淺議露天礦邊坡穩(wěn)定性研究方法

冉越超　劉婷婷　李樹明

【摘要】本文探討了露天礦邊坡穩(wěn)定性的研究方法，分析了各個方法的優(yōu)劣和主要應(yīng)用條件。

【關(guān)鍵詞】露天礦；邊坡；穩(wěn)定性；方法

露天礦邊坡穩(wěn)定問題，包括最終合理邊坡角度，邊坡形狀，邊坡監(jiān)測和滑坡防治等方面。經(jīng)過近四十年的發(fā)展，巖體邊坡研究才開始進行，并得到快速發(fā)展。但是，由于理論和實踐的局限，邊坡穩(wěn)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(shù)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。

一、邊坡穩(wěn)定性分析采用的主要方法

（一）定性分析方法

1.地質(zhì)分析法

根據(jù)邊坡的地形地貌形態(tài)、地質(zhì)條件和邊坡變形破壞的基本規(guī)律，追溯邊坡演變的全過程，預(yù)測邊坡穩(wěn)定性發(fā)展的總趨勢及其破壞方式，從而對邊坡的穩(wěn)定性做出評價，對已發(fā)生過滑坡的邊坡，則判斷其能否復(fù)活或轉(zhuǎn)化。

2.工程地質(zhì)類比法

其實質(zhì)是把已有的自然邊坡或人工邊坡的研究設(shè)計經(jīng)驗應(yīng)用到條件相似的新邊坡的研究和人工邊坡的研究設(shè)計中去。需要對已有邊坡進行詳細(xì)的調(diào)查研究，全面分析工程地質(zhì)因素的相似性和差異性，分析影響邊坡變形發(fā)展的主導(dǎo)因素的相似性和差異性，同時，還應(yīng)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(jīng)驗方法，但在邊坡設(shè)計中，特別是在中小型工程的設(shè)計中是很通用的方法。

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(guān)參數(shù)之間的定量關(guān)系，由此求出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，或已知穩(wěn)定系數(shù)及結(jié)構(gòu)面傾角、坡角、坡高等參，僅一個未知的情況下，求出穩(wěn)定坡角或極限坡高。這是力學(xué)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(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系，分析滑體的形態(tài)、滑動方向，評價邊坡的穩(wěn)定程度，為力學(xué)計算創(chuàng)造條件。常用的為赤平極射投影分析法及實體比例投影法。

4.邊坡穩(wěn)定專家系統(tǒng)

工程地質(zhì)領(lǐng)域最早研制出的專家系統(tǒng)是用于地質(zhì)勘察的專家系統(tǒng)Propecter，由斯坦福大學(xué)于70年代中期完成的。另外，M1T在80年代中期研制的測井資料咨詢的專家系統(tǒng)也得到成功地應(yīng)用。專家系統(tǒng)使得一般工程技術(shù)人員在解決工程地質(zhì)問題時能象有經(jīng)驗的專家給出比較正確的判斷并做出結(jié)論，因此，專家系統(tǒng)的應(yīng)用為工程地質(zhì)的發(fā)展提供了一條新思路。

（二）定量分析方法

1.極限平衡法

極限平衡法在工程中應(yīng)用非常廣泛。它是根據(jù)邊坡上的滑體或滑體分塊的力學(xué)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(tài)，以及邊坡上的抗滑力和下滑力之間的關(guān)系來評價邊坡的穩(wěn)定性。

2.極限分析法

塑性極限分析法考慮巖土體應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，用塑性力學(xué)上限、下限定理分析邊坡穩(wěn)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(gòu)關(guān)系表達式，因而具有物理概念清晰、應(yīng)用簡單且在很多情況下可給出問題的嚴(yán)密解等優(yōu)點。

3.數(shù)值分析法

數(shù)值分析法是考慮到巖土體為非均質(zhì)、不連續(xù)、大變形等特點而出現(xiàn)的方法。有限元法是數(shù)值分析法中的典型代表，有限元法全面滿足了靜力許可、應(yīng)變相容和應(yīng)力一應(yīng)變之間的本構(gòu)關(guān)系，與極限平衡法相比具有以下優(yōu)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(yán)密的理論體系；有限元解提供了應(yīng)力一變形的全部信息。有限元法是一種比較理想的分析邊坡應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性態(tài)的手段。

（三）不確定分析法

1.系統(tǒng)分析方法

由于邊坡處于非常復(fù)雜的巖土體力學(xué)環(huán)境條件下，其穩(wěn)定性的涉及面很廣，影響因素也很多，且穩(wěn)定程度非常復(fù)雜，因此，邊坡穩(wěn)定性問題也是一個系統(tǒng)工程問題。應(yīng)用系統(tǒng)分析方法遵循的途徑為：巖體力學(xué)環(huán)境條件的研究→變形破壞機制研究→穩(wěn)定性計算分析。目前，系數(shù)分析方法廣泛開展應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析之中。

2.灰色系統(tǒng)方法

灰色系統(tǒng)理論為認(rèn)，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(tǒng)則稱為灰色系統(tǒng)。該方法在邊坡研究中的應(yīng)用主要是用灰色聚類理論進行邊坡穩(wěn)定性的分級、分類。文獻給出了一種基于經(jīng)驗的邊坡穩(wěn)定性灰色系統(tǒng)分析方法，該方法所得的結(jié)果與邊坡實際狀態(tài)相一致，并且，該方法直觀、簡單、可操作性強。

3.可靠度分析方法

可靠度分析方法在進行邊坡穩(wěn)定性分析時，充分考慮了影響安全系數(shù)的各個隨機要素（如巖體及結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)性質(zhì)，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(rèn)識，結(jié)合邊坡系統(tǒng)的具體隋況，采用概率分析方法和可靠度尺度描述邊坡工程系統(tǒng)的質(zhì)量。

4.模糊數(shù)學(xué)評判法模糊理論是應(yīng)用模糊應(yīng)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(guān)因素，進而進行等級或級別評價。其在邊坡穩(wěn)定分析方面的應(yīng)用是首先找出影響邊坡穩(wěn)定性的因素，然后進行分類，分別賦予一定的的權(quán)值，然后根據(jù)最大隸屬度原則判斷邊坡單元的穩(wěn)定性。

二、邊坡穩(wěn)定性分析方法動態(tài)

（一）邊坡三維穩(wěn)定性分析

三維極限平衡法是邊坡三維評價中發(fā)展較早的，其特點是可以更加真實地反映邊坡的實際形態(tài)，特別是當(dāng)滑坡面已經(jīng)確定時，使用三維分析可以恰當(dāng)?shù)目紤]滑體內(nèi)由于滑裂面的空間變異特征對邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響。

（二）數(shù)值分析法動態(tài)

有限元強度折減法近來在國內(nèi)外受到關(guān)注，在邊坡穩(wěn)定分析中已逐漸得到認(rèn)可。譚曉慧等（2007年）通過結(jié)構(gòu)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(diào)整系數(shù)的取值，結(jié)合邊坡穩(wěn)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。

（三）不確定分析法動態(tài)

近年來邊坡穩(wěn)定性評價與各類數(shù)學(xué)模型結(jié)合得越來越緊密，不確定性分析方法也得到了較快發(fā)展。楊磊（2005年）系統(tǒng)概述了滑坡破壞概率分析的基本原理，以三峽庫區(qū)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(zhǔn)確、全面地判斷滑坡的穩(wěn)定性。

三、邊坡穩(wěn)定分析研究發(fā)展趨勢

邊坡穩(wěn)定性分析方法已經(jīng)取得了較大的發(fā)展，但還需要在以下幾個方面進一步研究、完善。

1.進行邊坡穩(wěn)定性分析實驗研究。實驗是穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)，也是計算方法的依據(jù)。只有加強實驗研究，才能促進邊坡分析的發(fā)展。

2.發(fā)展和完善復(fù)合法。隨著數(shù)值分析的不斷發(fā)展，各種分析方法的相互耦合成為一大發(fā)展趨勢，如有限元、邊界元與離散元的相互耦合，數(shù)值解與解析解的結(jié)合等。這些方法的耦合能充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，解決更復(fù)雜的邊坡問題。

3.大力發(fā)展邊坡穩(wěn)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(wěn)定性分析的新興方法，在理論和應(yīng)用上需要開展大量的研究，使其更適合邊坡的穩(wěn)定性分析。

參考文獻

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作者簡介：冉越超（1987-），男，漢族，山西大同人，從事邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測工作；劉婷婷（1988-），女，漢族，山西朔州人，從事通訊工作。