边坡稳定（采矿07讲稿）.ppt

边坡稳定,付玉华,,一、绪论,（一）边坡及其分类,1、概念： 倾斜的地表称为坡或斜坡 常见的斜坡有：高层建筑、水利水电设施、矿山、港口、高速公路、铁路和能源工程,2、几何要素： 坡肩：斜坡与坡顶面相交的部位 坡趾或坡脚：与坡底面相交的部位 坡面角或坡倾角：斜坡与水平面的夹角 坡高：坡肩与坡趾间的高差,一、绪论,3、边坡分类 （1）按成因－自然边坡和人工边坡： 天然的山坡和谷坡是自然斜坡，此类斜坡是在地壳隆起或下陷过程中逐渐形成的，这类运动今天可能还在继续自然滑坡） 人为斜坡是人工使然的挖方形成的坡称为开挖边坡；填方形成的称为构筑边坡，后者也常称为坝坡这类斜坡的几何参数可人为控制 （2）按坡体介质－土质边坡和岩石边坡： 土是矿物或岩石颗粒和碎片的集合体，岩体是矿物的凝聚体两者在物料构成并无本质差别，差别在于结构土体和岩体有完全不同的结构因此工程地质及水文地质以至力学特征差异显著土体中颗粒的运动自由度远大于岩体颗粒的运动自由度，实际上岩体内颗粒要发生大的相对位移必须依靠岩体中的地质间断地质间断面也称为地质不连续面，它们也为岩体的富水及水在岩体中的运动提供了条件，岩体中的地下水类型主要是裂隐水，土体中遍布孔隙，地下水类型属于孔隙水。

这些差异使岩质坡和土质坡的力学性能十分不同，边坡破坏的模式差别也十分显一、绪论,（二）边坡稳定问题的提出,以露天矿为例，介绍开挖边坡的形成及稳定性设计原则,一、绪论,,1、露采边坡的形成采用露天采矿法进行矿床开采时，圈入开采范围内的矿石和围岩被划分为等厚 的分层按下行顺序进行开挖我国金属矿山目前采用的均为水平分层，分层高多为10－12m，这是由目前的采掘设备决定的矿坑边坡并非一坡到底事实上，为了生产和安生需要在坑坡上布置各种平台主 要的平台是布设运输矿岩和设备的运输平台，此类平台的宽度取决于所选用的运输装备; 安全平台用以缓冲边坡上掉落的岩碴，宽度不小于2—4m;清扫平台则用于清扫岩碴，宽 度不小于6m两平台间的坡面称为台阶坡面，台阶坡面角按坡体岩石的质量设计，最陡 可达90 从最下部台阶坡面的坡趾到最上台阶坡面的坡肩的联线的倾角称为矿坑的总体边坡 角总体边坡角的陡缓关系到整个矿坑的全局稳定性和采矿企业的总体经济效益，应通过 认真的地质－力学－经济分析比较加以确定总体边坡角的实现将通过调整台阶来进行通过台阶的并段和加陡台阶坡面角可使总体坡角加陡，较缓的总体坡角则可通过放缓台阶坡面角或加宽台阶来实现。

矿坑通达外部运输干线的出口处的标高称为封闭标高高于封闭标高的采场称为山坡露天，低于封闭标高的采场称为凹陷露天一、绪论,2、加陡边坡的意义和限制 （1）加陡边坡的意义对于露采边坡，几何要素的确定主要按安全、稳定和经济的原则加以设定，当开采深度恒定时，坡角的设计尤为重要加陡边坡成了减少废石开挖和运输量、提高矿山经济效益的一个关键问题一、绪论,（2）坡角与稳定的关系对于凹陷露天开采，加陡边坡具有十分重要的经济效益，然而在给定坡高条件下能保持稳定的边坡最多能陡到什么程度呢？这显然取决于场地的工程与水文地质条件、施工技术以及边坡的服务年限等等有一份显示坡高、坡角及稳定状态的重要资料如图1—4所示，它们是克赖和勒通从实际的露天矿、采石场、坝基和路堑现场收集并经罗斯布朗加以补充而得到的图中既包括稳定的边坡，又包括不稳定的边坡这个图形表明，已成功地挖成的最高和最陡的边坡分布在图中很清晰的一条虚线上这条曲线为一般露天矿设计中可加考虑的最高和最陡的边坡提供了一个实用的指导更高更陡的边坡也并非没有可能，但只有通过非常广泛的稳定性研究，表明没有引起大规模边坡破坏的危险时才能这样做但初学者不应忽略的是，虚线下也包含了许多不稳定边坡，虚线下的边坡并不总是稳定的。

具体边坡的稳定性乃需具体分析，但采用虚线上的坡高与坡角参数值应慎之又慎一、绪论,3、露天矿边坡角与稳定系数的确定,最佳边坡角的确定使矿山在服务期限内，不发生大的滑坡、能取得最大经济效益的最陡边坡角它包含剥离废石的投入和维护边坡的投入，两者之和最小时的边坡角剥离量计算矿脉出露地表，边坡角数 变陡增加至 时减少的剥离量为：当 时，式中，H——平均开采深度（m）；L——边坡角变化时的采场区段长度（m），,边坡角每增加1°，剥离量W的变化规律1.煤矿和粘土矿的边坡角在20°以内我国无70°以上的边坡角金属矿山边坡角在30° ～60°之间,• 边坡稳定系数K,定义：稳定系数K=滑动面上的抗滑力（力矩）,概率分析法（K为随机变量）— Monta Carlo 模拟作为刚体分析其沿滑动面的平衡状态确定方法：极限平衡法（K为常量）—将滑体,/滑动力（力矩），K=R/S,K的取值建议：按边坡类型：1.土质边坡：1.2-1.3， 2.岩质边坡：1.3-1.5 按边坡工程等级：一级1.3-1.5，二级1.05-1.3，三级1.05-1.15按服务年限： T20年：1.5法 国：Kmin=1.5-2.0孙玉科：K=1.1-1.5,（三）滑坡实例 1、把关河灰石露天矿的顺层滑坡,一、绪论,一、绪论,2、里伯蒂铜矿楔体滑坡,一、绪论,一、绪论,一、绪论,地下水和时间因素,3、金川露天镍矿的倾倒滑坡,一、绪论,4、大冶铁矿尖山南废石堆弧形滑坡,一、绪论,5、瓦杨水库库岸巨型滑坡,一、绪论,一、绪论,一、绪论,6、导致滑坡的因素,一、绪论,一、绪论,（四）、开挖边坡稳定性设计步骤,1、经验类比法边坡稳定性设计是露天矿设计的一个组成部分。

过去我国矿山设计均以采矿系统和工艺设计为主，地质勘探工作主要着眼于矿量计算，只是在十分特殊的情况下才给予场区工程和水文地质勘探以少量投资，故那时的边坡多按“经验类比法”设计经验类比法”是凭借设计者的个人经验，根据岩石物理力学特征及边坡高度等因素，由经验表格直接查出边坡角的经验值范围，然后再根据所设计的矿山与同类生产矿山进行各方面实际对比，决定取其上限值或下限值设计部门初选边坡角时所用经验表格如表1—1所示这种方法选定的边坡角值不甚精确实践证明，据此选定的边坡角值偏于安全保守的较多，冒进大滑坡的较少但这种方法比较简单，易于被采矿设计人员 所掌握和应用用此法设计边坡的设计周期也短故过去经验类比法—直是我国冶金矿山边坡设计广泛应用的一种方法……由于人们认识客观规律的不同，选取的边坡角必定存在人为的因索，对于同一矿山，不同人选取，就可能出现不同的选取值更主要的是，有时选取的边坡角值与实际出入很大，造成矿山生产一段时间以后还得修改边坡设计2、霍克－布郎法,一、绪论,一、绪论,3、边坡设计与稳定性研究流程图,（五）、课程的主要内容 1、边坡问题及滑坡实例（绪论） 2、边坡稳定性分析方法 3、边坡工程、水文地质建模 4、边坡稳定性计算岩土体的抗剪强度极限平衡分析方法平面滑坡弧面滑坡楔体滑坡 5、边坡的监测和滑坡预报 6、稳坡 7、废石堆稳定,一、绪论,二、边坡稳定性分析方法,1、刚体极限平衡分析法刚体极限平衡分析法假设滑动面为平面、圆弧面、对数螺旋面和其它不规则曲面等形状，认为滑动面上的应力服从破坏条件，通过考虑由滑动面形成的隔离体的力或力矩平衡，确定边坡发生滑动的条件。

1.1 条分法条分法方法首先假定边坡的潜在滑移面形状，将潜在滑移面以上岩土分为许多垂直条块，然后利用条块的静力平衡条件确定条块底部的法向力，达到确定潜在滑移面上的法向力的目的，进而确定整个滑移面上的剪切力，使边坡稳定性分析问题转化为静定问题二、边坡稳定性分析方法,二、边坡稳定性分析方法,对条块间力的作用方式、作用方向或作用点等的不同假定，条分法又有多种方法如瑞典圆弧条分法、毕肖普法、简布的普遍条分法、斯宾塞法和摩根斯坦-普赖斯法等在相同的边界条件和力学参数情况下，采用不同的方法计算得到的边坡安全系数有一些差异二、边坡稳定性分析方法,1.2分段对数螺线法根据变分法原理，推导得到分层岩土边坡的潜在滑移面形状为分段对数螺线由于分段对数螺线滑面上的法向应力与切向摩擦应力的合力对分段对数螺线极点不产生力矩，只有滑面上的粘聚力产生力矩对分段对数螺线极点取力矩平衡求边坡稳定安全系数时，力矩与潜在滑面上的法向应力无关，因此，不必用条分法确定潜在滑面上的法向应力，无需假定条块之间作用力大小、方向或作用点位置，此方法比圆弧滑动面条分法进了一步1.3 岩质边坡Sarma法岩质边坡的失稳大多沿各种结构面发生，由于节理、断层等结构面不总是垂直的，这样传统条分法难以适用。

Sarma博士针对节理岩体边坡失稳的特点，提出并推导了适应这种特点的分析计算方法Sarma 法可根据滑体的地质特性和结构面构造，对滑体按节理构造进行斜分条及不等距分条，使各条块尽量模拟实际岩体节理、断层的产状和强度滑体滑动时，滑动面上的各种力达到了极限平衡Sarma 法在建立平衡方程时，考虑了水平地震加速度产生的惯性力的影响Sarma法在我国的边坡稳定性分析中得到了非常广泛的应用二、边坡稳定性分析方法,1.4节理边坡的岩体结构分析与关键块体分析岩体是由岩块和节理、断层等结构面共同组成的地质体，结构面对边坡的稳定性起着重要的控制作用边坡的岩体结构分析通过结构面的地质统计分组，求得优势结构面，结合开挖面的方位，用赤平极射投影与实体比例投影相结合的方法，确定边坡岩块的稳定性这种分析法适合于块裂结构岩体二、边坡稳定性分析方法,1.5滑移线理论传统的塑性力学滑移线理论用于确定平面滑移线，适合于摩尔-库仑强度准则和平面应变问题滑移线理论比极限平衡理论严密，假定岩土为刚塑性体和所有点都达到破坏，破坏以后可以无限地流动滑移线理论只对岩土最后破坏状态进行研究，由静力平衡微分方程和强度准则联合求解岩土应力及特征线，没有考虑岩土的实际应力应变关系。

除个别情况外，一般难以通过特征线得出理论解，大部分问题只能用差分法求解，目前尚无通用的差分法程序，只能针对具体问题编制相应程序在分析实际问题时，较少用差分法按传统的滑移线理论求解二、边坡稳定性分析方法,2、边坡稳定性的变形体分析方法岩石是一种特殊的介质，具有裂隙等特征，其应力应变关系复杂且具有各向异性和非均匀性边坡稳定性的刚体极限平衡分析方法没有考虑岩土的变形，对于弹性变形、塑性变形或流变变形较大的土质及软弱岩体边坡，一般需计及变形的影响，这样刚体假设下的分析方法难以适用，而广泛采用有限单元法、边界单元法、离散元法和FLAC等模拟边坡的变形与破坏二、边坡稳定性分析方法,2.1有限元单元法与边界单元法 有限单元法和边界单元法都是通用数值分析方法有限单元法的基本思想是将连续介质离散为仅在节点铰结的有限个单元，荷载移植于节点，利用插值函数考虑连续条件，由力法或位移法求解应力场和位移场二、边坡稳定性分析方法,边界单元法将连续介质的边界离散为有限个单元，通过建立积分方程，求解介质内的应力场和位移场在分析连续介质力学问题时，有限单元法和边界单元法必须满足平衡方程、变形协调方程、本构方程和边界条件。

该二种方法分析边坡稳定性问题，首先建立边坡数学模型，然后进行离散和求解得到满足控制方程和屈服条件的数值解二、边坡稳定性分析方法,经分析得到边坡计算范围内的位移和应力分布后，可确定边坡各单元局部安全系数通过校核安全系数确定边坡破损区，根据破损区的位置和范围可以对边坡的稳定性进行评价 通过计算和比较指定潜在滑动面的总体安全系数，确定边坡最小安全系数和有最小安全系数的滑动面--最危险潜在滑移面有限元单元法与边界单元法除可以考虑介质的变形外，还可考虑渗流效应、孔隙水压力、岩土流变、塑性屈服、材料硬化与软化等力学性态，可满足边坡稳定性的精确分析二、边坡稳定性分析方法,2.2 离散单元法离散单元法是模拟非连续介质和离散介质受力、位移和破坏的一种数值分析方法，适用于非连续介质和大变形问题，可有效地分析节理裂隙发育岩体边坡的稳定性与滑动规律。