 已成为影响露天开采 技术 经济的最重要 因素 之一 ， 越来越 引起 大家 的重视 。 1露天矿边坡研究的发展历史 我 国的露天矿边坡工程研究起始于 2 0 世纪 6 0 年代， 在 2 0 世纪 7 0 ～8 O 年代得到了 飞速发展 ， 与此同时， 我 国在边坡工程总体 技术水平 上 ， 已居于 国际先进 行列 。进入 2 O 世纪 8 O 年代后期 ， 我国已有越来越 多的 露天矿 山转入深 凹露天 开采 ， 边坡 高度从 原先的 l 0 0 ～3 0 0 m增加到 3 0 0 ～5 0 0 m， 有的 甚至超过 7 0 0 m。9 0年代以来 ， 我 国露天矿 的边坡稳 定性 研究亦取得不 少新的进展 ， 主要表现在研究 、生产与设计之间的密切 结合 ， 在边坡稳 定性研究方 向则更强调多 种分析评价方法的综合评价 。 2露天矿边坡稳定性分析方法 边坡稳 定性分析 是边坡 研究 的核 心 ， 其 目的是通过采用先进的研 究手段和系统 优化的科学方 法 ， 在保 障边坡安全 的前提 下 ， 寻求剥岩量小 ， 可采矿量 大 ， 以及滑坡 处理和补救工程 费用低 ， 矿 山相关 收益最 大的边坡设计方案。矿山边坡稳定性分析 方法分定性、定量和不确定性三种 。 2 ． 1 定性分析方法 定性 分析方法主要是 通过 工程地质勘 察 ， 对影 响边 坡稳定性 的主要 因素 、可能 的变形破坏方式及失稳的力学机制等进行 分析 ， 对 已变 形地质体的成 因及其演化史 进行分析 ， 从 而给出被评价边坡 一个稳定 性状况及其 可能发展趋势定性的说 明和解 释 。其 优点是能综合考虑影响边坡稳定性 的 多种 因素 ， 主要 方法有范例推 理 、专家 系统及 图解法等等 。 2 ． 2定量分析方法 定量方法主要有极限平衡法和数值法 两 大 类 。 2 ． 2 ． 1 极限平衡法 目前 常 用 的 极 限 平 衡 法 主 要 有 Or di na r y、 Bi s hop、M or ge ns t e r n-Pr i c e， J a mb u 、S p e n c e r 、S a r ma 和推力系数等方 法。其中0r d i n a r y和 B i s h o p适合于土质边 坡稳定性计算 ， 其余的几种方法都可以应用 于岩质边坡稳定性计算， 其中Mo r g e n s t e r n P r i c e 方法与S a r ma 方法都同时考虑力矩平 衡与 力的 平衡 ， 推力 系数 法是我们 国家岩 土工程勘察规范 国标推荐的方法 。我国早 期 5 0 - 6 0年代 的露天矿山多采 用极限平衡 法进行计算 ， 近几年深 凹露 天边坡也利 用 极限平衡法 搜索最 危险滑动面 ， 然后结 合 数值分析方法进行综合计算 。 2 ． 2 ． 2数值分析方法 数值分析方法主要有 有限元法 、离散 元法、边界元法 、无单元法 、D DA方法、 流行元 法 、蒙特 卡 罗法和 拉格 朗 E t 元 法 等。 有限元法是边坡稳定分析 中用得较 多 的一种数值方法 。用该方法可对二维或 三 维 范围内的边坡 安全 系数 进行预测 ， 即利 用有限单元法 ， 考虑土的非线性本构关系 ， 求 出各单元的应 力及变形后 ， 便可以根据 不 同强度指标确定破坏区的位 置及破坏范 围的扩展情况 ， 并 设法将局部破 坏与整体 破坏联系起来 ， 求得合适的临界滑面位置。 离散元法是一种适用干不连续岩体稳 定 分析 的数值方法 ， 其 最大的特 点是允许 单 元之间的相对运 动 ， 不需要满足 位移连 续和 变形协调条件 ， 可 以模拟 系统 的大变 形及破坏过程。二维离散元法 8 0年代中期 引入 我 国 。 边界 元法 该 方法 只需对 己知 区的边 界极限 离散 化 ， 因此具 有输 入数据少 的特 点 ， 故边界元法的计算精度较 高， 在处理无 限域方面有 明显的优势 。其不足之处 为 不便应 用有 限元 中成熟的对稀疏对称矩 阵 的系列解法 。另外 ， 边界元法 在处理材料 的非线性和严 重不均匀 的边坡 问题方 面 ， 远 不如有限元法 。 无单元 法 这种 采用滑 动最小 二乘法 所产生的光滑 函数近似场 函数。它保留了 有 限元的一些特点 ， 但摆脱 了单元限制 ， 克 ①作者简介 侯永莉 ， 女 ， 1 9 7 0 年生 ， 高级工程师 。 黄略 ， 男， l 9 7 0 年生 ， 物探高级工程师。 服了有限元的不足 。无单元法只需 结点信 息而 不需单 元信 息 ， 处理 简单 ， 计算精 度 高， 收敛速度快 ， 提供 了场函数的连 续可导 近似 解 。基于 这些优点 ， 无单元 法具有广 阔的应用前景 。 非连续变形分析 D DA 方法 是基于岩 体介 质、非连续性发展起 来的一种崭新的 数值分析方法。DD A法是兼具有限元与离 散元法二者 之部分优点的一种数值方法 。 流行元 法 流形元 法是石 氏继 创立 块 体理论和 DD A后 ， 并在此基础上首创的一 种新的现代数值方法。它以拓扑流形为基 础 ， 应用有 限 覆盖技 术 ， 吸 收有 限元法 与 D DA法各 自的优 点。 蒙特卡 罗法 蒙特 卡洛法 根据随机 变 量 x的分 布 函数 选取 随机 数输入 到分 析 中， 由此得 到一个安全 系数。此方法 可考 虑粘聚力、内摩 擦角、地震荷载、卸荷 裂 隙 、地下水深 等对边坡 稳定的影响 。 拉格 朗 日元 F L Ac 法 为了克服有 限 元等方法 不能求解 大变形问题 的缺 陷 ， 人 们根据有 限差分法 的原 理 ， 提 出 了 F L AC 数值分析方法 。此方法 9 0 年代在我 国边坡 研究 中得到重视和应 用。 2 ． 3 不确定性分析方法 随着科学技 术的进步和滑坡 、边坡理 论研究的深 入 ， 人们 已普遍认 识到传统 的 边坡稳 定性分析 中还存在许多不确定性 因 素。近年在评价边坡稳定时将这些 不确定 性因素考虑 了进去 ， 其主要方 法有可靠度 评价 方法 、灰色 系统理论分析 法、模糊综 合评判法和人工神经 网络分析 方法等。 2 ． 3 ． 1 可靠度评价 方法 边坡工程可靠性分析是近 2 0年发展起 来 的评价边坡 工程状态的新 方法 ， 它把边 坡岩体性质 ， 荷载 ， 地下水 ， 破坏模式 ， 计算 模 型等作为不确 定量 ， 借鉴结构工程 可靠 性理论方法 ， 结合边坡工程的具体情况 ， 用 可靠指标或破 坏概率来评价边坡安全度 。 2 ． 3 ． 2 灰 色系统评价法 灰 色系统 理论认 为 ， 在决定 事物 的诸 因素 中若既有 已知 的 ， 又有未知的或 不确 定 的 ， 它们 所在 的系统 则称 为灰 色系统 。 下转 5 7 页 科技创新导报 Sc i e n c e a n d Te c h n o l o g y I n n o v a t i o n H e r a l d 5 5 工业 技术 垫 2 Q Sci en ce and Tech nol ogy I nnov at I O n Her a l d 作按钮设 置了 自保持功能 ， 容易造成运行 人 员操作不 当， 快迅关闭旁路挡板 ， 影 响机 组的安 全运 行 。建议 取消 烟 气旁路 挡板 “ 关”操作按钮的 自保持功能 ， 更改为每次 操作 “ 关”按钮 ， 发 2 秒脉冲指令 “ 关”烟 气旁路挡板方 式 ， 避 免烟气旁路 挡板关闭 过快 。 2 增加烟气旁路挡板执行机构数量 。 烟 气旁 路挡板一般 由多块挡板叶片组 成 ， 如果全 部挡板叶 片都 由同一个执 行机 构带动 ， 当执行机构故障时 ， 整个旁路挡板 均无法操 作 ， 威胁机组及 脱硫设备安全 运 行 。为 了避 免这种情 况的发生 ， 建议将烟 气旁路挡板中的每一块挡板叶片分别安装 不同的执行 机构 ， 从而提 高烟 气旁路挡 板 的可靠性 。 3 烟气旁路挡板必须设置可靠的备用 电源 ， 并具备失 电或控制 气源 中断时 自动 开 启 功 能 。 3关闭烟气旁路挡板运行注意事项 3 ． 1烟气旁路挡板关闭前的检查 全面检查增压风机 含油站 运行正常 ， 动 叶 调 节 可 靠 。 检查吸收塔浆液循环泵 、石灰石供浆 系统 、石膏真空脱水 系统 、G G H、除雾器 等设 备运行正常 ， 能满 足关闭烟气旁路 后 的脱硫烟 气负荷。 机组负荷、炉膛压 力稳定， 送、引风机 运行正常 ， 油枪全部退 出运行 ， 原烟气 S O， 浓 度 、含 尘 率 正 常 。 3． 2关闭烟气旁路挡板的操作 联 系机 组集控 室 ， 适 当提高增压 风机 出力后 ， 相继 缓慢关 闭各烟气旁路挡板 ， 关 闭过程中保持各旁 路挡板开 度基 本一致 ， 并 调节增压风机 动叶 ， 维持增压风机 入 口 负压稳定 ， 密切监视 增压风机 电流 、锅炉 引风机 电流 ， 要求相 同烟气负荷 ， 关 闭烟气 旁路挡板 前后 ， 锅炉 引风 机 出力应 维持基 本一致 。 若烟气旁路挡板超过一 周没有进行过 关闭操作 ， 则在 旁路档板 关至非开位 和全 关后在脱硫控制室和机组集控室各手动试 开 一 次 。 3． 3烟气旁路挡板关闭后运行注意事项 掌握 引风机克 服锅炉 设备 阻力 ， 增压 风机 克服脱硫 设备阻力原 则 ， 即脱硫关 闭 烟 气旁路运行 后 ， 相 同烟气负 荷引风机 出 力应 与旁路关 闭前基本一致 ， 这样当增压 风机跳 闸 、烟 气旁 路挡板保护 快开时 ， 方 可避免 因引风 机的出力偏大 或偏 小 造成 锅炉压力 的不正 常减小 或增大 。实际运 行 中， 由于锅 炉和脱硫烟 气系统 阻力均可 能发生变 化 ， 因此应定期 进行增压 风机出 力优化试 验 ， 即定期试验烟 气旁路 挡板全 开、脱硫低 负荷运行时 ， 一 定烟气 负荷 对 应的 引风机 出力 ， 以此定 期检查 、确定 烟 气旁路挡板全 关后增压风 机的合理 出力 ， 避免 F G D保护发生时锅炉炉膛压力波动过 大 。 定期试 验开关 烟气旁 路挡板 ， 确认 旁 路挡板 能可靠开启 。 机 组运行 、脱硫停运期 间 含机组启 、 停过程 ， 保持烟 气旁路挡板全开状态并拉 电， 就地上机械锁 ， 避免旁路 挡板误 关。 强机组集 控与 脱硫人 员的联 系 当机 组集控人员进行加 、减 负荷或投 、停制粉 系统等可能造成烟 气流量变化较大的操作 前， 及时通知脱硫人员 ， 发生事故时可先直 接快开烟 气旁 路挡板 ； 当脱硫 人 员发现 增 压风机运行不正常 、GG H压差过大 ， 或有 关 操作可能影 响烟气系统安 全运行时 ， 及 时 联系机组集 控人 员， 必要时预 先开启旁 路 挡板 。 3． 4烟气旁路挡板关闭运行 ， F G D保护动作 事故处理 注意事项 若发生增压风 机跳 闸而旁路挡板不能 自动快开时 ， 运 行人 员应立 即手动按旁路 挡板快开按钮 ， 若快 开仍 不能动作 ， 则迅速 检查增压风机 ， 具备 启动条件则立即复位 、 重启增压风机 。机组运行人员根据炉膛压 力波动情况 ， 及时调整送 、引风机出力， 快 速减负荷 ， 尽量维持炉膛压力及燃烧稳定 。 若 因旁路 挡板不能开 启造 成锅炉 MF T保 护动作 ， 按紧急停机处理 。 两炉一塔 脱硫 装置发生 单侧增压风机 跳闸时 ， 运行人 员注意及 时调 整运行侧增 压风 机出力， 维持增压风机入 口压力稳定 ， 减少锅炉炉膛压力波动 。 若发生所有循环泵停运而 F G D保护不 动作时 ， 应立即手 动快开烟气旁路挡板， 旁 路全 开后停运 增压凤机运行 ， 避 免高温烟 气进 入无喷淋 的吸收塔 ， 损坏 除雾器等设 备 。若此时旁路 挡不能开启 ， 应尽快检 查 重启 循环泵 ， 同时投 入备用除雾 器冲洗水 泵运 行 ， 并 尽快 、尽 可能 多地投入 上层除 雾器冲洗 机组方面降低负荷运行 ， 降低排 烟温度 ， 必要时紧急停炉 。 如果 F G D保护信号来 自锅炉全部引风 机跳 闸， 则 当锅 炉发生非全部 引风机跳 闸 引起 的 MF T保护动作时 ， 烟气旁路挡板 不 会保护快开 ， 但此 时增压凤机 也处于运行 状态 ， 能保证锅炉的通风 ， 运行人员可手动 开启旁路挡板后 ， 再停运增压风机 。 火 电厂保持脱硫烟气旁路挡板长期全 关运行 ， 既是环保部门对发电企业的要求 ， 也是发电企业应该承当的社会责任 。许多 火 电厂烟 气脱硫运 行的实践证 明， 只要 我 们善于学 习、总结 ， 努力提 高设备运行 的 可靠性 ， 完全 可以实现全 关脱硫烟气旁路 挡板长期稳定运行 。 上 接 5 5页 把系统 中的一切信息量 看作灰色量 ， 采用 特有的方法 建立描述灰 色量 的数学模型 。 利用灰 色关 联度分析原理 ， 确定 边坡稳定 性 各影响 因素的影响程度 ， 进而 利用多 因 素叠加 分析 评估边坡 的稳定性 。 2 ． 3 ． 3 模糊综 合评价方法 模糊 综合评价 是应用模糊变换原理和 最大隶属度 原则 ， 综合考虑 被评事物或其 属性的相关 因素 ， 进而进行等级 或类别评 价 。 3露天边坡稳定性分析新方法及发展趋势 1 有限元强度折减法在 三维边坡稳定 分析中的应用。边坡稳定性分析的有限元 强度折减法是通过不断 降低边坡 岩石体抗 剪强度参数 直至达到极 限破坏状态 ， 以得 到边坡强度储备安全 系数 。 2 人工神经网络法 。人工神经网络是 一 种非线性动 力学系统 ， 具有较 强的非线 性 映射能 力 ， 在不知道数据 的具体分布 形 式和数据之 间的制约关系的情况下也能进 行 非线性映射 。通常借助人工神经网络 模 型建立 边坡 滑坡预报 系统 。 3 边坡稳定性评价 向着多种分析评价 方法 的综合评价方法发展 随着数 值分析 方法的 不断发 展 ， 不 同 数值方 法的相互 耦合是一大发 展趋势 ， 如 有限元 、离散元和 D DA之间的相互耦合 ， 数 值法和极 限平衡法 的相 互结合 ， 这些 方 法 的耦合能 充分发挥各 自的优点 ， 解决更 复杂的 边坡 问题 。 4结语 露天矿 的边坡 稳定性 评价是一个非常 复杂的 系统 地质 问题 ， 对露 天矿边坡 稳定 性的合理评 价不可能 应用单一 学科 ， 而应 该是 工程地 质学、岩石力学 、土木工程学 及计算 数 学等 学科 及专 业之 间的 相互 渗 透， 相互融合 ， 才能更好 、更有效地解决边 坡稳定性这 一复杂的系统地质工程问题 。 随 着现 代工程勘 察技术 、信息技术 、 数值方法、人工智能及专家评判系统等 的 发展 与应用 ， 必将使边坡稳 定性评价 向着 更综合 、更科学 、更 合理 的方向发展。 参考文献 【 1 】郑颖 人 ， 等 ． 边坡 与滑 坡 工程治 理 ． 北 京 ． 人 民交 通 出版 社 ． 2 0 0 7． [ 2 】张四维 ． 我国露天矿边坡工程研究成果 与进展 ． 地质灾害与环境保护 ， 2 0 0 0 ． 6 ． [ 3 】孙 玉科 ， 等 ． 矿 山边坡稳 定性研究 的回 顾与展望 ． 工程地 质学报 ， 1 9 9 8 ． 1 2 ． 科技创新导报 S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n n o v a t i o n H e r a l d 5 7