白音华三号露天煤矿内排土场边坡稳定性研究.pdf

／1 I l l I t l l l l I I I I l l l l l l I I i l l I L l l ／I I I I I I L I I II IL U l Y 3 4 6 9 8 4 2 ⑧辽宁工程技术大学 硕士学位论文 直音华三号露天煤矿肉排场边坡稳定性研究 重望照X ．Q n ．．t №．] } 魏h i 聃衄．鲢I l 骢魏￡r ．．I 咖n ．i 骢．虽鱼D 喱堕h 觋- 1 1 9 变量⋯ Q 腿廷．肫 ．M 脚旦 作者姓名关依梦 指导教师范军富副教授 学科专业采矿工程 二。一六年六月 万方数据 分类号 U D C6 2 2 学校代码 密级 1 0 1 4 7 公五 硕士学位论文 白音华三号露天煤矿内排土场边坡稳定性研究 s t u d yo ns t a b n i 鲤o fI n n e rD u m nS l o n ei nB a 逸i n h u aN O ．3 ⋯⋯⋯⋯●●一ⅢⅢ川ⅢⅢ川Ⅲ川●●●●Ⅲ川川Ⅲ川川川ⅢⅢⅢⅢ●- ●ⅢⅢ⋯■■■⋯O ⋯⋯ⅢⅢ●●●■ⅢⅢⅢ川ⅢⅢⅢⅢⅢⅢ O D e n ．n M i n eU D e n - M l n e ⅢI ⅢⅢⅢ一．i ．⋯t ⋯ⅢⅢⅢ 作者姓名关依梦 指导教师范军富副教授 申请学位工学硕士 学科专业采矿工程 研究方向露天开采理论与技术 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明l 唧嬲 本学位论文作者及指导教师完全了解辽主王猩拉丕太堂有关保留、使用 学位论文的规定，同意辽主王猩拉丕太堂保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名燮 浏衫年石月伽 导师签名 菇旱富 ≥口I 石年石月I ▲日 万方数据 万方数据 致谢 时光荏苒岁月如梭，转眼间三年的研究生求学生活即将结束，站在毕业的门槛上， 回首往昔，奋斗和辛劳成为丝丝的记忆，甜美与欢笑也都尘埃落定。辽宁工程技术大学 以其优良的学习风气、严谨的科研氛围教我求学，以其博大包容的情怀胸襟、浪漫充实 的校园生活育我成人。值此毕业论文完成之际，我谨向所有关心、爱护、帮助我的人们 表示最诚挚的感谢与最美好的祝愿。 论文是在导师范军富副教授的悉心指导和关怀下完成的。在研究生学习和学位论文 撰写期间，得到了导师和其他老师的谆谆教导和帮助，才使我能够顺利地完成学业。在 论文的撰写过程中，导师对论文的选题、研究内容、研究方法、技术路线等提出了大量 宝贵意见，在此表示最真挚的感谢 并对所有帮助我、关心我的各位老师表示诚挚的感 谢 在做论文期间，得到了王东副教授、刘光伟副教授的大力帮助，在此向二位老师表 示深深的感谢 在学习期间，露天开采教研室的宋子岭教授、白润才教授、曹兰柱教授给予我很大 的帮助，在此向他们表示深深的感谢 衷心感谢各位专家、教授在百忙之中评审本论文，由于作者水平有限，难免有许多 疏漏和不足之处，衷心地希望得到你们的指教 在论文的撰写过程中，作者引用了大量的文献，在此向各参考文献的作者表示感 谢 万方数据 摘要 充分利用内排空间是减小运输成本与征地费用的重要途径。论文以白音华三号露天矿 东、西坑内排土场边坡为工程背景，综合运用现场调研、理论分析、刚体极限平衡与数值 模拟相结合的方法，研究了内排角度及内排土场发展至不同工程位置对内排土场边坡稳定 性的影响，设计了排土场发展中的边坡形态，揭示了内排土场滑坡机理。 研究结果表明白音华三号露天矿内排土场边坡潜在滑移模式为排弃物料内部剪切圆 弧．基底弱层相结合的组合滑动；随着边坡角的减小及推进距离的增加，内排土场边坡稳 定性近线性增加，其中，内排角度对边坡稳定性的影响较显著；东坑内排推进距离0r n 、 2 0 0m 、4 0 0 m 、6 0 0m 、8 0 0m 、1 0 0 0m 时，内排稳定边坡角分别为1 2 。、1 2 。、1 2 。、 1 3 。、1 3 。、1 4 。，平盘宽度分别为6 7 m 、6 6 m 、6 9 m 、6 4 m 、6 1 m 、6 7 m ；西坑推进距离 0r n 、2 0 0m 、4 0 0m 、6 0 0m 、8 0 0m 、1 0 0 0r l l 时，内排稳定边坡角分别为1 3 。、1 4 。、 1 4 。、1 4 。、1 4 。、1 4 。，平盘宽度分别为5 9m 、5 9m 、5 2r n 、5 7r n 、5 2m 、5 2m ，均 达到安全储备系数1 ．1 的要求滑坡机理为基底弱层在排弃物料自身重力作用下产生塑 性屈服，与排弃物料内部产生的滑面贯通，形成以剪切圆弧为侧界面、基底弱层为底界面 的切层．顺层滑动。为白音华三号露天煤矿内排土场设计提供技术支撑，同时为类似条件 下内排土场边坡稳定性分析提供借鉴。 关键词露天煤矿；基底顺倾弱层；边坡稳定性；滑坡模式；内排土场 万方数据 A b s t r a c t T h ei m p o r t a n tm e t h o do fr e d u c i n gt h et r a n s p o r t a t i o nc o s ta n dl a n da c q u i s i t i o ne x p e n s ei s m a k i n gt h em o s tu s eo fr e d u c i n gt h ei n n e rd u m p i n gr o o m ．T h ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n do ft h e t h e s i si st h ee a s to ft h eB a iY i n h u aI I Im i n ea n dt h ei n n e rd u m p i n go ft h ew e s t e mp i t ．W i t ht h e c o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o no ft h es i t es u r v e y , t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n dt h ec o m b i n a t i o nr i g i d b o d yu l t i m a t ee q u i l i b r i u m 谢t 1 1n u m e r i c a lm o d e l i n g ，i ts t u d i e st h ea n g l eo fi n n e rd u m p i n g ，a n d t h ee f f e c to ft h ed i f f e r e n tp o s i t i o no fi n n e rd u m p i n gd e v e l o p m e n ta n di t ss l o p es t a b i l i t y ．T h e t h e s i sd e s i g nt h es l o p ef o r m a t i o ni nd e v e l o p m e n t ，r e v e a lt h el a n ds l i d em e c h a n i s mo ft h e i n t e m a ld u m p i n g ． T h ec o n c l u s i o no ft h er e s e a r c ht e l l sU St h ei n n e rd u m p i n gp o t e n t i a ls l i p p a g ep a t t e r no ft h e B a iY i n h u aI I Ii st h ec o m b i n a t i o ns l i p p a g eb e t w e e nt h ei n n e rc u t t i n ga r Ca n dt h eb a s ew e a k l a y e r ．T h es t a b i l i t ro ft h ei n n e rd u m p i n gw i l le n j o yt h el i n e ri n c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s eo ft h e a n g l eo f t h ei n n e rd u m p i n ga n dt h ei n c r e a s eo ft h eb o o s td i s t a n c e ．D u r i n gt h i sp r o c e s s ，t h ea n g l e o ft h ei n n e rd u m p i n gw i l li n f l u e n c et h es t a b i l i t yd r a m a t i c a l l y ．T h es t a b l es i d es l o p ea n g l e so f i n n e rd u m p i n ga r er e s p e c t i v e l y1 2 0 、1 2 。、1 2 0 、1 3 0 、1 3 0 、1 4 0 ，t h ew i d t ho ff l a tp a na r e r e s p e c t i v e l y6 7 m ，6 6 m ，6 9 m ，6 4 m 、6 1 m ，6 7 m ；w h e nt h ep u s h i n gd i s t a n c eo f t h ew e s t e r np i t a r eO m 、2 0 0 m 、4 0 0 m 、6 0 0 m 、8 0 0 m 、1 0 0 0 m ，t h es t a b l es l o p ea n g l e so f i n n e rd u m p i n ga r e1 3 0 、 1 4 0 、1 4 0 、1 4 0 、1 4 0 、1 4 0 ，w h e nt h ew i d t ho f f l a tp a na r er e s p e c t i v e l y5 9 m 、5 9 m 、5 2 m 、5 7 m 、 5 2 m 、5 2 m ，i tw i l lm e e tt h es e c u r i t ys a v ed e m a n d so f t h er a t i o1 ．1 ．T h em e c h a n i s mo fl a n ds l i d e i st h a tb a s ew e a kl a y e rp r o d u c ep l a s t i cy i e l d i n gw i t ht h es e l f - g r a v i 锣o ft h ed u m p i n gm a t e r i a l s ， a n di ta l s op r o d u c et h es l i d es u r f a c ec u tt h r o u g hw i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h ed u m p i n gm a t e r i a l s ． A sar e s u l t ，i tw i l lf o r mt i e r - b e d d i n gs l i d ew h i c hu s e st h es h e a ra r c ha st h es i d ei n t e r f a c ea n d u s e st h eb a s ew e a kl a y e ra st h eb o t t o mb o u n d a r y ．T h i sp a p e rp r o v i d e st e c h n i c a ls u p p o r tt ot h e d e s i g no fB a iY i n h u aI I Io p e n c a s tc o a lm i n ed u m p ，a n dr e f e r e n c ef o rt h ea n a l y s i so ft h e s t a b i l i t yo ft h ei n n e rd u m p i n gu n d e rt h es i m i l a rc o n d i t i o n ． K e yw o r d s O p e n P i tC o a lM i n e ；B a s eW e a kL a y e r ；S l o p eS t a b i l i t y ；L a n d s l i d eP a t t e r n ； I n n e rW a s t eD u m p i n g 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 选题背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 边坡稳定性分析方法研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 软岩边坡稳定性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．2 ．3 顺倾软弱基底排土场稳定性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．2 ．4 排土场边坡研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．4 研究方法及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 边坡工程地质条件分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 边坡工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 内排土场稳定性影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．4 潜在滑坡模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16 2 ．4 ．1 边坡变形破坏类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．16 2 ．4 ．2 内排土场边坡潜在滑坡模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．5 岩土体物理力学参数分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．6 ／J 、结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 边坡稳定性定量分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．1 极限平衡理论概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 计算方法和选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．3 安全储备系数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．4 内排土场稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 边坡失稳特征数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．1 数值模拟方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．1 ．1 强度折减法的计算原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 ．m ． 万方数据 4 ．1 ．2 失稳判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．2F L A C 3 D 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 4 ．3 建模步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．3 ．1 数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．3 ．2 计算参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 ．4 数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 4 ．4 ．1 应力云图分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51 4 ．4 ．2 应变云图分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 4 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 5 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 5 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 5 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1绪论 1 ．1 选题背景及意义 对于露天矿内排土场来说，其稳定性问题包括两个方面，一方面是安全问题，另一方 面是经济问题。随着内排土场最终帮坡角的逐渐增大，排弃高度随之越加，直接经济效益 显著，但发生滑坡危险的可能性也相应提高了，安全问题突出，对露天矿安全生产造成了 巨大的影响。随着露天矿数量及产量规模的不断增加，大部分露天煤矿排弃物料逐渐由外 排转入内排，造成内排土场滑坡灾害频频发生。例如2 0 0 5 年1 1 月、2 0 0 6 年5 月，神华 宝日希勒露天煤矿在其首采区剥、采、排工程中，先后发生两次滑坡事故 如图1 ．1 ．a 。此 后，随着排弃量的日益增多，于2 0 0 9 年5 月2 日，在内排土场 6 6 0 水平发生了竖直沉降 量加剧现象，表现出明显的位移变化，最终导致内排土场发生滑坡，持续时间较长，约2 小时左右，滑体体积拒不完全估计约为1 0 5 0 万m 3 ，滑移距离约为2 0 0 m j t l 图1 ．1 ．b 所示 ； 霍林河北矿一采区东帮内排土场边坡自2 0 0 5 年发生蠕动变形破坏，至今己形成较大范围 的变形区域，其三采区东排土场边坡2 0 1 5 年发生了滑坡事故，一、三采区东排土场变形 区域均压覆大量煤炭资源。 a 2 0 0 6 年5 月 b 2 0 0 9 年4 月 图1 ．1 露天矿内排土场滑坡 F i g ．1 ．1D u m pl a n d s l i d ei nB a r i x i l eo p e np i tc o a lm i n e - 1 ． 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 白音华三号露天矿外排采用的是单斗一卡车间断式开采工艺，受卡车燃油消耗及外排 运距等因素的影响，随采白音华三号露天矿东、西坑剥采工程逐渐推进，外排土场运距逐 渐增大，排弃物料选择进入外排土场的运输成本增大。随着剥采工程的发展，内排空间将 逐渐释放，此时进行内排可充分利用内排土场空间，减少外排量，具有可观的经济效益。 因此，尽早实现内排，能提高露天矿的经济效益。该矿内排土场基底由细砂岩、泥岩等组 成，为中软岩石，泥岩遇水易软化形成弱层，加之白音华三号露天矿东、西坑内排基底顺 倾，因此其内排土场存在很大的安全隐患，有必要对白音华三号露天煤矿东、西坑内排土 场边坡稳定性进行研究，设计合理的内排参数。 论文以白音华三号露天煤矿东、西坑内排土场边坡为工程背景，研究内排角度及内排 土场发展至不同工程位置对内排土场边坡稳定性的影响，揭示内排角度对边坡稳定性的影 响规律。为白音华三号露天煤矿内排土场设计提供技术支撑，同时为类似条件下内排土场 边坡稳定性分析提供借鉴。 1 ．2 国内外研究现状综述 1 ．2 ．1边坡稳定性分析方法研究现状 边坡的稳定性研究在国内外己取得了很多成果，边坡稳定计算方法和理论也在逐日改 善，“地质历史分析”方法和土力学的基本理论【2 】已进入应用，对均质的连续介质视为地 质体，现代数值分析理论【3 】己被应用到采用刚体极限平衡理论发展、应用计算机的计算机 仿真技术当中。目前，主要采用以下方法和理论对边坡稳定性进行分析评价。 1 定性分析方法 该法首先通过勘察工程地质概况【4 】，综合分析边坡稳定性的主要影响因素、潜在变形 破坏方式和边坡失稳的内部力学机制等，对已经变形的地质体的原因及它的演化史进行一 系列的分析。进而得出被评价边坡的稳定性状况以及其可能发展的趋势的定性说明与解释 【5 矧。它的优点非常明显，能够对影响边坡稳定性的多个因素进行综合地考虑、对边坡的 稳定状况做出快速地评价，并且对其发展趋势做出合理的预测，最后合理地确定露天矿帮 坡角，常用的方法主要有下面几种。 ①工程类比法 此方法就是利用已经存在的人工边坡或自然边坡的影响因素和稳定性状况、类似边坡 设计方面的经验，并将这些经验应用到类似边坡设计与稳定性分析中的一种方法。它首先 进行一系列的调查与分析，然后对工程地质的异同性进行全面地研究，对边坡各发展阶段 的异同性以及变形破坏的各个主导因素加以分析。兼顾工程的等级、类别等的特殊要求 【_ 7 。引。通过分析这些理性分析和稳定性研究对象的现状和发展趋势的判断、强化处理。在 ．2 ． 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 工程实践中，可以类比自然斜坡，也可以进行类比人工边坡，还可用于天然和人造斜坡之 间的类比。 ②图解法该法又可细分为赤平投影图法和诺模图法。 诺模图法这种方法是使用曲线或计算图表来表达相关参数之间的边坡稳定性，进而 求出边坡稳定性安全系数，或者根据需要的安全系数和一些参数来反分析出其它的参数 内聚力、内摩擦角、结构面的倾角，坡角，坡高等 的方法。它本质上是一种简化的数 学分析方法，如T A Y L O R 图解等。这种方法主要用于分析边坡稳定的土壤或风化与曲面。 投影图法投影图方法是使用红色的平面投影的原理，使地图展示边坡变形和破坏的 边界条件。分析一些不连续面之间的组合关系，可能失稳的岩土体的形态及其可能滑动方 向等，从而评价边坡的稳定性，并且给力学计算奠定了信息基础。常用的方法包括赤平极 射投影法、实体比例投影法、M a r k l a n d 投影法等。投影图法目前主要运用于岩质的边坡 岩体的稳定性分析【弘1 1 】。 3 定量分析方法 ①数值计算．极限平衡法 这种方法最早的定量方法，它已经相对成熟，也是使用最广泛的方法。该方法的理论 基础为极限平衡理论，相对简单，它的优点在于在不能给出应力作用下的结构变形图像 的情况下，依然能够对结构的稳定性得出精准的结论，早期的极限平衡法主要是运用在各 种假设的条分法的基础上。 条分法最早是瑞典人P e t t e r s o n 提出的，为了简化计算复杂度，瑞典法的两个最基本 的假设假设一个剪切表面是圆形的，第二个是不考虑力之间的划分。这两个基本假定也 正是它的不足之处。原因主要有二一个是除了均质的边坡外，一般的边坡或者滑坡的滑 面形态并不一定为圆弧型，如果依旧采用圆弧面分析就会不合适第二个是不管斜率或滑 坡的稳定状态和相互作用力 测向压力 之间必须存在，如果不计算这些力，将对计算结 果产生影响。出于这个原因，后来的人F e l l e r d u s 方法，使一系列的改进。并得出结论， 认为各种力学方法的基础上，如F e l l e n i u s 法、J a n b u 法、B i s h o p 法、M o r g e n s t e m 法、S p e n c e r 法、S a r m a 法等【1 2 】，并且开发了相应的计算机程序。条分法的发展己经相对完善，这种方 法简单且实用，得出的计算结果相对可靠，是工程中运用最为普遍的一种边坡稳定性分析 方法，如上。它的缺点也很明显，方法没有考虑坡体的应力应变关系，内部岩石和土壤质 量，所得安全系数假设平面上滑动平均安全系数无法分析边坡变形和破坏的发生和发展的 过程，也不能考虑到局部的变形。 ②数值分析法 由于边坡稳定性计算的数值模拟方法主要有有限差分法 F D M 、边界单元法 B E M 、 快速拉格朗日法 F L A C 、离散单元法 D E M 、有限单元法 F E M 等，通过分析边坡或滑坡 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 内部的结构应力、应变特性分析给定部分的变形和稳定性。该方法的计算精度随单元划分 的参数精度。因此，做很多的实验来确定岩石和土壤的物理力学参数在每个单元，如果由 于资金约束可以做大量的岩土测试，它将影响到计算结果【l3 1 。此外，过程有许多参数假 设，分析的过程是复杂的，和分析结果往往不能直接工程单位的安全系数，从而限制了该 方法的使用。更重要的是在数值分析中，最大的矛盾是本构关系的研究远远落后于计算机 技术的发展，作为一个约束的计算结果的可靠程度的瓶颈。随着分析的数值方法的发展已 经开始考虑非线性和几何非线性的本构关系，岩石和土壤本构模型，进行了弹性和粘弹性 塑料的发展模式，粘塑性和粘弹塑性模型。岩石损伤和断裂力学理论和大变形理论，介绍 了数值分析结果更接近实际，是数值分析方法的未来发展的方向。 ③概率分析法 在边坡稳定性的分析，长期的工程实践表明，稳定系数计算方法基于极限平衡法是一 种有效和实用的方法。在一些特定案例中，稳定性系数大于1 ．O 的边坡却发生了失稳破坏， 而稳定性系数小于1 ．0 的却一直处于稳定状态。也许原因是在许多方面，但也显示了传统 边坡力学计算还存在一些问题。人们发现，地质环境的斜率不是静态的，影响边坡的稳定 性有许多不确定因素。我们很难以用固定的分析方法准确地描述。边坡岩土体是地质体的 一部分，是经过长期的地质作用而产生的，它所涉及的工程地质条件是复杂多变的，岩土 体参数是随机相关的。通过大量的工程岩土试验，我们可以知道，同类岩土体的强度参数 不是随机分布的，通常呈某种概率而分布，因而，人们的研究方向从确定模型向斜坡破坏 概率方向或概率分析转变。由于边坡系统的复杂性和灰色性，导致得到的解不是最优解， 并且具有不确定性。理想的满意解是需要结合确定模型与概率模型而求得。该法在斜坡的 可靠性分析与设计中应用广泛，因为系统内的不确定性和相关性等问题通过可靠性理论完 全可以解决。研究方法简单概括为通过概率统计理论分析边坡稳定性各类影响因素，统 计概率分布特征，分析其对系统可靠度的影响【1 4 1 。用于边坡可靠性计算的模型主要有四 种，分别是统计矩法、一次二阶矩方法、蒙特卡洛模拟和函数连分式方法。近几年，用于 边坡可靠性分析的概率论方法得到了全面的发展，初步形成了可靠性分析理论【1 5 。16 1 ，但由 于复杂的边坡体变形破坏机理，造成了对于边坡稳定性因素的概率分布求解还不能保证其 准确性，对于基本变量本身来说，其可靠性还需更加深入的研究。除此之外，确定可靠度 数值更是难上加难，因此，这些因素都制约着可靠性分析方法的广泛发展与应用。 3 人工神经网络专家系统法 各种因素具有不确定性以及边坡变形的复杂性破坏过程影响边坡稳定性，工程判断很 难得出很准确的答案，因此工程设计和决策仍不能全部依赖于数值计算和理论分析，在很 多情况下，依然要参照于专家的经验和类比，所以说，提高工程质量的有效途径必须提高 我国工程师的整体素质和专业技能。伴随着计算机时代的发展，根据人工科学智能的理论 ．4 ． 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 开始使用在边坡稳定性的研究。7 0 年代末人工神经网络专家系统是迅速使用并快速发展 起来的应用计算技术的一种，是根据专家的知识和经验进行判断特定范围问题求解的非数 值的计算机分析软件。内部连接的组织结构具有对数据的高度自适应能力，从实例中学习 获得、储备知识、可使用不完全或者模糊的信息进行不确定性的推理是计算机的特性。根 据用户提供的充分学习样本、数据进行学习，使系统获取充足的知识和经验后，针对研究 的例子作出分析判断，来给用户分析和决策使用。这类系统的特征是，计算机有着类似专 家式的咨询作用，以专家知识为基础的系统是该系统的特征，所以可达到专家处理问题的 水平。边坡工程是一个较为复杂的系统，有特别多不确定性、模糊性和随机性因素影响着 边坡的稳定性，所以，把这个用在边坡稳定性研究是有发展和有意义的方向。就目前状况 来说，人工神经网络方法仍处于研究理论阶段，问题主要在于大多边坡工程专家系统均采 用人工方法取得专家经验知识，系统得取知识主要依赖于输入的因子，而因子的选择及因 子的数据解决问题在学术界未达到统一，有待进一步的研究【1 。7 。。 边坡稳定性分析确定合理帮坡角的方法很多，但是由于岩土材料通常是极不均匀的， 又包括复杂的工程力学特性，一种方法不可能完全准确适用。因此，两种或多种方法的综 合应用，将成为解决此类问题的办法。 1 ．2 ．2 软岩边坡稳定性研究现状 自从建国以后，我国露天矿的建设和开采规模不断地扩大、矿坑开采深度也不断下降， 慢慢形成凹陷的采场或者深凹的采矿场，露天矿的边坡设计以及最终边坡角的确定、露天 矿边坡性的评价等工作逐渐变得越来越重要，随之便使关于边坡稳定性问题的研究成为一 项特殊的研究课题，在我国进行了日益深入系统的研究。 在5 0 年代初期，这方面的研究主工具一般主要是比较传统的工程地质学原理等方法， 仅仅是局部性地研究造成滑坡的原因和治理滑坡的相关措施，在关于露天矿的边坡整体性 研究问题还没有做到充分的研究。关于边坡工程设计方面，设计确定最终边坡角主要是根 据以往的经验和数据。这种经验类比法虽不是很精确仍有一定的参考和使用价值。但软岩 边坡问题无论从理论上或是从工程上均未得到专门的重视。6 0 年代中期，研究人员开始 对矿山地质构造进行现场调查并在此基础上进行地质结构分析，还作了各种岩体及弱面的 大型现场试验，包括室内不规则试块试验以及三轴试验等，而且关于边坡稳定性的分析和 计算也全部选用的是抗剪后的残余摩擦强度指标用于计算，研究结果的应用有效的使露天 矿的边坡角的设计得到了充分极大的提高。 7 0 年代后，人们通过对金川露天矿边坡变形长期研究和长期观测，发现了边坡倒倾 变形的新的变形破坏机制，建立对应的地质工程模型，模型的内容和特点是 1 边坡变形的机制同时受到反倾向的结构面 层面、断展面 的控制和影响。它的 ．5 ． 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 主要特征是在边坡上显现的比较大的变形和裂缝都是沿着反倾向的结构面来发展的。 2 造成露天矿的边坡变形的最主要的原因是采矿和剥离工程所产生的卸荷作用，因 为露天矿往往在高地应力区，导致露天矿的边坡产生强烈变形的主要的力学方面的原因是 地应力的释放。除了停止开采外，这种变形难以控制。 3 影响露天矿边坡发生变形的规模大小与速度的快慢，主要是取决于开采下降的深 度和开采下降的速度。露天矿边坡角设计的缓和还是陡峭并不能直接影响到边坡的变形。 国内外专家学者经过这十多年的辛苦研究工作，既极大地丰富了边坡岩体的结构类型包括 的内容，又在一定程度上明确建立了露天矿的工程地质岩组的划分的方法和内容，有效地 完善了关于露天矿的工程地质分区图的绘制和露天矿岩体结构图的绘制方法，同时也进行 了比较系统的地应力方面的测试，岩体力学方面的试验，力学物理机制的模拟，数值分析 处理数据等方面的研究工作，并成功的应用到工程实践方面。经过这些精细的研究和探索 工作，在我国露天采矿方面建立了关于边坡稳定性分析研究的岩体工程地质力学的研究方 法和研究理论，并将其成功地应用到了露天矿边坡稳定性的研究工分析工作中，这一研究 成果在7 0 年是具有相当的代表性的。 8 0 年代，边坡的稳定性研究得到了全面的发展。 1 边坡角的挖潜研究，确定更经 济合理的边坡角； 2 建立典型边坡“工程地质模型”，归纳出五种具有典型意义的工程 地质模型，这五种典型模式是①坐落式平推滑动；②沿水平软弱层面的整体性滑动 ③顺层边坡的快速滑动破坏；④反倾边坡的倾倒破坏；⑤具有块体滑移特点的山崩。 3 推广数值模拟技术，直到八十年代才将数值模拟技术引入到边坡稳定性分析领域中； 4 定向钻探钻孔岩芯技术； 5 可靠性分析，其中含有优化初始边坡，计算机模拟边 坡形成过程，经济风险分析等，为提高边坡稳定性打下良好基础。 6 应用C A D 绘图技 术，C A D 绘图技术的主要特点是用计算机绘制出边坡形态并对其稳定性进行分析，还可 以在C A D 软件的基础上根据工程需要开发功能，例如开发边坡稳定性管理系统，其中包 含工程地质信息数据处理系统，边坡监测系统，边坡稳定分析系统，边坡滑坡预警系统， 边坡滑坡模拟系统等。 9 0 年代后期，开始了“特殊工程地质岩组”与软弱岩石的工程地质分类的研究。我 国工程地质力学教授谷德振，根据几十年的实践经验提出“工程地质岩组’’理论，该理论 对岩体工程地质有极其重要的作用，奠定了软弱岩石工程地质基础。在工程实践中，特殊 工程地质岩组是造成大多数工程地质问题的主要因素，因此在研究软弱岩石分类研究时， 应当把对特殊工程地质岩组的研究作为基础研究。半个世纪以来，工程地质学的实践表明， 各种工程施工中遇到的软弱围岩类型属于特殊的工程地质岩组。应当指出的是软弱围岩只 是工程项目中的一个概念，所以在分布、工程特性及工程与研究有关的问题中必须涉及到 其组成、结构和分布的工程性质，即必然要研究各种特殊工程地质岩组的演变规律。另一 ．6 ． 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 方面，很长时间以来，还出现了“软岩”和“软弱岩石”的定义令人困惑的现象，其最为 重要的原因是我国缺乏这方面的深入研究，对于软弱围岩地质成因分析缺乏理论依据，缺 少对各种类型的形成演化分布的理性认知。往往是“瞎子摸象”各说各的。 国外研究现状 软岩是各种岩石类型经常造成工程问题或地质灾害的总称。所以，它往往是工程加固 和处理的重点对象。2 0 世纪7 0 年代以前我国称之为“特殊岩石”，8 0 年代时又更改为“复 杂岩石“。1 9 7 5 年，岩石力学家D ．U ．D e e r e 最早在“软弱岩石工程性质和问题”的专题报 告中提出了软弱岩石概念。1 9 7 9 年，D ．U ．D e e r e 在第四届国际岩石力学会议上就“软弱地 质带”问题对于应用岩石力学的意义再次作出了详细的说明。“软弱岩石”在1 9 8 1 年于日 本举行的“i n t ．s y m ．O nw e a kr o c k ’’会议上，引起了全世界各国专家学者的普遍关注。 1 9 8 6 年在国际工程地质界中“软弱岩石”的概念得到了重视和认可，第五届国际工 程地质会议在阿根廷召开，大会的第二个专门议程记为软弱岩石的工程地质性质，1 9 9 0