露天礦邊坡穩定性研究方法的探討

摘要:邊坡穩定性分析作為邊坡工程研究的核心，從二十世紀二十年代開始到現在發展很快，目前很多新的理論和方法已經在實踐中廣泛應用，極大推動了露天礦邊坡穩定性的研究。本文按定性分析方法、定量分析方法和不確定分析法的分類形式回顧了邊坡穩定分析的研究歷史和發展歷程，總結了其中主要的方法，針對當前的研究熱點，論述了三維穩定性分析、數值分析法和不確定性分析方法的動態和現狀，并對發展趨勢進行了合理展望，以使邊坡穩定性分析方法更加完善。

關鍵詞:露天礦邊坡穩定性分析 定性分析法 定量分析法 不確定分析法 發展趨勢

0 引言

露天礦邊坡穩定問題，包括最終合理邊坡角度，邊坡形狀，邊坡監測和滑坡防治等方面。經過近四十年的發展，巖體邊坡研究才開始進行，并得到快速發展。但是，由于理論和實踐的局限，邊坡穩定性分析的各種方法都還不完善。因此，有必要對各種研究方法進行分析，以引起邊坡管理技術人員的注意，并對各種方法進行改進和完善，使之更好地滿足露天開采工程的需要。

1 邊坡穩定性分析采用的主要方法

1.1定性分析方法

1.1.1 地質分析法(歷史成因分析法) 根據邊坡的地形地貌形態、地質條件和邊坡變形破壞的基本規律，追溯邊坡演變的全過程，預測邊坡穩定性發展的總趨勢及其破壞方式，從而對邊坡的穩定性做出評價，對已發生過滑坡的邊坡，則判斷其能否復活或轉化。

1.1.2 工程地質類比法 其實質是把已有的自然邊坡或人工邊坡的研究設計經驗應用到條件相似的新邊坡的研究和人工邊坡的研究設計中去。需要對已有邊坡進行詳細的調查研究，全面分析工程地質因素的相似性和差異性，分析影響邊坡變形發展的主導因素的相似性和差異性，同時，還應考慮工程的類別、等級及其對邊坡的特定要求等。它雖然是一種經驗方法，但在邊坡設計中，特別是在中小型工程的設計中是很通用的方法。

1.1.3 圖解法 圖解法可以分為兩類:①用一定的曲線和偌謨圖來表征邊坡有關參數之間的定量關系，由此求出邊坡穩定性系數，或已知穩定系數及其它參數(φ、c、r、結構面傾角、坡角、坡高)僅一個未知的情況下，求出穩定坡角或極限坡高。這是力學計算的簡化。②利用圖解求邊坡變形破壞的邊界條件，分析軟弱結構面的組合關系，分析滑體的形態、滑動方向，評價邊坡的穩定程度，為力學計算創造條件。常用的為赤平極射投影分析法及實體比例投影法。

1.1.4 邊坡穩定專家系統 工程地質領域最早研制出的專家系統是用于地質勘察的專家系統Propecter，由斯坦福大學于70年代中期完成的。另外，MIT在80年代中期研制的測井資料咨詢的專家系統也得到成功地應用。專家系統使得一般工程技術人員在解決工程地質問題時能象有經驗的專家給出比較正確的判斷并做出結論，因此，專家系統的應用為工程地質的發展提供了一條新思路。

1.2 定量分析方法

1.2.1 極限平衡法 極限平衡法在工程中應用非常廣泛。它是根據邊坡上的滑體或滑體分塊的力學平衡原理(即靜力平衡原理)分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態，以及邊坡上的抗滑力和下滑力之間的關系來評價邊坡的穩定性。

1.2.2 極限分析法 塑性極限分析法考慮巖土體應力—應變關系，用塑性力學上限、下限定理分析邊坡穩定問題，就是從下限和上限兩個方向逼近真實解。這一求解方法最大的好處是回避了在工程中最不易弄清的本構關系表達式，因而具有物理概念清晰、應用簡單且在很多情況下可給出問題的嚴密解等優點。

1.2.3 數值分析法 數值分析法是考慮到巖土體為非均質、不連續、大變形等特點而出現的方法。有限元法是數值分析法中的典型代表，有限元法全面滿足了靜力許可、應變相容和應力—應變之間的本構關系，與極限平衡法相比具有以下優點:破壞面的形狀或位置不需要事先假定;不必要引入假定條件，保持了嚴密的理論體系;有限元解提供了應力—變形的全部信息。有限元法是一種比較理想的分析邊坡應力、變形和穩定性態的手段。

1.3 不確定分析法

1.3.1 系統分析方法 由于邊坡處于非常復雜的巖土體力學環境條件下，其穩定性的涉及面很廣，影響因素也很多，且穩定程度非常復雜，因此，邊坡穩定性問題也是一個系統工程問題。應用系統分析方法遵循的途徑為:巖體力學環境條件的研究→變形破壞機制研究→穩定性計算分析。目前，系數分析方法廣泛開展應用于邊坡穩定性分析之中。

1.3.2 灰色系統方法 灰色系統理論為認，在決定事物的諸因素中若既有已知的，又有未知的或不確定的，他們所在系統則稱為灰色系統。該方法在邊坡研究中的應用主要是用灰色聚類理論進行邊坡穩定性的分級、分類。文獻給出了一種基于經驗的邊坡穩定性灰色系統分析方法，該方法所得的結果與邊坡實際狀態相一致，并且，該方法直觀、簡單、可操作性強。

1.3.3 可靠度分析方法 可靠度分析方法在進行邊坡穩定性分析時，充分考慮了影響安全系數的各個隨機要素(如巖體及結構面的物理力學性質，地下水的作用包括靜水壓力、動水壓力、裂隙水壓力、軟化作用、浮托力，各種荷載等)的變異性。通過對各種因素不確定性的認識，結合邊坡系統的具體情況，采用概率分析方法和可靠度尺度描述邊坡工程系統的質量。

1.3.4 模糊數學評判法 模糊理論是應用模糊應換原理和最大隸屬度原則，綜合考慮被評事物或其屬性的相關因素，進而進行等級或級別評價。其在邊坡穩定分析方面的應用是首先找出影響邊坡穩定性的因素，然后進行分類，分別賦予一定的的權值，然后根據最大隸屬度原則判斷邊坡單元的穩定性。

2 邊坡穩定性分析方法動態

2.1 邊坡三維穩定性分析 三維極限平衡法是邊坡三維評價中發展較早的，其特點是可以更加真實地反映邊坡的實際形態，特別是當滑坡面已經確定時，使用三維分析可以恰當的考慮滑體內由于滑裂面的空間變異特征對邊坡穩定系數的影響。

2.2數值分析法動態 有限元強度折減法近來在國內外受到關注，在邊坡穩定分析中已逐漸得到認可。譚曉慧等(2007年)通過結構工程的簡單算例，研究了有限步長迭代法中初始步長及步長調整系數的取值，結合邊坡穩定的有限元可靠度分析，探討了有限步長迭代法對于邊坡工程的適用性。

2.3 不確定分析法動態 近年來邊坡穩定性評價與各類數學模型結合得越來越緊密，不確定性分析方法也得到了較快發展。楊磊(2005 年) 系統概述了滑坡破壞概率分析的基本原理，以三峽庫區的龍王廟滑坡為例，論述了地下水對滑坡的作用，進行了滑坡的破壞概率分析，能更準確、全面地判斷滑坡的穩定性。

3 邊坡穩定分析研究發展趨勢

邊坡穩定性分析方法已經取得了較大的發展，但還需要在以下幾個方面進一步研究、完善。

3.1 進行邊坡穩定性分析實驗研究。實驗是穩定性研究的基礎，也是計算方法的依據。只有加強實驗研究，才能促進邊坡分析的發展。

3.2 發展和完善復合法。隨著數值分析的不斷發展，各種分析方法的相互耦合成為一大發展趨勢，如有限元、邊界元與離散元的相互耦合，數值解與解析解的結合等。這些方法的耦合能充分發揮各自的優點，解決更復雜的邊坡問題。

3.3 大力發展邊坡穩定性分析的隨機方法和模糊方法，隨機方法和模糊方法是邊坡穩定性分析的新興方法，在理論和應用上需要開展大量的研究，使其更適合邊坡的穩定性分析。

4 結語

4.1 邊坡穩定性分析方法可歸納為定性分析方法、定量分析方法和不確定分析法三大類，其中又包含不同層次的小類，三類方法各有優劣，可相互補充，揚長避短。

4.2 現階段，邊坡穩定性分析方法研究主要集中在與計算機技術、巖土力學、數學模型結合上，也產生和發展了一些新方法，其中三維穩定性分析是研究熱點之一，以有限元法為代表的數值分析法以及各種不確定性分析方法發展迅速，而傳統的極限平衡法主要以改進為主。

4.3 根據分析認為邊坡穩定性分析研究在以后需要解決以下主要問題:繼續完善和發展現有理論和方法，揚長避短;建立具有普遍意義的邊坡失穩機理和穩定性評價方法;統一評價標準，增加各方法之間的對比性;建立多因素的綜合評價方法;建立反映邊坡各個時段穩定狀態的全過程評價方法;建立符合邊坡穩定分析的理論體系或組合理論體系;重視人類活動動態，加強人類活動與邊坡穩定的相互作用研究。

參考文獻:

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