（矿业工程专业论文）黑山铁矿露天采场边坡稳定性研究.pdf

摘要 摘要 保持边坡稳定是露天矿生产经营的一项重要内容，边坡失稳已经成为影响、困 扰矿山安全作业和顺利经营的重要问题。据不完全统计，大中型鼯天矿山中不稳定 边坡或具有滑坡危险的潜在不稳定边坡约占边坡总长度的1 5 2 0 ，个别露天矿山 甚至可达3 0 以上，可见边坡稳定性问题日益重要。 本研究以黑山露天铁矿边坡为工程背景，在充分收集整理矿区工程资料的基础 上，对矿区边坡节理裂隙的发育程度及岩层结构等情况，进行了深入细致的调查研 究，分析了边坡破坏模式，进行了边坡稳定性工程地质评价现场采集了的备种岩 石试样并做了部分岩块试样的力学试验，通过实验数据和收集资料的对比分析，确 定了黑山铁矿边坡岩体力学性质参数，针对黑山铁矿工程地质条件、特征和形成机 制，采用极限平衡理论方法进行了边坡稳定性评价，提出了相应的护坡措施。 图2 l 表1 1 参6 0 关键词：极限平衡法计算露天矿边坡稳定性 分类号：中图分类号：t d 8 0 1 河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t k 毒印i n gb o f d e rs l o p e ss t a b i l 跏o ni s 姐i i n p o n a i i tc o m e m 籼u tm ey i e l d 柚dw o r k i ns m p c l i l i m 蚰d 也e 岫s t e a d yo f b o r d e rs l o p e h 鹊b e e n 蛆m a i n p r o b l e m t l l 砒a f l 硫t s 锄d 畔c m 髓t l l em a i n s 鞠f e t yt a s k 蛆dp f o p m o u sw o r k a c c o r d i n gt ot h ci n c o n l p l e t cs t a t ， t l l eu n 删yb o r d 盯o rt l l eb o r d e rt l l a th a v el 砷c yo fc o 蒯n gd a m g e ra 糟o c c i l p i e d l5 2 0 o f t h eb o f d 盯s l o p e st o t a ll c i l g c h ，姐dm o 辑t l l 雅3 0 i i i m e 印e c i f i c 蚶i p cn i i 鹏 i n d 。c d s ow ec 趾h o w 也a tt l l ep r o b l 黜o fk 删盯s i 叩e ss t a _ b i l i 枷o ni sb e c 嘲i n g i m p ( 咖ti n c f e 够i n g l y i tm a k e s 廿l ed a r km o u n t a i ns 啊p ei m nm i n e sb ( h d 盯s i o p e 嬲t l l eb k g r o u n do ft h e 胁g 妯e 盯，p u t su pe m b e d 舡i dm e t i c l l l o u sr e s e a r c h 舭di n v e s t i g a t i a t m u tt h ed e v e l o p i n g d e g 糟eo fb m 如rs l o p e sc r a 皿y 姐dr o c kl a y e r ss 臼、t l l 托i nm i n ea 砖丛，a n di t 一 锄1 8 l y s c sn 懵d e s t r u “o nm o d e lo fb o r d 既s l o p e ，m 出e 3e n g 妇sa n dt e l 随q 叫埘s a p p 糟i s a la t ) o u tb o r d e r ，ss t a _ b i l i t y ，b o t i lo fw 址c ha 陀b 船e do nt l i ea _ b 岫d 跗tc o i l e c t i 伽m l d c o o r d i m 晡o na b o u tm i n c s 栅i g i n r i n g 出l 札m i tc o l l c c t sa l lk i i l d so fm c k ss 锄叩i ef b m l o c a l 髓ds o m eo fw 挝c ha 阳m a d eb ys o m cm e c h 姐i c st e s t t h r o u g ht h ec o n t m s to ft l l e t e s t sd a 毫aa i l d 幽衄n sc o l l 硒1 1 ，t l l en l e c h a i l i c sp 脚e 蠕a b o md a r km o u i 脚n 矧p e m mm i l l e sb o r d 盯s l o p er o c ka l ef i x e d a i m e da tt h ed a r km 0 l l i i t a i l ls 啊p ei 啪m i n e s 锄g i n 硎n g 锄dt e mq u a l i f i c a l i o n ，i ta d o p t st e l m i n a la n db a l 锄c e 也c o r yt 0m a d c 印删s a l a b o u tb o r d e rs l o p e ss t a b i l i 删o n ，如di ta l s ob r i r l gf b m 阻r d sc o r 糟s p o n d i n gm e a g u r c 3i l l p m t e c t i n gs l o p e s f i g u r e2 l ；n l b l e1 1 ；r c f c 础l c e6 0 k e y w o r d s ：l 州l i m i t sb a i a n c ec a l c u i a t i o n - s t r i pm i n i n g ， t h es t 且b i i 姆o f c h i n e s eb o o k s c a t a l o g ：t d 8 0 1 i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：i 量塑叁2日期：j 亟年上月坦日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：蚍导师签础日期：一日 引言 引言 在我国，金属矿山中占有相当比重的露天开采工程，边坡失稳已经成为影响、 困扰矿山安全作业和顺利经营的重要问题。 利用边坡稳定性分析的结果，可以对工程实践起到重要的指导作用。一方面， 通过对边坡稳定的分析，及时掌握边坡发展的趋势。对有可能发生的破坏做到提前 发现，采取相应措施及早防止，以避免不必要的损失：另一方面，边坡稳定性分析 又能为边坡角的优化设计提供依据。一般来说边坡角越大，开采时的剥岩量就越 少，可以节省大量的资金，但同时边坡却会因此而加陡，导致稳定性减弱。因此需 要在稳定性分析的基础上，合理解决两者的矛盾，在保证矿山安全作业的同时又为 矿山创造经济效益。 矿山边坡工程由于采矿本身的特点而具有一些其它工程所没有的特点：开挖地 层中特定的矿体确定了边坡的工程地质条件；由于采掘作业贯穿始终，边坡总是处 于不断开挖的动态变化过程中：采场中各种复杂的结构群体( 各种工作平台、堑沟及 出入坑线) 使边坡工程变得复杂；边坡的稳定性只在矿山的服务年限内有所要求，并 且允许岩体有一定程度的变形和破坏【2 l 。故而边坡稳定性分析需要针对矿山所在区 域的实际地质情况，在生产的过程中对边坡受开采的影响变化给予密切关注，研究 边坡岩体的变形和破坏情况，较为准确的判断引起边坡失稳的破坏和变形，判断出 其破坏模式以及预见其发展的变化趋势。 露天矿边坡工程的这些复杂性和特殊性决定了边坡研究是一项难度大、综合性 强、涉及面广的工作，一般说来，稳定性研究的工作内容主要包括：边坡岩体工程 的地质研究；岩体力学性质的试验研究；边坡稳定性分析和计算；边坡的监测等 等。稳定性的研究是在岩石力学的不断成熟基础上发展起来的，随着人们对岩体性 质认识的逐渐深入，改变了过去与工程实际相差甚远的力学机理和假设，出现了一 些较为准确的理论方法，同时新技术、新理论的引入也为解决规模巨大的工程提供 了更为科学的原理和方法。 当前，边坡岩体稳定性的研究中，国内外都很重视对岩体结构的研究，这是因 为岩体的结构是影响岩体稳定性、导致边坡岩体发生变形破坏的主要因素。在工程 实际中，最常用的分析手端是通过赤平极射投影法、概率理论研究分析裂隙的发育 规律，利用大型现场试验和小型室内试验来测定岩体的强度指标，密切结合工程岩 体的地质条件来进行稳定性分析评价的。 河北理工大学硕士学位论文 论文以承德钢铁集团有限公司黑山铁矿为工程背景，对该露天矿的边坡稳定性 进行分析。黑山铁矿露天采场目前最低开采台阶为7 8 0 m ，在西帮已形成了近1 5 0 m 的高边坡。西帮沿f 1 3 与f 2 9 两断层之间几年来曾多次发生滑塌，沿f 2 9 断层面也已 产生了楔形体滑动。因此研究采场边坡的稳定性机理，预测边坡滑体的发展趋势， 确定边坡的综合治理措施，是目前企业急待解决的问题。 2 一 l 文献综述 1 1 露天矿边坡工程的特点 1 文献综述 1 1 1 系统的复杂性 就边坡工程而言，具有系统的复杂性，这主要体现以下几个方面。其一：露天 边坡具有系统性，它是采矿工程大系统中的一个子系统，属矿山生产的安全保障系 统，矿山安全生产要求边坡保持稳定；其二：边坡的稳定性本身受既定的工程地质 条件和水文地质条件、岩性、地形地貌和新构造运动( 如地震) 、人类的工程活动( 如 露天，地下开采) 等因素的影响和控制，边坡的稳定性与这些因素综合作用有关，而 这些影响因素本身不但具有相当的复杂性、模糊性或不确定性，而且还受各相关因 素之间的相互影响f l 瑚。因此，只有从系统的角度对这些影响因素进行全面的分析， 才能使边坡整体性能达到最佳水平。对具体边坡而言，各因素在边坡稳定性中所起 的作用是不同的，因而在评价边坡稳定性时，还应区别各因素在边坡稳定中所起的 作用。其三：露采工作没有选择性。只能在有矿的地方进行，因而露采边坡工程只 能在既定的工程地质条件下进行开挖，其工程地质条件千差万别，岩体力学参数极 其复杂，具有相当的开采难度。 1 1 2 开放不可逆动态特性 开放不可逆性是指边坡系统随时对外部都有物质、能量、信息的交换，可以用 信息熵大小来描述；动态特性是指露天边坡总是处于随采矿活动不断进行的动态变 化中，随着矿山露采工作面的下延，工程地质条件的揭露，边坡体的物质组成、岩 性结构、几何形状及影响边坡稳定性的各种因素( 如地表水、地下水、爆破作用) 是 逐渐变化的，相应的边坡安全稳定性也是变化的，反映边坡岩体受力状态的应力、 位移等也是变化的。因此，随着露天坑的逐步下延，边坡高度逐渐加大，在一定的 开采技术条件下，边坡的安全系数是逐渐变化的。 总之，边坡是一个非常复杂的系统地质工程问题，极其复杂的地质因素决定了 对此问题的解决不可能一蹴而就、简单完成。这就决定了对边坡进行稳定性的评价 不可能应用单一学科，而应该是工程地质学、岩石力学、计算数学等学科相互渗透 及融合的过程。 河北理工大学硕士学位论文 1 2 边坡变彩失稳机理及破坏类型 1 2 1 边坡变形失稳机理 边坡发生变形破坏应具备两个条件：内部条件和诱发条件。 内部条件：边坡变形的内部条件是边坡发生交形破坏的必要条件，其对每个边 坡变形发生、发展是必不可少的。具备了这些条件，边坡就具备了变形破坏的可能 性。对任何边坡而言，起控制作用的内在条件包括【3 删： ( 1 ) 物质基础：适宜的岩土性质。岩层岩石性力学强度的高低，边坡岩体岩层之 厚薄的差异，不同的岩石性质、地层对边坡受力过程中的反映的区别，应力传递的 难易等均对边坡稳定性起到十分重要的作用【6 】。 ( 2 ) 结构条件：边坡岩体被切割而成为分离体。岩体结构的多样化使得边坡岩体 稳定性各不相同，成为斜坡分离体所必须的结构面，其规模大小不等，有些是原生 的，有些是次生的，更有甚者，是在边坡变形发展过程中所形成。边坡变形也为它 自身创造着结构条件。对边坡变形岩体的结构条件的分析，必须逐级抓住其控制作 用的软弱结构面进行组合论证【7 一。 ( 3 ) 空间保证：具备有效临空面，使边坡破坏有发展的空间。有效临空面的“有 效”表现在；首先，与边坡变形所趋方向倾向一致，使得引起边坡变形之合力方向以 及边坡所能释放降低的最大动能方向均指向临空面方向。其次，自由空间要能将控 制边坡变形之结构前缘切出，且陡度要大于控制结构面的陡度，使得边坡变形块体 有一个足够的势能转化空间【7 ，9 】。 诱发条件：常见的诱发条件有大气降水，地震触发以及水流对边坡坡脚的冲 刷、掏蚀作用。 1 2 2 边坡破坏类型 当边坡内部变化后形成新的应力状态超过岩土体的强度时，边坡将会处于不稳 定状态，并在复杂的内外地质应力和各种因素影响下继续变化发展，直至发生破 坏。边坡的变形一般是指坡体产生局部的位移和微破裂、岩块出现微量的角度化， 并没有显著的剪切位移或滚动，边坡整体不会失稳；而边坡的变形破坏则是指坡体 以一定的速度出现较大的位移，导致整个边坡岩体产生接体滑动滚动或转动，主要 形式有松弛张裂、蠕动、崩塌、倾倒和滑坡。变形和破坏是不同的，但二者在边坡 1 文献综述 变化的过程中却有着密切的联系，在边坡发生破坏前。岩体要经历一个从变形到破 坏的过程。边坡岩体的整体破坏的宏观表现形式，从运动特征和发生破坏时结构面 的特征来分( 如图1 ) ，可分为下列类型l lo 1 2 1 。 ( 1 ) 平面破坏：边坡岩体沿结构面下滑，此时结构面产状与边坡面方位近似，结 构面的倾角小于坡角，破坏面的倾角大予该面的摩擦角。此类破坏形式较少见，因 为产生平面破坏的实际边坡中只是偶尔存在，它只发生在层状岩体中。 ( 2 ) 楔体破坏：边坡岩体的部分，在两结构面切割作用下发生破坏，这种破坏类 型较多，一般发生在块状岩体中，土层极少发生此类破坏。发生的条件是沿其发生 滑动的构造弱面的走向都交切坡顶线，而滑动就是沿着两个这样的平面的交线发生 的。 ( 3 ) 圆弧型破坏：当边坡岩体中结构面很发育、密集，它们的产状不规则，结构 面之间的胶结力较小，岩体与松散体相似，此时边坡的破坏面呈近似圆弧形。 ( 4 ) 倾倒破坏t 在层状结构边坡中，岩层或一组平行的断层面，它们的倾向与边 坡相反，在倾角较陡的情况下，边坡会发生倾倒破坏。 曩疆一环平暖t 棒 图l 边坡破坏的四种类型 f i g 1 f o wt y p e s 由m 蟾c ds l o p e 1 3 影响边坡稳定的因素 为了正确评价和判断边坡岩体稳定性的发展趋势，稳定程度和活动规律，必须 查明影响边坡稳定性的基本原因以及导致边坡岩体失稳和发生破坏的因素，查明这 些原因和因素在时间和空问上的变更、转化和互相制约的机理等等，它们是构成边 坡岩体滑动作用和抗滑作用之间对立统一的矛盾现象的根据l ，影响岩质边坡稳定 性因素是多种多样的，笔者根据大量文献资料将这些因素大体上分为内因和外因， - 5 - 河北理工大学硕士学位论文 内因有边坡岩体的物理化学特性、岩体的地质结构等，外因是指岩体内及其周边的 应力分布、爆破动力和水的作用等，下面是对各个因素进行深入的分析f 1 3 。5 1 。 1 3 1 边坡岩体的物理化学特性 岩体的物理化学特性是影响岩体稳定性的基本因素，主要包括组成边坡岩石的 成分、岩石强度、风化程度以及边坡外形轮廓等。就岩石成分来说，若岩石中含有 大量亲水性矿物时，在地下水的作用下。岩体边坡容易发生失稳破坏。岩石强度高 低是影响边坡稳定性的重要因素，但不是说岩石强度越高边坡就稳定，还要看边坡 内部结构情况，如果岩体很破碎，即使岩石强度再高，也不能保证边坡稳定。风化 程度是影响岩石强度的又一个重要因素，同时它还对岩体内结构面有重要影响【1 6 1 。 岩体边坡的外形轮廓对边坡稳定性的影响主要体现在边坡角和坡面形状以及边坡的 高度和坡度。边坡角对判断边坡稳定与否有重要意义。一般情况下，边坡角越陡， 边坡越不稳定；同时，边坡角大于边坡内结构面倾角时，边坡不稳定。在剖面上边 坡的坡面形状不同，其稳定性也各不同，一般来说凹面边坡的岩体稳定性较好，而 凸面边坡较差。 1 3 2 岩体结构因素 岩体结构包括结构面和结构体两要素。岩体结构面的存在，是影响岩质边坡稳 定性的因素之一。它降低了岩体的整体强度，增大了岩体的变形性能，加强了岩体 的流变力学性能和其它时间效应，并加深了岩体的不均匀性、各向异性和非连续性 等性质。大量的岩质边坡工程事故表明，不稳定岩体往往是沿着适宜的一个结构面 或多个结构面的组合边界的剪切滑移、张拉破裂和错动变形等而造成边坡岩体的失 稳。岩体结构因素又可以归结为以下几类：结构面组数、密度、延伸长度、张开长 度、充填物结合程度，结构面抗剪强度，结构体大小，结构面( 包括层理、片理及节理等) 产状m1 8 1 。 岩石的孔隙度对岩石的吸水性及强度也有一定的影响【1 9 】。通常岩石的强度是随 着孔隙度的增大而降低的，同时弹性模量也减小。岩石的孔隙度用岩石中孔隙体积 与岩石体积比表示。 一6 1 文献综述 1 3 3 水的因素 水对边坡岩体稳定性的影响不仅是多方面的而且是非常活跃的。大量的事实证 明，大多数边坡岩体的破坏和滑动都与水的活动有关。在地区的冰雪解冻和降雨季 节，边坡失稳的事故比较多，这足以说明水是影响岩体稳定性的重要因素。水对边 坡的影响主要体现在以下几方面【2 0 1 。首先，水对岩体有明显的化学作用。在一定的 条件下，岩石会与水发生反应，吸收或失去水分而发生水化作用或脱水作用，造成 岩石收缩或膨胀，或者岩石的成分发生变化，导致岩体松散破碎或软化，降低了边 坡岩体的抗剪强度，使边坡不稳定。 其次，水对岩体的物理作用。存在于边坡岩体裂隙中的水对裂隙两侧岩体有水 压作用，易造成裂隙的扩张。当裂隙中的水遇冷结冰后，其体积大大膨胀，从而对 岩体产生极大的膨胀力，使原有裂隙扩张；当水遇热蒸发，裂隙中的某些次生充 填，松散夹层或粘土质软岩会因为水的蒸发而产生收缩性的干裂从而导致结构面的 扩展，使岩体不稳定。水对岩体有冲刷作用和机械潜蚀作用，能带走边坡岩体内的 一些松散物使坡脚或坡体内有关部位形成空洞，从而导致边坡岩体承载能力的降 低，使边坡失稳。 另外，赋存于结构面的水可被看成一种润滑介质，颗粒间或裂隙闯的摩擦系数 在定范围内随湿度增加而急剧下降。因而对于某些大型构造断裂带、软弱夹层 面，应该注意到水作为一种存在于软弱面和空隙间的润滑介质对边坡岩体稳定性所 起的不良影响【2 1 1 。 1 3 4 爆破动力因素 在某些情况下丌挖时进行爆破是影响岩质边坡稳定性最普遍和最经常的基本因 素，对于梯段边坡来说此因素尤为重要。边坡岩体在爆破动力的瞬时冲击作用下， 爆破源附近的岩体在瞬间剧烈的被压缩，由于爆破冲击波向四周传播，致使岩体介 质产生变形，因而使边坡岩体受到一个由于质点振动加速度的传播而引起的动载荷 作用，使边坡岩体的剪应力增加。而压缩波到达边坡自由面后，被压缩岩体在动载 荷作用下向自由面扩张和运动，间接造成了岩体内的拉应力，使岩体内出现拉裂隙 或原有裂隙扩张，从而造成岩体抗剪强度减弱，在有地下水或雨水渗入的情况下， 产生裂隙水压力并且裂隙两侧岩石在水的作用下软化从而使岩体的抗剪强度进一步 降低口2 1 2 3 1 。此时如果边坡岩体中存在有结构松散、含水和粒度均匀的介质充填的裂 河北理丁大学硕士学位论文 隙或软弱夹层时，爆破的振动作用还有可能使其液化，造成结构面的抗剪强度降 低。在爆破抛掷区后方，由于爆破而产生的龟裂带，其破坏程度和范围虽难于准确 的给出，但它往往是导致小台阶边坡岩体发生崩塌或滑坡的重要原因之一。此外剪 切波还能使岩体结构面发生错动。因此爆破动力对边坡岩体稳定性的影响是多方面 的。 1 3 5 其它因素 除了以上基本因素外，气候、岩体结构面赋存物质的物理化学性质和地下水的 化学成分，边坡开挖的工程技术手端、方法等，在一定条件下对岩体边坡稳定性也 有着不同程度的影响。 气候因素：大气降水、温度变化、风吹、日晒等都会对岩体产生不同程度的风 化，其作用结果在严重的情况下能破坏边坡岩体的长期稳定性或产生自然削坡或自 然剥离，而最终改变边坡的外形和强度并会促进结构面的扩展等，从而影响边坡稳 定性。但气候因素对于整体边坡的影响，主要在于坡肩的一定范围内【2 4 1 。这时，应 该详细调查和确定风化层的结构和深度，选用符合实际的强度指标。 岩体结构面赋存物质和地下水化学成分的因素：岩体结构面内赋存物质在与不 同化学性质的地下水作用下，具有不同的离子交换和电化学等性能，从而促使赋存 物质产生不同的侵蚀、剥蚀、分散、膨胀和崩解，而这些作用将会引起结构面的强 度降低和变形量的增大。因此，利用现代测试技术对岩体结构面赋存物质的成分耱 显微结构以及地下边坡开挖的工程技术条件会直接影晌边坡的外形轮廓从而间接影 响边坡稳定性【2 5 l 。 1 4 边坡研究的基础理论及其发展趋势 1 4 1 边坡研究的基础理论 边坡研究的理论基础是建立在土力学和岩石力学之上的，所以土力学和岩石力 学的成就与发展决定了对边坡研究的完善程度。土力学的发展历史可以划分成古典 土力学和现代土力学两个阶段1 2 6 】。前者中的土体极限平衡理论是建立在刚塑性体模 型基础上的破坏理论，从c o k j i o b c k n 提出散体静力学开始( 1 9 4 2 ) ，经d m c k e r 补充运 动学理论( 1 9 5 2 ) ，到沈珠江把两者结合起来，并定义了极限方程组的三类边值问题 ( 1 9 6 2 ) 而基本成型【z ”。对于现代土力学，许多学者设想其应当由一个模型、三个理 8 一 1 文献综述 论和四个分支组成。而其中的两个破坏理论是液化破坏理论和逐渐破坏理论，前者 描述由于空隙压力升高而导致土体破坏的理论，后者描述荷载增加情况下土体真实 破坏过程的理论，它的建立可能要用到损伤力学、细观力学和分叉理论等现代力学 分支，最后要完成对剪切带形成过程的数学模拟。 在岩石力学的发展中存在着两种对立的计算模型，即连续介质模型和非连续介 质模型( 裂隙介质模型) 。前者从整体着眼，认为岩体虽有断裂结构，但总体上是连 续的，所以，只要岩体在宏观上具有完全确定的应力应交时问关系( 例如线性、非 线性关系) ，就可以用现有的连续介质力学去求解其应力及变形状态；而后者是从内 部结构着眼，把岩体简化为物理形状的集合体，进而研究这些理想碎块体模型的应 力应变时间关系，再去求解岩石力学问题。从现在的认识水平来说，无论从宏观 上还是从微观上看，可以认为：岩石既是断裂的又是连续的，是断裂与连续的统一 体，两体模型应相辅相成，可以互补其不足，从而达到全面地分析问题闭。 1 4 2 边坡研究的发展趋势 随着生产实践的增多以及科学水平的提高，边坡研究向着如下七个方向的发展 趋势【2 9 0 j ：( 1 ) 随着露天矿正在向高陡边坡、高效益的开采方向发展的趋势出现， 高陡边坡研究将成为热点和发展方向。高陡边坡稳定性研究包括：一是运用岩体地 质力学的理论与方法，对岩体结构特征及其地应力环境等进行研究，为稳定性分析 提供正确的、符合实际情况的地质体力学模型。二是将室内岩石试件的力学参数和 现场的原位试验结果，经费辛柯法、乔治法、c s 双法、h o c k 法、经验折减法、原 岩抗剪折算法等参数弱化与工程处理方法，获得岩体力学参数。三是边坡稳定性评 价方法的研究，边坡稳定性计算分析是边坡稳定性研究的核心四是进行合理的边坡 不稳定体的防治和监测信息反馈与滑坡预报及边坡岩体的加固与综合治理研究。( 2 ) 边坡研究朝多学科交叉渗透的方向发展。边坡研究不是单纯的岩土工程问题，它是 一个综合的系统工程。它不仅仅是个技术问题，而是融合经济效益、社会效益、环 境效益的整体。有许多新的学科领域被引入边坡问题研究，如最优化技术、神经网 络技术、人工智能集成、地理信息系统g i s 、计算机仿真技术、动态反演设计、损 伤力学等。( 3 ) 朝边坡稳定的优化设计方向发展。所谓优化就是在有限的物质条件 下，用最小的费用取得最大的经济效益。它主要包括三个方面的优化：过程控制的 优化、加固防护方案的优选和试验的优化。( 4 ) 朝边坡的地理信息系统化方向发展， 建立边坡的研究情报网。在工程实际中，已往变形观测资料的收集和整理显得日益 河j 埋l 工大学硕士学位论文 重要，从大量的实际资料中提取能反映滑坡变形动态的前兆信息特征，建立综合监 测信息预报系统，并动态跟踪现场，不断修正预报系统，使预报的水平更加准确 【3 i 】。 1 5 边坡稳定性研究的发展现状 岩质边坡稳定性问题是岩体力学研究的重要组成部分，它的出现和发展与人类 工程活动的迫切需要和有关学科的迅速发展紧密相关。人类对边坡稳定性的研究开 始于十九世纪，到二十世纪四十年代才进入重要的发展阶段早期的研究是仅以土 体为研究对象的，在研究岩体力学问题时，采用的是以材料力学和简单的均质弹 性、弹塑性理论为基础的半经验半理论性质豹研究方法p 2 i ，同时假设滑动面具有某 一固定位置和形状。这一时期的主要方法有昆仑理论、佛兰西斯和卡尔门的平面滑 动面的分析方法以及彼得森只考虑摩擦力不考虑粘结力的圆柱滑动面方法等。由于 力学原理粗浅，这种极为简单的概念，做出的假设脱离了土体物理力学的实际，因 此其计算结果与实际情况差别较大。 自从1 9 6 7 年人们第一次尝试用有限元法研究边坡稳定性问题以来，边坡稳定分 析发展到了定量的阶段。不但能对其稳定性做出评价，而且在分析中考虑了岩体的 弹性和塑性，考虑了构成边坡物质的不连续性和不均质性；另外，物探、红外线、 电磁波以及遥感等技术在岩体变形特性和应力状态研究的应用，使岩体力学研究进 入了全面、深入的发展阶段，岩质边坡稳定性的闯题得到了有效的解决。伴随着计 算机在短短几十年内的迅猛发展，边坡稳定性分析也获得了巨大的推动力量。这一 时期的计算方法主要沿着三种途径来进行f 3 3 】： ( 1 ) 以极限平衡理论为基础，考虑岩体中断裂结构面的控制因素，利用图解法或 数学计算分析法以求得“安全系数”。 ( 2 ) 以数值分析近似地分析计算边坡岩体的变形特征和应力状态。 ( 3 ) 用概率理论分析岩体结构面和岩体强度的测试数据，分析各种可能破坏形式 的不稳定概率，以不稳定概率来研究评价边坡的稳定性。 各国对露天矿边坡稳定的研究都非常重视，1 9 7 0 年和1 9 7 1 年在加拿大温哥华 就召开了两次国际性露天矿边坡稳定性讨论会；1 9 7 0 年在南非召开的露天采矿设计 会议中，仅边坡问题的论文就占了相当大的比重；另外，英国皇家矿业学院 h o c k ( 1 9 7 7 ) 著的岩石边坡工程和加拿大矿物与能源部技术中心系统总结的露 天边坡手册，也都反映出了当前对边坡研究的足够重视的现状【3 4 】。 l 文献综述 我国的露天开采虽然具有较长的历史，但对露天矿的边坡稳定性进行比较认真 的研究却始于5 0 年代，至今已近半个世纪，其间经历了由表及里，由浅入深，由经 验到理论，由定性到定量l ”】，由单一评价到综合评价，由传统理论方法到新理论、 新技术应用的发展过程，并在大量的矿山中得到广泛应用。现阶段在基础理论研究 和工程实际应用中边坡稳定性研究已经有了较大的发展，例如，以地质力学为方向 的岩体力学，主要偏重于以数学力学测试计算和施工防治处理措施研究，为岩质边 坡稳定性研究奠定了坚实的基础。另外，我国在防治滑坡崩塌方面也积累了不少的 经验，总结出了一套分析评价的方法，主要是利用地质力学方法鉴定出控制性结构 面，用力学观点分析结构面产状与边坡面产状之间的关系，确定可能的滑动面，采 用平面课题的极限平衡理论，用图解或是数学分析方法对有可能的滑动面进行计 算，求出具有最小稳定系数的滑动面。针对实际情况又提出了非线性滑动的五面体 极限平衡分析法，确定可能滑动结构面组合类型，通过分析计算确定具有最小抗滑 稳定安全系数楔体的形状和尺寸，进行稳定性评价l ”“j 。 在露天边坡稳定性分析及电算技术的应用方面，目前我国与国外水平大体相 当。但是由于露天矿山边坡高度增大，岩体条件复杂，而岩体力学学科还处在继续 发展阶段，因此在边坡稳定性评价的理论和方法方面，国内外都面临着进一步向准 确的定量评价化方向发展的问题。我国金属露天工程地质条件非常复杂，边坡稳定 性研究的难度很大，而且现有矿山的设计边坡角平均比国外同类矿山偏缓约5 。，因 此，如何通过边坡稳定性研究来挖掘边坡潜力也是目前面临的重要课题。 总之，边坡稳定性分析是一个不断向前发展的课题。由于面向的对象具有复杂 性和多变性，随着工程项目的增多，会有更多更复杂的情况出现，这为边坡稳定性 分析的发展提供了原动力，而且现代科学技术的不断进步和发展，也会为露天矿边 坡稳定性问题的逐步深入解决，提供越来越有效的科学手段，还有包括工程建设在 内的各行各业对经济效益的重视，使得协调安全和效益成了最基本的要求，边坡稳 定性分析将会向更成熟、更完善的方向发展。 1 6 边坡稳定性分析的研究理论与分析方法 边坡工程研究的目的在于通过对边坡稳定性的分析和评价，为实际工程提供合 理的边坡结构，对具有破坏危险的边坡进行人工处理，避免造成损失和灾害，提 供工程安全性和经济效益。随着经济建设的飞速发展，边坡稳定性分析方法也得到 了前所未有的发展。边坡稳定性分析方法很多，简要归纳如下【3 吼删。 河北理工大学硕士学位论文 1 6 1 定性的分析方法 1 历史成因分析法 该方法根据边坡的地形地貌、地质条件和边坡变形破坏的基本规律，追溯边坡 演变的全过程，预测边坡稳定性发展的总趋势及其破坏方式，从而对边坡的稳定性 做出评价，对已发生过滑坡的边坡，判断其能否复活或转化【4 ”。 2 工程地质类比法 该方法是把已有的自然或人工边坡的研究设计经验应用到条件相似的新边坡 上。它需要对新边坡进行详细的调查。全面分析它与已研究过的边坡的工程地质因 素的相似性和差异性，分析影响边坡变形发展的主导因素的相似性和差异性，同 时，还应考虑工程的类别、等级等其它方面。它虽然是一种经验方法，但在边坡工 程的设计中，特别是在中小型工程的设计中是很实用的方法【4 如。 1 6 2 定量的分析方法 定量的边坡稳定性分析方法又分为确定性方法和不确定性方法两类。确定性方 法是边坡稳定性研究的基本方法，它主要包括极限平衡法、数值分析方法和图解 法；不确定性方法是七十年代初出现在边坡稳定性分析方面，它主要包括可靠度分 析方法、模糊数学法、灰色系统法和人工智能法等【盯郴l 。 1 极限平衡法 极限平衡法是最经典、采用最多，也是目前最成熟有效的一种方法。它引入摩 尔一库仑强度准则，通过对潜在滑体的受力分析，根据滑体的力( 力矩) 平衡、建立 边坡安全系数表达式进行定量评价。这种方法由于安全系数的直观性至今仍被工程 界广泛应用。该方法的关键在于正确判断滑体的范围、临界破坏面的位置和选定恰 当的计算参数、正确地分析滑体的各种荷载。基于该原理的方法有；瑞典圆弧法、 毕肖普法、简布法、s a n n a 法和剩余推力法等。 2 数值分析法 数值分析法是2 0 世纪6 0 年代引入边坡稳定性分析中的。数值方法能从较大范 围考虑介质的复杂性，全面地分析边坡的应力应变状态。它主要包括以下几种：1 1 有限单元法：该方法是目前应用最广泛的数值分析方法。其优点是考虑了边坡岩体 的非均质、非连续特征，能得到边坡的应力场、应变场和位移场，可以避免将坡体 视为刚体、过于简化边界条件的缺点，能够直观地模拟边坡变形破坏过程。其不足 - 1 2 一 l 文献综述 之处是：数据准备工作量大，原始数据易出错， 不能保证某些物理量在整个区域内 的连续性：2 ) 边界单元法：它只在边界上进行离散化处理，把域内未知量化为边界 未知量来求解，能使数值计算的维数降低一维，二维问题可以用一维的单元，而三 维问题可用二维的单元，这就使自由度数目大大减少。而且由于基本解本身的奇异 性特点，使得边界元法在解决奇异问题时精度较高。所以，边界元法具有输入数据 少、降低问题的维数以及计算精度高等优点。缺点是：它最后形成的系数矩阵为非 对称满阵，其矩阵元素的求值有大量积分计算，特别是采用高度协调的边界元时所 涉及的积分计算量是较大的。3 ) 离散元法：一般认为是c 恤d 枷于1 9 7 1 年提出来。 它的一个突出功能是它在反映岩块之阃接触面的滑移、分离与倾倒等大位移的同 时。又能计算岩块内部的变形和应力分布。缺点是计算时步需要很小。阻尼系数难 以确定。4 ) 不同数值方法的相互结合：如有限元、边界元、离散元与块体元等的相 互结合，数值解和解析解的结合，以及非确定性的数值方法，如随机有限元、模糊 有限元、概率数值分析等方法。这些方法的结台能够充分发挥各自的特长解决复 杂的工程问题l 帕一1 。 3 图解法 图解法是考虑边坡的各种因素如岩性、地下水、边坡角等的变化，根据相应的 公式制成图表，这样使得边坡设计计算变得简单，只需查相应的图表即可。自1 9 3 7 年t a y l o r 首次提出稳定分析图表以来，毕肖普和摩根斯坦( 1 9 6 0 ) ，摩根斯坦( 1 9 6 3 ) 及 斯宾塞( 1 9 6 7 ) 陆续设计出了各种图表。国内李靖等设计了边坡稳定性分析图表，成 都科大张天宝设计了常用土料一般坡高范围内稳定性分析图表。因图解法简单，工 程界常常使用，使用时要注意其适用条件和应用范围。 4 可靠度分析方法 这是目前在边坡稳定性分析中应用最广的不确定性方法。边坡工程可靠度分析 就是基于对边坡岩体性质、荷载、工程地质条件，计算模型等的不确定性的认识， 结合边坡系统的具体情况，采用概率分析法和可靠度尺度描述边坡工程系统的质 量，分析中采用的破坏概率又是某种意义上的风险概率，因此、边坡可靠性分析对 于边坡工程的经济风险分析和优化决策具有现实意义【4 8 】。分析方法目前还缺乏一个 统一的可接受风险水平阈值，极少发生概率的事件往往容易被忽视，而这极有可能 产生严重后果，因此若简单提供一组边坡破坏概率而不结合工程具体进行解释，就 会影响可靠性分析方法的可靠性和推广。 5 模糊数学法 1 3 河北理f ：大学硕士学位论文 模糊理论在边坡稳定性分析中的应用主要是用隶属函数代替稳定计算中的各种 物理量，对那些边界不清的过渡问题进行描述，应用模糊模式识别和模糊聚类分析 方法对影响边坡稳定的因素进行分析。最后用综合评判理论对边坡稳定性进行总的 评价。不足之处是择集一般取稳定、基本稳定、不稳定三种状态，因而对边坡的评 判较笼统。同时，依据一些基本原则的确定、权重的分配多由经验确定，因而主观 性较大。数学方法一般适应于外延不明确，内涵明确的对象。 6 灰色系统法 在边坡工程稳定性分析中，灰色预测系统法将边坡视为一个灰色系统，根据影 响边坡稳定性的不确定性因素之间发展状态的相似或相异程度，来衡量各因素问的 关联程度，确定它们对边坡稳定性影响的主次关系，从而对边坡的稳定性进行分 析。目前在边坡工程中应用灰色系统预测模型进行滑坡发生时间的预测较多，实践 证明该理论预测的精度相当高。此方法应用于外延明确、内涵不明确的对象。局限 性是灰色预测系统法带有经验性质。 7 人工智能法 人工智能其中两个最重要的领域是人工神经网络和专家系统。在边坡工程中， 人工智能的专家系统的应用在予应用专家系统中的知识处理、知识运用和不确定性 推理的技术分析边坡的稳定性，人工神经网络的应用在于利用神经网络的学习和联 想记忆功能、运用网络存储的领域知识对边坡进行稳定性分析；人工智能的优点是 可考虑其他方法难以考虑的定性描述和人为因素，解决处理一些很难用明确的数 学、力学方法表示的不确定性因素及它们的关系，对结论既能进行定量分析，又能 进行定性分析。它的局限性在于基础研究难度大，如知识表示、推理方法、机器学 习等问题取得了一些成果，但还远未形成完整的理论和体系，同时，存储知识的范 围和程度将在很大程度上影响其对边坡稳定性的评判【4 9 。0 1 。 总之，在进行边坡稳定性分析时，应综合运用各种分析方法，利用已有的工程经验 进行定量和定性分析，只有将数学方法与工程经验相结合、才能更好的改进、完善 各种方法，使之更好地应用于工程实践中，使边坡稳定性分析早日进入成熟阶端。 1 7 本论文研究的内容、方法、意义 1 7 1 主要研究内容 1 充分收集矿山资料的基础上完成边坡稳定性工程地质评价的工作； 1 4 1 文献综述 2 结合黑山铁矿工程实铡，针对其工程地质条件、特征和形成机制， 运用边坡 稳定性计算中的极限平衡方法进行计算分析； 1 7 2 研究方法 1 现场观测方法； 2 理论分析方法。 1 7 3 研究的意义 论文以承德钢铁集团有限公司黑山铁矿为工程背景，对该露天矿的边坡稳定性 进行分析。黑山铁矿露天采场西帮几年来曾多次发生滑塌，沿f 2 9 断层面也已产生 了楔形体滑动。本课题研究采场边坡的稳定性机理，预测边坡滑体的发展趋势，对 实现黑山铁矿安全、顺利生产具有重要的实际意义。同时，稳定性预测问题是边坡 工程的根本问题，也是边坡研究中最难和最迫切的课题之一，因为它是边坡失稳与 否，加固与否的主要依据。这也是目前很多露天矿山面临的实际生产问题。因此， 本次边坡工程研究也有一定的理论价值。 - 1 5 一 河北理工大学硕士学位论文 2 1 自然地理概况 2 矿山地质条件 2 1 1 地形、地貌 矿区地势西北高，东南低，西北部山峦叠峰，地势险竣。黑山主峰标高为 1 3 2 4 m ，与周围地形相对高差为4 0 0 恤左右。矿区内地形标高在7 5 0 9 5 0 m 之间， 山体呈近于南北走向，沟谷深切，为侵蚀、构造剥蚀地貌形态。 经十多年的开采，矿区内地貌形态发生了很大变化，目前采坑已开挖至7 8 0 m 工作平台，西北部已形成了1 5 0 m 高的边坡。 2 1 2 地层岩性 矿区内除存在于坡麓和沟谷的坡积物和冲、洪积物外，大面积出露基性超基性 火成岩岩体。主要岩性有：斜长岩、浅色辉长岩、粗粒伟晶辉长岩、辉长岩、多黑 质辉长岩、苏长岩等。根据其岩性和工程地质条件不同，划分为四个工程地质岩 组。 2 1 3 气象 该区属中温带半干旱大陆性季风气候，夏季炎热，冬季寒冷。夏季平均气温 2 7 7 。c ，最高气温3 9o c ；冬季最低气温2 2o c ，年平均气温9 3 0 c ，年平均降雨量 5 5 9 9 0 姗，其中七月份最多，平均1 5 8m m ，十二月份最少，平均为o 3 m m ，年蒸 发量为7 2 9 9 l m m ，最大冻结深度为1 ，l m 。 2 2 矿区地质 矿区内除存在于坡麓和沟谷的坡积物和冲、洪积物外，大面积出露基性超基性 火成岩岩体。主要岩性有：斜长岩、浅色辉长岩、粗粒伟晶辉长岩、辉长岩、多黑 质辉长岩、苏长岩等。根据其岩性和工程地质条件不同，划分为四个工程地质岩 组。 1 斜长岩岩组( p i ) - 1 6 - 2 矿山地质条件 该岩组分布广泛，在采场的周边均有出露。岩石一般为乳白色，致密、块状， 变余半自形它形粗粒结构。主要矿物斜长石约占9 0 ，偶见榍石和钛磁铁矿。该岩 组一般为钒钛磁铁矿体或含矿辉长岩的直接围岩。 2 浅色辉长岩岩组( g a i ) 该岩组分布于矿区的西北部，仅在采场的西北边帮上出露。岩石一般为灰白色 或杂色，致密块状，变余辉长结构。主要矿物成份为斜长石和辉石。与斜长岩界线 不清，呈渐变过渡关系。 3 粗粒伟晶辉长岩岩组( g ) 该岩组分布于矿区的南部和东南部，仅在采场的东南边帮上下出露，岩石一般 为灰绿色，风化面为棕褐色，块状，变余辉长结构，矿物晶体一般为2 3 锄，大者 可达5 1 0 c m 。主要矿物为斜长石和辉石，次要矿物为钛磁铁矿。岩石蚀变强烈，易 于风化。 4 含矿暗色辉长岩岩组( g a f ) 该岩组分布于矿区中部和东北部，常见与矿体相伴生。岩石为暗绿色，块状构 造。变条辉长结构。主要矿物有t 斜长石、普通辉石、钛磁铁矿等岩脉岩性多为基 性，但局部也见有中酸性岩脉存在。 2 3 水文地质 2 3 1 矿床水文地质条件 矿区地下水属潜水，按其赋存特征可分为第四系松散堆沉积孔隙水和基岩裂隙 水。 2 3 1 ，l 第四系松散堆沉积孔隙水 第四系孔隙潜水主要赋存于第四系残坡积层和洪坡积层中。残坡积层岩性为粘 土夹砾石，砾石直径2 o l o o c m ，厚1 o 5 o m ，分布于山麓斜坡和坡脚。在采矿 场区大部分地段因地势高差大，径流条件较好，故而残坡积层含水微弱。j 共坡积层 主要分布于采矿场区的王营北沟溪谷中，分布范围小，厚度约1 0 m ，岩性为砂质粘 土夹少量砾石和腐植土。 河北理工大学硕士学位论文 2 3 1 2 基岩裂隙水 裂隙水是本区地下水主要的赋存类型。按含水介质特征又可分为构造裂隙水和 风化裂隙水。 构造裂隙水赋存于构造裂隙中。矿区岩体在近南北向挤压应力的作用下，形成 走向近东西的压性断层和走向近南北的张扭性断层，以及走向北东和北西的扭性断 层。受其影响采矿场区形成了密度较高的同向裂隙，但大部分为闭合裂隙乃至隐蔽 的裂隙，张开性差，延伸不远，对地下水贮存和运动有意义的“有效裂隙”较少。这 些裂隙里是赋存部分地下水，但其导水能力弱。 2 3 2 地下水的补给、径流和排泄条件 矿区基岩裂隙水水位埋深较大，随着采坑深度的增大，地下水的静储量不断地 被消耗，只有在雨季时才得到补给。矿区总的地下水位不断下移，形成所谓的降落 漏斗，即距边坡面越近的地方，水位降深越