礦山邊坡穩(wěn)定性分析

1、礦山邊坡安全穩(wěn)定性研究作者: 武強(qiáng) 崔云龍 摘 要近年來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的大力發(fā)展，邊坡工程在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中也產(chǎn)生了重要的意義，它涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面，同時(shí)邊坡的穩(wěn)定性研究及其維護(hù)顯得越來(lái)越重要。礦山、水利、公路、鐵路等工程都涉及到大量的邊坡問題，邊坡的穩(wěn)定性不僅影響到工程本身的安全運(yùn)營(yíng)與使用，而且影響到建設(shè)成本。因此，對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析的意義非常重要，它可以為工程的順利施工提供科學(xué)的理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：邊坡工程，安全穩(wěn)定性，分析及應(yīng)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前言隨著露天礦開采深度的加深和開采范圍的擴(kuò)大，加上復(fù)雜的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件及井工采動(dòng)的影響，必然引起邊坡的位移，位移的大小直接反映了邊坡的穩(wěn)定程度。露天礦邊坡在其服務(wù)年限內(nèi)的穩(wěn)定性，一直是礦業(yè)生產(chǎn)部門及科技人員最為關(guān)心的課題。因?yàn)樗粌H直接關(guān)系到作業(yè)人員及設(shè)備的安全，同時(shí)也影響著生產(chǎn)的順利進(jìn)

5、行。通過開展邊坡巖土體的位移監(jiān)測(cè)，分析邊坡巖體的移動(dòng)范圍、移動(dòng)量、移動(dòng)速度及發(fā)展趨勢(shì)，判定邊坡巖體的穩(wěn)定性，為礦區(qū)生產(chǎn)建設(shè)提供宏觀災(zāi)害的預(yù)防、減災(zāi)與避災(zāi)的科學(xué)依據(jù)。分析建筑物和工業(yè)設(shè)施可能的變形和破壞程度，為具體建筑物和建設(shè)場(chǎng)地布置提供依據(jù)。研究滑坡防治的必要性和可能的措施，預(yù)測(cè)不加固邊坡而使用建筑場(chǎng)地的可能性。當(dāng)巖土要產(chǎn)生不可避免的大位移時(shí)，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)災(zāi)害事故的位置與準(zhǔn)確時(shí)間，防止人員傷亡和減少經(jīng)濟(jì)損失。提高邊坡區(qū)工程建設(shè)設(shè)計(jì)和施工的質(zhì)量。由于影響邊坡穩(wěn)定性的因素十分復(fù)雜，通常需要根據(jù)邊坡演化過程中的各種信息和條件，如邊坡的水平和垂直位移、傾斜度、應(yīng)力場(chǎng)、孔隙水壓力、降雨等，及時(shí)、全面研究分析

6、它們的變化，判定邊坡失穩(wěn)破壞的可能、時(shí)間及可能發(fā)生失穩(wěn)破壞的空間位置，包括邊坡失穩(wěn)的區(qū)域、地段和地點(diǎn)，破壞的基本類型和規(guī)模，以及可能造成的損失。然而在GIS平臺(tái)上，對(duì)于平朔煤炭工業(yè)公司邊坡的穩(wěn)定性有這樣一個(gè)重要的判斷依據(jù)：位移速率超過10mm/d，危險(xiǎn)級(jí)別大于3，就有發(fā)生破壞的可能，應(yīng)及時(shí)采取措施進(jìn)行處理。然而，對(duì)于位于井工開采影響域內(nèi)的邊坡體，受采動(dòng)影響，多處邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移速率長(zhǎng)期處于大于10mm/d，危險(xiǎn)級(jí)別大于3，而邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，有必要建立全面的穩(wěn)定性判斷標(biāo)準(zhǔn)。本論文主要通過對(duì)平朔煤炭工業(yè)公司露天礦不采區(qū)（在兩礦之間的一大片區(qū)域不進(jìn)行露天開采，稱為露天“不采區(qū)”，在此不采區(qū)設(shè)置

7、了排土場(chǎng)）的所發(fā)生災(zāi)害類型、分布、影響因素、位移監(jiān)測(cè)資料等進(jìn)行分析和總結(jié)，建立一個(gè)更為全面、有效的邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法。2邊坡失穩(wěn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的主要內(nèi)容按照時(shí)空關(guān)系，災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)可分為空間和時(shí)間兩大類。時(shí)間預(yù)報(bào)是指對(duì)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間進(jìn)行判定。滑坡災(zāi)害發(fā)生時(shí)間的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是要確定滑坡在未來(lái)可能發(fā)生的時(shí)間區(qū)段或確切時(shí)間，為提前采取必要的預(yù)防措施提供科學(xué)依據(jù)。按照預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)時(shí)間的長(zhǎng)短，滑坡災(zāi)害的時(shí)間預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)可分成長(zhǎng)期預(yù)測(cè)、短期預(yù)測(cè)和臨滑預(yù)報(bào)。對(duì)于安太堡礦不采區(qū)邊坡，其使用壽命一般較短，本課題中僅開展短期預(yù)報(bào)及臨滑預(yù)報(bào)。災(zāi)害短期時(shí)間預(yù)測(cè)是依據(jù)滑坡影響因素對(duì)滑坡作用的強(qiáng)度和隨時(shí)間的變化規(guī)律，在掌握滑坡動(dòng)態(tài)發(fā)展趨

8、勢(shì)的基礎(chǔ)上，分析推斷滑坡災(zāi)害的近期演化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)滑坡可能產(chǎn)生的季度或月份；臨滑預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)是必須有嚴(yán)格可靠的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、水化學(xué)場(chǎng)等的動(dòng)態(tài)變化，預(yù)測(cè)的精度則需要提高到具體日。3 邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法研究按照時(shí)空關(guān)系，滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)可分為空間和時(shí)間兩大類，空間預(yù)測(cè)是時(shí)間預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的先決條件，只有在明確了預(yù)測(cè)的對(duì)象之后，方可有目的地開展滑坡災(zāi)害的時(shí)間預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。3.1 邊坡穩(wěn)定性空間預(yù)測(cè)方法及其運(yùn)用空間預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)是邊坡破壞形成條件的分析，通過工程地質(zhì)調(diào)查，具體分析各種因素在邊坡破壞中所起的作用，然后將各因素按一定的原則和方法進(jìn)行組合來(lái)預(yù)測(cè)不同地段發(fā)生失穩(wěn)的可能性。（1）影響因素

9、判斷法影響巖體失穩(wěn)發(fā)生滑坡、崩塌的因素很多，分析其影響因素，可以對(duì)邊坡發(fā)生破壞的空間位置、規(guī)模進(jìn)行判斷，主要包括易滑（崩）地層、易（崩）滑構(gòu)造、易滑（崩）地形地貌、水文地質(zhì)條件、人類工程活動(dòng)等內(nèi)容的分析判斷。地層是形成滑坡（崩塌）的物質(zhì)基礎(chǔ)，構(gòu)造控制著地層的展布。所謂構(gòu)造是指地殼的巖層和巖體在內(nèi)、外動(dòng)力地質(zhì)作用下發(fā)生的變形，從而形成的諸如褶皺、層理、節(jié)理裂隙、斷層等。其中與滑坡、崩塌關(guān)系密切、容易失穩(wěn)的構(gòu)造稱為易滑（崩）構(gòu)造。不采區(qū)地形地貌由于受到露天采掘而形成大量高陡邊坡，為滑坡、崩塌提供了地形條件。不采區(qū)水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，地下水主要以第四系土層中的上層滯水及基巖裂隙水的形式存在，泥巖為隔

10、水層。地下水的補(bǔ)給主要是大氣降雨，并通過廣泛發(fā)育于黃土及下伏基巖中的節(jié)理裂隙順坡面或隔水層頂排泄。不采區(qū)人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈。除露天開采形成大量高陡邊坡外，露天坑底的長(zhǎng)期爆破震動(dòng)給邊坡穩(wěn)定帶來(lái)的不利影響在所難免。另外，井工開采也對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。（2）邊坡穩(wěn)定系數(shù)評(píng)價(jià)法邊坡穩(wěn)定系數(shù)分析法是評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的基本方法，對(duì)于場(chǎng)地性災(zāi)害空間預(yù)測(cè)最基本的方法是采用工程地質(zhì)類比法等對(duì)邊坡進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。對(duì)評(píng)價(jià)為可能破壞的邊坡必須進(jìn)行專題研究，采取極限平衡法、數(shù)值模擬等方法對(duì)各邊坡進(jìn)行定量的穩(wěn)定性計(jì)算，將穩(wěn)定系數(shù)與邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)相比較，若穩(wěn)定系數(shù)大于需要的安全系數(shù)，則可判定為邊坡穩(wěn)定性好，不會(huì)發(fā)生破壞

11、；若其小于需要的安全系數(shù)且大于1，則可判別為基本穩(wěn)定狀態(tài)，必要時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)或?qū)ｎ}研究；若穩(wěn)定系數(shù)小于1，則可認(rèn)為邊坡穩(wěn)定性差，在促滑條件成熟時(shí)會(huì)發(fā)生破壞，必須采取一定的治理或避讓措施。3.2 邊坡穩(wěn)定性時(shí)間預(yù)測(cè)方法研究本階段在工作區(qū)所進(jìn)行的GPS監(jiān)測(cè)方法精度評(píng)價(jià)試驗(yàn)成果表明，GPS在邊坡位移監(jiān)測(cè)過程中不可避免地存在一定的誤差。另外，對(duì)不采區(qū)邊坡位移監(jiān)測(cè)資料分析可以發(fā)現(xiàn)，單純?cè)贕IS平臺(tái)上采用位移速率或危險(xiǎn)級(jí)別定值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定控制存在一定的缺陷。不少邊坡位移速率在小于5，危險(xiǎn)級(jí)別是1時(shí)就進(jìn)入加速變形階段，如安家?guī)X滑坡區(qū)僅為3.5；而大量邊坡在遠(yuǎn)超過10，危險(xiǎn)級(jí)別大于10時(shí)仍未發(fā)生滑塌，如B90

12、2工作面南端影響區(qū)域內(nèi)的安家?guī)X北幫邊坡位移速率超過50也未發(fā)生滑塌。因此，應(yīng)該將其他邊坡穩(wěn)定性判斷方法與GIS平臺(tái)上的判斷有機(jī)結(jié)合，綜合使用。如地表裂縫觀測(cè)法、邊坡位移形態(tài)分析法及監(jiān)控指標(biāo)判斷法。邊坡穩(wěn)定性時(shí)間預(yù)測(cè)方法主要有兩種，一是依據(jù)位移監(jiān)測(cè)資料，建立滑坡破壞的最大位移判據(jù)或位移速率判據(jù)；二是根據(jù)達(dá)到滑坡、崩塌破壞的形成條件滿足的時(shí)間表確定。（1）地表裂縫觀測(cè)法一般地，在邊坡失穩(wěn)前通常會(huì)出現(xiàn)裂縫。然而，針對(duì)本工程而言，不僅邊坡破壞前會(huì)在邊坡附近出現(xiàn)裂縫，處于采空區(qū)影響范圍內(nèi)的邊坡附近也會(huì)出現(xiàn)大量采動(dòng)裂隙，其成因不同，裂縫出現(xiàn)的位置和形式也具有多樣性。因此我們不能一概而論認(rèn)為：裂縫出現(xiàn)就意味

13、著邊坡會(huì)失穩(wěn)。通常情況下，邊坡破壞時(shí)裂縫發(fā)育有如下特征：坡頂出現(xiàn)拉張裂縫、坡址和坡面出現(xiàn)剪切裂縫；坡肩附近地面沉陷、坡址附近地面隆起；坡肩附近裂縫呈圓弧狀，凹向邊坡臨空面傾向，裂縫寬度持續(xù)增加，或收斂不明顯。（2）邊坡位移形態(tài)分析法一般而言，邊坡變形典型的位移歷時(shí)曲線為如圖1所示，分為三個(gè)階段：第一階段為初始階段（AB段），邊坡處于減速變形狀態(tài)；變形速率逐漸減小，而位移逐漸增大，其位移歷時(shí)曲線由陡變緩。第二階段為穩(wěn)定階段(BC段)，又稱為邊坡等速變形階段；變形速率趨于常值，位移歷時(shí)曲線近似為一直線段。第三階段為非穩(wěn)定階段(CD段)，又稱加速變形階段；變形速率逐漸增大，位移歷時(shí)曲線由緩變陡，因此

14、曲線反應(yīng)為加速變形狀態(tài)。圖1 邊坡變形的典型曲線形狀因此，在運(yùn)用邊坡位移曲線進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，特別是位移量較小時(shí)，一定要對(duì)原始位移曲線進(jìn)行濾波處理，以剔除測(cè)量誤差的影響。（3）邊坡位移和位移速率預(yù)報(bào)判據(jù)對(duì)于臨界變形，如臨界變形值為，實(shí)際變形為，則邊坡的變形穩(wěn)定系數(shù)為 （1）當(dāng)時(shí)，邊坡失穩(wěn)。同樣，設(shè)邊坡的臨界變形速率為，實(shí)際變形速率為，則邊坡的變形速率穩(wěn)定系數(shù)為 （2）當(dāng)時(shí)，邊坡失穩(wěn)。所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為破壞時(shí)間。在此根據(jù)安家?guī)X北幫發(fā)生滑坡前的位移監(jiān)測(cè)資料分析確定安太堡礦不采區(qū)邊坡位移和位移速率判據(jù)。安家?guī)X北幫發(fā)生滑坡前典型的位移監(jiān)測(cè)資料及位移曲線圖如表1及圖24所示。表1 安家?guī)X北幫滑坡區(qū)典型

15、位移點(diǎn)監(jiān)測(cè)資料點(diǎn)號(hào)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 圖2 滑坡區(qū)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)X位移曲線圖 圖3 滑坡區(qū)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)Y位移曲線圖圖4 滑坡區(qū)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z位移曲線圖根據(jù)滑坡區(qū)典型位移監(jiān)測(cè)資料，滑坡區(qū)邊坡變形是從10月16日開始加速位移的，開始加速位移后各點(diǎn)在不同時(shí)間段、不同方向的位移速率統(tǒng)計(jì)見表2。表2 滑坡區(qū)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移速率統(tǒng)計(jì)表點(diǎn)號(hào)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建立滑坡破壞的位移及位移速率判據(jù)為：在位移矢量指向邊坡臨空面傾向時(shí)，平面位移量達(dá)到15cm時(shí)可作為邊坡有可能破壞的一個(gè)重要判據(jù)；位移速率達(dá)到5可作為邊坡變形進(jìn)入加速變形階段的一個(gè)重要判據(jù)；位移速率超過10，就有發(fā)生破壞的可能，應(yīng)及時(shí)采取措施進(jìn)行處理。（4）滑坡破壞時(shí)間預(yù)報(bào)滑坡破壞時(shí)間預(yù)報(bào)以滑坡位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)于滑坡災(zāi)害臨滑時(shí)間預(yù)報(bào)，其目標(biāo)是預(yù)測(cè)未來(lái)幾個(gè)星期、

18、數(shù)日乃至數(shù)小時(shí)內(nèi)滑坡發(fā)生運(yùn)動(dòng)的總體趨勢(shì)，為采取應(yīng)急減災(zāi)與防災(zāi)措施提供科學(xué)依據(jù)。臨滑時(shí)間預(yù)報(bào)一般建立在對(duì)滑坡動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，如：直接反映滑坡自身運(yùn)動(dòng)狀況的位移信息、反映滑坡體內(nèi)地下水變化規(guī)律的地下水壓力信息、反映滑坡體巖土體應(yīng)力特征的巖土體應(yīng)力場(chǎng)變化信息、反映滑坡滑動(dòng)面特征的摩擦熱信息、反映滑坡體中巖石破裂過程的聲發(fā)射信息等。就目前的監(jiān)測(cè)手段和國(guó)內(nèi)外研究特點(diǎn)來(lái)看，以滑坡位移為信息的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究是主流，因?yàn)?，位移信息直接反映滑坡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)由于位移信息易于觀測(cè)和現(xiàn)代高精度監(jiān)測(cè)儀器的使用，采用位移觀測(cè)數(shù)據(jù)建立滑坡災(zāi)害臨滑時(shí)間預(yù)報(bào)模型的研究最多見于報(bào)道。齋藤模型是日本學(xué)者齋藤（Saito

19、）1965年提出的。該法是利用滑坡第三蠕變階段（滑坡加速位移階段）的位移數(shù)據(jù)對(duì)滑坡作臨滑時(shí)間預(yù)報(bào)的。其基本思想是：位移速度愈快，則距離滑坡發(fā)生的時(shí)間愈近。即第三階段離大滑動(dòng)時(shí)間愈近，則臨報(bào)的發(fā)生時(shí)間愈準(zhǔn)確。在t-s曲線的第三階段上選定兩段位移間距均等于L的A1、A2、A3個(gè)點(diǎn)。各點(diǎn)相應(yīng)的時(shí)間截距分別為t1、t2、t3。其滑動(dòng)破壞時(shí)間計(jì)算公式為： （3）由于該方法所預(yù)測(cè)的滑動(dòng)時(shí)間與所選取的三個(gè)點(diǎn)有較大的關(guān)系，三點(diǎn)的不同，其預(yù)測(cè)結(jié)果也不相同。因此，在實(shí)際工作中，要通過綜合分析后做出科學(xué)的預(yù)報(bào)。根據(jù)滑坡位移信息開展滑坡災(zāi)害臨滑時(shí)間預(yù)報(bào)，一般要采用滑坡加速位移階段的數(shù)據(jù)方可取得理想的效果，而且是距離實(shí)際滑坡發(fā)生時(shí)間越近的數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)的精度就會(huì)越高。由于臨滑前位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)少，可以在所作的t-s曲線上讀取數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行。對(duì)安家?guī)X北幫邊坡而言，在t-s曲線的第