矿山边坡稳定性分析

1、矿山边坡安全稳定性研究作者: 武强 崔云龙 摘 要近年来，随着我国基础建设的大力发展，边坡工程在国民经济建设中也产生了重要的意义，它涉及到国民经济的各个方面，同时边坡的稳定性研究及其维护显得越来越重要。矿山、水利、公路、铁路等工程都涉及到大量的边坡问题，边坡的稳定性不仅影响到工程本身的安全运营与使用，而且影响到建设成本。因此，对边坡进行稳定性分析的意义非常重要，它可以为工程的顺利施工提供科学的理论依据。关键词：边坡工程，安全稳定性，分析及应用AbstractRecent years, with the great development of infrastructure in our cou

2、ntry, the slope project brings significant effects in the constructions of our national economy, it refers to the every aspects of our national economy, meanwhile the stability research and the maintenance of the slope seems more and more important. Many projects such as mines, water conservancy, hi

3、ghways and railways relate to a large number of slope problems, the stability of the slope not only influences the secure operation and using of the project itself, but also influences the construction cost. Therefore, the significances of the stability analysis of the slope are very important, it c

4、an provide scientific theoretical basis for the successful construction of the projects. Key words：Slope project; Stability; Analysis and application1前言随着露天矿开采深度的加深和开采范围的扩大，加上复杂的工程地质条件、水文地质条件及井工采动的影响，必然引起边坡的位移，位移的大小直接反映了边坡的稳定程度。露天矿边坡在其服务年限内的稳定性，一直是矿业生产部门及科技人员最为关心的课题。因为它不仅直接关系到作业人员及设备的安全，同时也影响着生产的顺利进

5、行。通过开展边坡岩土体的位移监测，分析边坡岩体的移动范围、移动量、移动速度及发展趋势，判定边坡岩体的稳定性，为矿区生产建设提供宏观灾害的预防、减灾与避灾的科学依据。分析建筑物和工业设施可能的变形和破坏程度，为具体建筑物和建设场地布置提供依据。研究滑坡防治的必要性和可能的措施，预测不加固边坡而使用建筑场地的可能性。当岩土要产生不可避免的大位移时，预测预报灾害事故的位置与准确时间，防止人员伤亡和减少经济损失。提高边坡区工程建设设计和施工的质量。由于影响边坡稳定性的因素十分复杂，通常需要根据边坡演化过程中的各种信息和条件，如边坡的水平和垂直位移、倾斜度、应力场、孔隙水压力、降雨等，及时、全面研究分析

6、它们的变化，判定边坡失稳破坏的可能、时间及可能发生失稳破坏的空间位置，包括边坡失稳的区域、地段和地点，破坏的基本类型和规模，以及可能造成的损失。然而在GIS平台上，对于平朔煤炭工业公司边坡的稳定性有这样一个重要的判断依据：位移速率超过10mm/d，危险级别大于3，就有发生破坏的可能，应及时采取措施进行处理。然而，对于位于井工开采影响域内的边坡体，受采动影响，多处边坡监测点位移速率长期处于大于10mm/d，危险级别大于3，而边坡处于稳定状态。因此，有必要建立全面的稳定性判断标准。本论文主要通过对平朔煤炭工业公司露天矿不采区（在两矿之间的一大片区域不进行露天开采，称为露天“不采区”，在此不采区设置

7、了排土场）的所发生灾害类型、分布、影响因素、位移监测资料等进行分析和总结，建立一个更为全面、有效的边坡稳定性预测预报方法。2边坡失稳预测预报的主要内容按照时空关系，灾害预测预报可分为空间和时间两大类。时间预报是指对灾害发生的时间进行判定。滑坡灾害发生时间的预测预报是要确定滑坡在未来可能发生的时间区段或确切时间，为提前采取必要的预防措施提供科学依据。按照预测预报时间的长短，滑坡灾害的时间预测预报可分成长期预测、短期预测和临滑预报。对于安太堡矿不采区边坡，其使用寿命一般较短，本课题中仅开展短期预报及临滑预报。灾害短期时间预测是依据滑坡影响因素对滑坡作用的强度和随时间的变化规律，在掌握滑坡动态发展趋

8、势的基础上，分析推断滑坡灾害的近期演化趋势，预测滑坡可能产生的季度或月份；临滑预测预报的基础是必须有严格可靠的连续监测数据，如位移场、应力场、水化学场等的动态变化，预测的精度则需要提高到具体日。3 边坡稳定性预测预报方法研究按照时空关系，滑坡灾害预测预报可分为空间和时间两大类，空间预测是时间预测预报的先决条件，只有在明确了预测的对象之后，方可有目的地开展滑坡灾害的时间预测预报。3.1 边坡稳定性空间预测方法及其运用空间预测的基础是边坡破坏形成条件的分析，通过工程地质调查，具体分析各种因素在边坡破坏中所起的作用，然后将各因素按一定的原则和方法进行组合来预测不同地段发生失稳的可能性。（1）影响因素

9、判断法影响岩体失稳发生滑坡、崩塌的因素很多，分析其影响因素，可以对边坡发生破坏的空间位置、规模进行判断，主要包括易滑（崩）地层、易（崩）滑构造、易滑（崩）地形地貌、水文地质条件、人类工程活动等内容的分析判断。地层是形成滑坡（崩塌）的物质基础，构造控制着地层的展布。所谓构造是指地壳的岩层和岩体在内、外动力地质作用下发生的变形，从而形成的诸如褶皱、层理、节理裂隙、断层等。其中与滑坡、崩塌关系密切、容易失稳的构造称为易滑（崩）构造。不采区地形地貌由于受到露天采掘而形成大量高陡边坡，为滑坡、崩塌提供了地形条件。不采区水文地质条件较简单，地下水主要以第四系土层中的上层滞水及基岩裂隙水的形式存在，泥岩为隔

10、水层。地下水的补给主要是大气降雨，并通过广泛发育于黄土及下伏基岩中的节理裂隙顺坡面或隔水层顶排泄。不采区人类工程活动强烈。除露天开采形成大量高陡边坡外，露天坑底的长期爆破震动给边坡稳定带来的不利影响在所难免。另外，井工开采也对边坡稳定性产生一定的影响。（2）边坡稳定系数评价法边坡稳定系数分析法是评价边坡稳定性的基本方法，对于场地性灾害空间预测最基本的方法是采用工程地质类比法等对边坡进行定性评价。对评价为可能破坏的边坡必须进行专题研究，采取极限平衡法、数值模拟等方法对各边坡进行定量的稳定性计算，将稳定系数与边坡安全储备系数相比较，若稳定系数大于需要的安全系数，则可判定为边坡稳定性好，不会发生破坏

11、；若其小于需要的安全系数且大于1，则可判别为基本稳定状态，必要时进行监测或专题研究；若稳定系数小于1，则可认为边坡稳定性差，在促滑条件成熟时会发生破坏，必须采取一定的治理或避让措施。3.2 边坡稳定性时间预测方法研究本阶段在工作区所进行的GPS监测方法精度评价试验成果表明，GPS在边坡位移监测过程中不可避免地存在一定的误差。另外，对不采区边坡位移监测资料分析可以发现，单纯在GIS平台上采用位移速率或危险级别定值标准进行边坡稳定控制存在一定的缺陷。不少边坡位移速率在小于5，危险级别是1时就进入加速变形阶段，如安家岭滑坡区仅为3.5；而大量边坡在远超过10，危险级别大于10时仍未发生滑塌，如B90

12、2工作面南端影响区域内的安家岭北帮边坡位移速率超过50也未发生滑塌。因此，应该将其他边坡稳定性判断方法与GIS平台上的判断有机结合，综合使用。如地表裂缝观测法、边坡位移形态分析法及监控指标判断法。边坡稳定性时间预测方法主要有两种，一是依据位移监测资料，建立滑坡破坏的最大位移判据或位移速率判据；二是根据达到滑坡、崩塌破坏的形成条件满足的时间表确定。（1）地表裂缝观测法一般地，在边坡失稳前通常会出现裂缝。然而，针对本工程而言，不仅边坡破坏前会在边坡附近出现裂缝，处于采空区影响范围内的边坡附近也会出现大量采动裂隙，其成因不同，裂缝出现的位置和形式也具有多样性。因此我们不能一概而论认为：裂缝出现就意味

13、着边坡会失稳。通常情况下，边坡破坏时裂缝发育有如下特征：坡顶出现拉张裂缝、坡址和坡面出现剪切裂缝；坡肩附近地面沉陷、坡址附近地面隆起；坡肩附近裂缝呈圆弧状，凹向边坡临空面倾向，裂缝宽度持续增加，或收敛不明显。（2）边坡位移形态分析法一般而言，边坡变形典型的位移历时曲线为如图1所示，分为三个阶段：第一阶段为初始阶段（AB段），边坡处于减速变形状态；变形速率逐渐减小，而位移逐渐增大，其位移历时曲线由陡变缓。第二阶段为稳定阶段(BC段)，又称为边坡等速变形阶段；变形速率趋于常值，位移历时曲线近似为一直线段。第三阶段为非稳定阶段(CD段)，又称加速变形阶段；变形速率逐渐增大，位移历时曲线由缓变陡，因此

14、曲线反应为加速变形状态。图1 边坡变形的典型曲线形状因此，在运用边坡位移曲线进行边坡稳定性进行判断，特别是位移量较小时，一定要对原始位移曲线进行滤波处理，以剔除测量误差的影响。（3）边坡位移和位移速率预报判据对于临界变形，如临界变形值为，实际变形为，则边坡的变形稳定系数为 （1）当时，边坡失稳。同样，设边坡的临界变形速率为，实际变形速率为，则边坡的变形速率稳定系数为 （2）当时，边坡失稳。所对应的时间为破坏时间。在此根据安家岭北帮发生滑坡前的位移监测资料分析确定安太堡矿不采区边坡位移和位移速率判据。安家岭北帮发生滑坡前典型的位移监测资料及位移曲线图如表1及图24所示。表1 安家岭北帮滑坡区典型

15、位移点监测资料点号方向2006-8-52006-8-132006-8-282006-9-132006-9-282006-10-162006-11-182006-12-22006-12-62006-12-9S28X0-17 -9 -27 -22 -49 -152 -320 -470 -730 Y017 28 17 28 31 73 182 242 371 Z020 19 11 3 6 -74 -193 -261 -433 S29X00 -13 -3 7 -15 -162 -412 -553 -896 Y00 -2 -1 0 1 16 37 71 119 Z00 -5 10 25 26 -57 -

16、122 -157 -288 图2 滑坡区典型监测点X位移曲线图 图3 滑坡区典型监测点Y位移曲线图图4 滑坡区典型监测点Z位移曲线图根据滑坡区典型位移监测资料，滑坡区边坡变形是从10月16日开始加速位移的，开始加速位移后各点在不同时间段、不同方向的位移速率统计见表2。表2 滑坡区典型监测点位移速率统计表点号方向10.1611.1811.1812.212.212.612.612.9S28X-3.12-12.00-37.50-86.67Y1.277.7915.0043.00Z-2.42-8.50-17.00-57.33平面3.3714.3040.3996.75合位移4.1516.6443.8211

17、2.46S29X-4.45-17.86-35.25-114.33Y0.451.508.5016.00Z-2.52-4.64-8.75-43.67平面4.4817.9236.26115.45合位移5.1418.5137.30123.43建立滑坡破坏的位移及位移速率判据为：在位移矢量指向边坡临空面倾向时，平面位移量达到15cm时可作为边坡有可能破坏的一个重要判据；位移速率达到5可作为边坡变形进入加速变形阶段的一个重要判据；位移速率超过10，就有发生破坏的可能，应及时采取措施进行处理。（4）滑坡破坏时间预报滑坡破坏时间预报以滑坡位移监测数据为基础，对于滑坡灾害临滑时间预报，其目标是预测未来几个星期、

18、数日乃至数小时内滑坡发生运动的总体趋势，为采取应急减灾与防灾措施提供科学依据。临滑时间预报一般建立在对滑坡动态信息实时监测的基础上，如：直接反映滑坡自身运动状况的位移信息、反映滑坡体内地下水变化规律的地下水压力信息、反映滑坡体岩土体应力特征的岩土体应力场变化信息、反映滑坡滑动面特征的摩擦热信息、反映滑坡体中岩石破裂过程的声发射信息等。就目前的监测手段和国内外研究特点来看，以滑坡位移为信息的预测预报研究是主流，因为，位移信息直接反映滑坡的运动状态，同时由于位移信息易于观测和现代高精度监测仪器的使用，采用位移观测数据建立滑坡灾害临滑时间预报模型的研究最多见于报道。斋藤模型是日本学者斋藤（Saito

19、）1965年提出的。该法是利用滑坡第三蠕变阶段（滑坡加速位移阶段）的位移数据对滑坡作临滑时间预报的。其基本思想是：位移速度愈快，则距离滑坡发生的时间愈近。即第三阶段离大滑动时间愈近，则临报的发生时间愈准确。在t-s曲线的第三阶段上选定两段位移间距均等于L的A1、A2、A3个点。各点相应的时间截距分别为t1、t2、t3。其滑动破坏时间计算公式为： （3）由于该方法所预测的滑动时间与所选取的三个点有较大的关系，三点的不同，其预测结果也不相同。因此，在实际工作中，要通过综合分析后做出科学的预报。根据滑坡位移信息开展滑坡灾害临滑时间预报，一般要采用滑坡加速位移阶段的数据方可取得理想的效果，而且是距离实际滑坡发生时间越近的数据，预测的精度就会越高。由于临滑前位移监测数据少，可以在所作的t-s曲线上读取数据的方法进行。对安家岭北帮边坡而言，在t-s曲线的第