高陡邊坡穩(wěn)定性工程地質(zhì)分析

仇世邦

（貴州省地礦局一一三地質(zhì)大隊(duì)，貴州 六盤水 553000）

近年來，我國的各項(xiàng)事業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)。尤其是以礦產(chǎn)開發(fā)為代表的行業(yè)得到迅猛發(fā)展。我國是能源消耗大國，國家經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)離不開大量的礦產(chǎn)原料。我國除了依靠自身開采外，還有大量的能源缺口。

在風(fēng)云莫測的國際環(huán)境中，礦產(chǎn)等原材料的供應(yīng)受到嚴(yán)重影響，為確保國家經(jīng)濟(jì)安全穩(wěn)定，國內(nèi)的礦石開采項(xiàng)目越來越多。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，我國金屬礦產(chǎn)露天開采中，鐵礦占比在80%～90%，有色金屬礦占比在40%～50%，化工材料占70%，建筑材料占100%，露天煤礦開采比重在5%左右。尤其是神華、神東礦區(qū)等大型露天礦開采項(xiàng)目上馬，將我國露天開采事業(yè)推向新的高度。

20 世紀(jì)90 年代至21 世紀(jì)初期的全球發(fā)展趨勢來看，世界間的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事活動均圍繞資源展開，可見資源在各國關(guān)系中的重要性。資源的有效開發(fā)與利用能左右一個國家的經(jīng)濟(jì)水平。

隨著世界各國不斷對露天礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用，世界上越來越多的露天礦得到有效開發(fā)，例如美國猶他州賓漢姆銅礦，面積達(dá)7.7km2，深度達(dá)1200m，此外智利丘基卡馬塔銅礦深度也達(dá)到1100m，俄羅斯的烏達(dá)企納亞鉆石礦，開采深度也達(dá)到600m。我國的露天冶金礦山也逐步走向深部凹陷開采階段，深度逐步超過500m。此類大中型露天礦產(chǎn)項(xiàng)目的開發(fā)，使得邊坡的高度不斷提升，導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性和安全性越來越低。邊坡滑坡不僅嚴(yán)重影響地面工業(yè)、建筑安全。一旦滑坡等事件發(fā)生，就會需要大量的治理經(jīng)費(fèi)，極大降低了礦山的經(jīng)濟(jì)效益。因此深入開展露天礦高陡邊坡失穩(wěn)機(jī)制和預(yù)測預(yù)報研究，對推動我國露天礦的開發(fā)和邊坡治理具有重要意義。

1 國內(nèi)外對高陡邊坡治理現(xiàn)狀的分析概況

露天礦高陡邊坡的穩(wěn)定性研究一直以來是安全管理技術(shù)中最為關(guān)鍵的難點(diǎn)之一，是工程地質(zhì)力學(xué)研究中的重要方向?？v觀國內(nèi)外露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性研究的歷史脈絡(luò)，可以清晰的了解到，高陡邊坡穩(wěn)定性研究主要經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)到理論、定性到定量、單一評價到綜合評價、由傳統(tǒng)理論到新理論、新方法、新技術(shù)的發(fā)展過程。

1.1 高陡邊坡穩(wěn)定性的幾種分析法

1.1.1 工程地質(zhì)分析法

工程地質(zhì)分析法主要是通過地質(zhì)勘探，通過整合可能對邊坡穩(wěn)定性的各項(xiàng)要素進(jìn)行分析，采用力學(xué)機(jī)制、地質(zhì)體自身的形變成因等進(jìn)行深入分析。以此為理論，來構(gòu)建邊坡穩(wěn)定性的控制理論。

工程地質(zhì)分析法具有較大局限性，對一般的地質(zhì)條件礦山巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性具有較高的參考價值，但對復(fù)雜礦山巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性則難以體現(xiàn)。

1.1.2 極限平衡分析法

極限平衡分析法主要是通過其通用性和實(shí)用性，通過假設(shè)理論。假設(shè)邊坡處于極限平衡狀態(tài)，處于滑動邊緣，然后將邊坡離散成垂直界面的缸體條塊，建立起靜力平衡方程，從而求出邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)，通過設(shè)定系數(shù)，來對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行更加細(xì)致的定量評價。此類極限平衡法的力學(xué)模型對邊坡穩(wěn)定性的評價也具有一定的局限性，對質(zhì)地均勻的土質(zhì)邊坡的計算效果較為精確但對復(fù)雜介質(zhì)的邊坡計算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有較大誤差。

1.1.3 極限分析法與數(shù)值分析法

極限分析發(fā)主要以塑性極限分析法為主，將滑坡體看做流動法則的塑性材料，以極限狀態(tài)時的自重和外荷載所做的功等于滑裂面上主力所消耗的功為條件，結(jié)合對塑性分析的上限與下限定理可以確定一個安全系數(shù)。此類分析法只能在理想條件下得出邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，難以考慮復(fù)雜荷載及復(fù)雜滲流等情況的高陡邊坡。

數(shù)值分析法主要因計算機(jī)的普及和發(fā)展而衍生和發(fā)展。細(xì)分出諸如：有限差分法、邊界元法等多種邊坡穩(wěn)定性分析方法。此類分析法能對各種復(fù)雜的高陡邊坡進(jìn)行更加多元的分析，通過綜合衡量，結(jié)合多種分析法的各自優(yōu)點(diǎn)，能計算出最貼合實(shí)際的邊坡穩(wěn)定性的安全系數(shù)。

1.2 邊坡監(jiān)測研究現(xiàn)狀

高陡邊坡穩(wěn)定性離不開對巖質(zhì)條件和外界影響因素的檢測和分析。從當(dāng)前我國外的監(jiān)測手段來看，主要用于高陡邊坡的監(jiān)測儀器和方法主要包含以下幾大類。A、坡表大地測量；B、GPS 監(jiān)測；C、位移計；D、紅外遙感監(jiān)測法；E、激光微小位移檢測；F、雷達(dá)干涉測量等等。以上邊坡監(jiān)測主要通過對高陡邊坡圍標(biāo)進(jìn)行位移測量。

例如采用鉆孔傾斜儀、聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)等則通過對坡體內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測，也能得到十分準(zhǔn)確的坡體變形的數(shù)據(jù)。尤其是近年來，微震監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，為高陡邊坡穩(wěn)定性的研究打開新的研究方向，為露天礦高陡邊坡工程的穩(wěn)定性預(yù)測預(yù)報提供了可靠的技術(shù)支持，具有重大的科研價值，值得不斷深挖研究。

2 邊坡穩(wěn)定性研究存在的問題及發(fā)展趨勢

2.1 邊坡穩(wěn)定性的研究視角的轉(zhuǎn)移

傳統(tǒng)的露天礦山邊坡穩(wěn)定性的預(yù)測主要通過對坡體的變形外體檢測來掌預(yù)測滑坡，巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)與邊坡巖體內(nèi)部發(fā)生的微破裂和微失衡有密切關(guān)系，對坡體外體的觀察來進(jìn)行預(yù)測預(yù)報，具有一定的滯后性。

筆者認(rèn)為，邊坡的標(biāo)體發(fā)生位移或形變發(fā)生于坡體內(nèi)部微震活動之后，也就是說坡體內(nèi)部發(fā)生微震是發(fā)生坡體形變、位移的前兆。因此要想研究邊坡穩(wěn)定性，要將研究位置前移至對坡體內(nèi)部微震活動的孕育、演化、繁衍及對邊坡失衡的影響方面。

2.2 邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測視野擴(kuò)大

傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測研究缺乏對周圍環(huán)境劣化的納入研究。例如：卸荷、滲流、較大爆破、震動、荷載等誘發(fā)滑坡?lián)p傷等演化過程的分析方法。尤其是露天礦邊坡巖體在卸荷、滲流或動荷載等作用力下，容易對穩(wěn)定的邊坡產(chǎn)生擾動，致使邊坡變形失衡，這是傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性研究中較為匱乏的因素，也是導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性計算不準(zhǔn)的重要因素。由于巖體變形破壞實(shí)際上是能量耗散與能量釋放的結(jié)果，因此巖體受到外力能力耗散或能量釋放容易導(dǎo)致巖體材料劣質(zhì)化或強(qiáng)度損失，最終導(dǎo)致滑坡，因此深入研究開挖松動區(qū)的形成與損傷力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)具有十分重要的意義。

此外降雨滲流與一定強(qiáng)度的爆破震動對高陡邊坡的穩(wěn)定性也有一定的影響，主要體現(xiàn)在以下幾個因素。

首先，降雨、爆破震動容易弱化高陡邊坡的穩(wěn)定性。水流的侵蝕會導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度參數(shù)逐步降低，此外，水分滲透入坡體本身也加重了坡體自身的荷載，再加上水流的下滑力同時也降低了坡體巖石碎塊之間的摩擦力，加劇邊坡的動力失穩(wěn)，任何一次爆破震動都對邊坡巖體帶來一定的損傷和破壞，每一次微震信號都有豐富的內(nèi)部變化，因此對爆破震動信號的研究和處理分析，是做好邊坡穩(wěn)定的重要參數(shù)。

3 結(jié)語

筆者認(rèn)為，在露天礦高陡邊坡失穩(wěn)的研究中，要摒棄傳統(tǒng)對邊坡內(nèi)部漸進(jìn)損傷演化分析不準(zhǔn)的方式方法，通過對邊坡可觀動態(tài)的跟蹤監(jiān)測分析，才能真實(shí)的反應(yīng)出邊坡實(shí)際情況。

通過總結(jié)分析國內(nèi)國際對邊坡穩(wěn)定性工程的技術(shù)研究，提出采用微震活動來深入研究邊坡巖體失穩(wěn)前兆本質(zhì)特征，并以此為研究方向，建立巖體強(qiáng)度參數(shù)識別方法和動態(tài)穩(wěn)定性評價方法，為露天礦高陡邊坡的穩(wěn)定性建立更加科學(xué)可靠的預(yù)測預(yù)判模型。