（岩土工程专业论文）山西灵石县龙鑫发煤矿古滑坡成因与稳定性研究.pdf

摘要 正在建设的山西灵石县龙鑫发煤矿，设计年开采量为3 0 万吨。该煤矿位于一总面积 约o 2 1 k m 2 的古滑坡体下，其稳定性将直接影响到矿区的安全生产和正常运营，因此， 对该大型古滑坡的稳定性进行合理的评价以及科学的预测具有重要意义。 根据收集到的资料、现场地质调查、测绘和勘察以及室内岩石试样的物理力学试验， 本文对灵石古滑坡环境地质背景、滑坡体物质组成、结构特征和边界条件特征等进行了 系统的分析和研究，并总结了滑坡体的发育条件、成因机制及其发展规律。 影响该古滑坡稳定性的主要因素是地下煤层开采以及地震活动。运用有限元法的基 本原理，对古滑坡这两种影响因素作用下的位移变形和应力状态进行数值模拟和分析， 得出了不同工况下古滑坡坡体的位移变形与坡体应力变化规律。 地下开采情况下，初始状态时，位移变形主要发生在坡体中部，坡体处于较小受压 状态，滑带处于受拉状态且局部出现应力集中现象；地下开采结束后，位移显著增大， 位移集中区域转移扩散，坡体所受压应力增大，局部出现压应力集中现象，滑带处拉应 力继续增大且局部应力集中现象更加明显。 受地震震动作用的影响，滑坡体基本上处于受拉状态，且不同时刻坡体各个位置拉 应力基本相同，最大拉应力主要发生在坡体基岩；坡体所受剪切应力最大部位主要集中 在中前部，即坡体下部台阶与基岩接触的部位，个别滑带土体部位出现剪应力集中现象。 位移最大值主要集中在坡体中下部，位移随时间的变化关系曲线与地震加速度输入曲线 大致一致。 通过分析与研究，本文得到了一些有意义的结论，为矿区后期的地下煤层开采和地 表的土建工程提供了科学依据。 关键词：古滑坡；地下开采；地震；位移变形；应力状态 a b s t r a c t t h el o n 擘器i n f ac o a lm i n ei nc o i l s 加j c t i n gi st ob el o c a t e da tt 1 1 ev i l l a g eo fr e n v ii n l i n g s l l ic o u n 坝s h 锄【i ，t 1 ee x p l o r a t i o n 锄o u n ti s3 0m i l l i o nt o n sa n n u a l t 1 1 el o n 路i n f a c o a lm i n et ob ea b o u tm i n i n gi su n d e raa i l c i e n ts l o p e ，t h ea r e ao ft 1 1 i sa 1 1 c i e n ts l o p ei s 0 21k m ，c l a s s i 6 e st o1 a r g e s c a l es l o p e t h es t a b i l i 锣o ft l l i ss l o p er e l a t e dt ot 1 1 ep r o d u c t i o n s a f e t ya i l dn o m a lo p e r a t i o l l ，s o ，i ti se s s 锄t i a lt oe v a l u a t ea 1 1 dp r e d i c ti t ss t a b i l i t yc o r r e c t l y c o m b i n e dw i t ht h ep r a c t i c a lp r o b l 锄 o fe v a l u a t ：i o no ns t a b i l i t vo fa 1 1 c i e n t l a n d s l o p e ，b a s e do nm ei n v e s t i g a t i o n 、d a t ac o n e c t i o n 、g e 0 1 0 9 i c a ls l 】r 、a i l dp h v s i c a la n d m e c h a 血c a le x p 幽饥t s ，t h j sp a p e ra n a l y s i s e da i l dr e s e a r c _ h e di t se n v i r o m n e n t a lg e 0 1 0 9 y b a c k 霉o u n d 、】a t e r i a lc o m p o s i t i o n 、s t m c 咖1c h a r a c t 嘶s t i c sa i l db o u n d a i yc h a l a c t e r i s t i c s ， a n ds 1 1 m m 撕z e dt l l ed e v e l o p m e n tc o n d i t i o n s 、m e c h a n i s ma i l dt h e1 a wo fd e v e l o p m e n to f t h i ss l o p e t h em a mf a c t o r se f r e c t e d l i sa n c i e i l ts l o p ea r eu n d e r 2 r o u n dm i i l i n ga n de a r t h q u a k e b a s e do nt h ep 血c i p l eo ff i l l i t ee l e l l l e n tm e t h o d ，s o m en u m e r i c a lt e s t sa ：n da n a l y s e sa r eu s e d t ot l l ed i s p l a c e n l e n ta n ds t r s sc o n d i t i o no ft h ea n c i e n tl a n d s l i d ei nu n d e 唾，o u n dm i n i n 2a n d e a r t h q u a k e s o m ed i s t r i b u t i o nm l e so fd i s p l a c e m e n ta n d 田o u n dp r e s s u r eo ft 1 1 e 铷1 c i e n t l a r l d s l o p ei nu n d e r 对o u n dm i n 幻ga r l de a “h q u a k ea r es u m m a r i z e d a tt l l ec ：i r c u m s t a n c e so fu n d e r 岛o u n dm i l l i n g ，i i lt 1 1 ei i l i t i a lt i i i l e ，d i s p l a c e l n e n tm a i l l l y o c 伽盯e di nm em em i d s to f 竹l es l o p e ，n l i ss l o p ew a si nc o m p r e s s i o na 1 1 dm es l o p i l l gs t r i p w a smt e n s i o n ，s 拄e s sc o n c e n 垃a t i o no c c l l r r e di nl o c a l a r e ri i 】j n i n g ，d i s p l a c e l n e n tw a s i i l c r e a s i n ga n dt h er e 西o no fc o n c e n t l a t e da r e a 饥m s f e r r e da n ds p r e a d e d ，t h et e i l s i o nw 嬲a l s o i i 眦a u s m c o n l p r e s s i v es t i e s sc o n c e 玎t r a 蛞o no c a l r r e di nl o c a l ，t h et e r l s i v es 仃e s sw a sa l s o i 1 1 c r e a s m ga tn l es l o p i n gs t r i pa n dt h ep h e i l o m e n o no fs t r e s sc o n c e n 仃a t i o nw a sm o r ed i s t i n c t 1 bb es i l b i e c t e dt om ee 虢c to fe a r t l l q u a k e ，1 h ss l o p ew a si i l i o n ，a n dt 1 1 ev a l u e so f t e n s i l ef i o r c ei 1 1e v e r ym o m e n ta r ee q u a l t h em a x j m l l l l lt e n s i l ef i o r c em a i l l l yo c c 眦e da tt 1 1 et l l e b e d r o c ko ft h es l o p e ；t h em a x i m u ms h e a rs 臼e s sm a i l l l yo c c u 【丌e di nt h et l l em i d s ta i l df r o n t o fm es l o p e ，t b a ti s 吐l ec o n t a c tp a r tb e 铆e e i lm eb e d c k 觚dt h el o w e rs t i 暑po fm es l o p e a n dt h ep h e n o m e l l o no fs 仃c s sc o n c e l l 慨i o no c c 啪da ts o m es p e c i f i cp a no ft h es l o p i n gs t r i p ； d i s p l a c e m e n tm 血1 yo c c u r r e di nm em em i d s ta 1 1 d6 o mo fm es l o p e ，t h ec u r v eo f d i s p l a c 锄e n t t i m ei ss i m i l a rt om ec u r v eo fe a r t h q u a k ea c c e l e r a t i o n a c c o r d i n gt 0a n a l y s i sa i l dr e s e a r c ：h ，s o m eu s e 血lr e s u l t sa r es u m m a r i z e d nc a n p r o v i d e ss o m eu s e 缸ls c i e r 血f i cb a s i sf o r1 l i l d e r g 阳u n dm i n i n ga n dc i v i lc o n s t n l c t i o nl a ：t t e r k e yw o r d s ：a n c i e n ts l o p e ；u n d e r g r o u n dm i n i n g ；e a n h q u a k e ；d i s p l a c e m e n t ； s t r e s s 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：茗昔 日期：，7 年，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：名昔 导师签名：徼 日期：砷年，月万日 日期：冲7 年厂月日 第1 章绪论 1 1课题研究背景及意义 滑坡( 1 a n d s1 id e ) 是指斜坡的部分岩土体在重力或其它外力作用下， 沿一定的软弱面，整体向下移动的现象，包括蠕动变形、滑动破坏和渐 趋稳定三个阶段，有时也具有高速急剧滑动的现象。在山区修建铁路、 公路、矿山、工厂、房屋建筑和水利工程时，常常会遇到崩塌、落石、 滑坡、坍塌、泥石流等地质灾害。其中，滑坡是滑移距离大、数量多、 危害严重、性质比较复杂而且难以整治的病害之一。尤其是近十几年来， 随着人类工程活动的加剧以及世界性气候的异常，滑坡已成为所有地质 灾害中发生频率最高，对人类危害最严重的一种地质灾害，己引起世界 大多数国家的高度重视。 滑坡灾害作为边坡失稳最为常见的地质灾害，给各国人民的生命财 产和经济建设造成严重损失。滑坡问题出现在世界各地，其中中国、美 国、日本、意大利、等多个国家都是滑坡较多，受危害较严重的国家。 据有关资料统计n 4 1 ，日本大约有8 5 的国土是由经常发生滑坡的软弱岩 层构成的山区，约有滑坡5 5 8 4 处，占地近15 万公顷；前捷克斯洛伐克 有滑坡9l6 4 处，占地6 万公顷；意大利受滑坡威胁的面积占全国土地面 积的三分之一；瑞士四万平方公里的国土面积中，山区占7 0 以上，己调 查的体积大于1k m 2 的特大型滑坡就有几十处；亚美尼亚有各种规模不等 的滑坡3 5 0 0 多处( b o y n a g r y a n ，2 0 0 0 ) 。 我国幅员辽阔，地质地理条件十分复杂，滑坡分布尤为广泛，西南、 西北、华东、中南和华北的山区，丘陵以及黄土高原地区都有大量滑坡 分布，亦是世界上受滑坡危害比较严重的国家之一。很早以前史书上就 有“山崩堵江 ，“移山湮谷 ，“地移淹村 的详细记载，随着我国经济 建设的高速发展，人类工程活动日益频繁，规模日益增大，遇到的滑坡 问题也越来越突出。滑坡灾害突发性强，造成的后果极为严重，滑坡失 稳轻则增加投资延长工期，重则摧毁建筑物，造成重大的人员伤亡。据 统计，我国自然灾害直接造成的经济损失每年为3 0 0 5 0 0 亿元，其中滑 坡崩塌每年损失4 0 50 亿元；我国己受到滑坡灾害威胁和可能受到滑坡 威胁的地区约占我国陆地面积的1 5 1 4 ，而西南地区发生的滑坡约占 全国滑坡次数的一半以上，且滑坡灾害的频度和规模随着国民经济建设 和大型工程修建有逐年增强的趋势。据不完全统计19 9 8 年以来，福建省 先后发生滑坡、崩塌、泥石流等2l3 0 0 多起，造成死亡3 0 0 余人，伤5 0 0 余人，经济损失高达1o 多亿元；四川省近1o 年，每年地质灾害死亡人 数在3 0 0 人左右，经济损失达数亿元；三峡库区的最新统计表明，19 8 2 年以来库区两岸发生滑坡、崩塌、泥石流7 0 多处，规模较大的4 0 多处， 死亡4 0 0 多人，直接经济损失数千万；云南省19 9 0 19 9 9 年公路边坡发 生大、中型滑坡14 0 多处，经济损失达到16 8 亿余元。 鉴于滑坡灾害的严重性及其昂贵的治理费用，我们有必要从己有的 经验教训中反思在大规模的经济建设中如何预防滑坡灾害，减少因滑坡 而造成的巨大损失。对滑坡灾害的认识的不断深化是建立在地理、地质 和岩石力学土力学等一系列科学分支的形成、发展和完善的基础之上的， 对滑坡的稳定性进行系统而深入的研究，分析其形成机理，完善滑坡稳 定分析理论和方法，客观、准确地评价其稳定现状及在影响因素作用下 的稳定性，从而为滑坡灾害的治理提供有效的依据具有十分重要的意义。 龙鑫发煤业有限公司位于灵石县城南l0 跏处仁义村西北，行政区划 属灵石县南关镇管辖，地理坐标：东经1 1 0 0 4 3 3 7 。一1 1 0 0 4 6 7 2 1 ”，北纬 3 6 0 4 4 1 3 。一3 6 0 4 57 2 8 ”，正在基建中的该公司的工业广场位于一古滑坡体上， 该古滑坡总体走向近南北向，倾向东，发育于北北东南南西走向的山 梁之东南山麓，由次级北西、北东向山脊及近南北向坡前沟谷构成平面 矩形区域，总面积约0 21k m 2 ，属大型古滑坡。即将开工建设的矿区办公 楼、职工住宅等多幢建筑物均位于滑坡体上，而煤矿采场则位于古滑坡 体下l2 0 15 0 m ，为保证各种地表和地下建( 构) 筑物及矿区职工生命财 产的安全，有必要对滑坡的自然条件、地质环境以及滑坡区所在的区域 地质背景进行全面的掌握和了解，并对该滑坡的稳定性进行客观、正确 的评价，从而为矿区的基建工作提供有力的保障和依据。 1 2 国内与国外研究现状 国外滑坡研究始于2 0 世纪2 0 年代的瑞典，第二次世界大战后，随 着各国经济建设的不断发展，遇到的滑坡问题逐渐增多，对滑坡的研究 也就逐渐系统而深入。195 0 年美国学者k t e rza g h i 发表了滑坡机理 的论文，较系统地阐述了土质滑坡产生的原因、过程、稳定性评价方法 以及在某些工程中的表现；l95 2 年澳大利亚一新西兰的区域性土力学会 议上，所有报告几乎全与土质滑坡有关，重点是研究滑坡土的强度特性； l9 5 4 年9 月在瑞典的斯德哥尔摩召开全欧第一届土力学会议，主题就是 滑坡稳定性问题，其中23 篇报告中介绍了挪威、瑞典、英国等国家的滑 2 坡；195 8 年美国公路局的滑坡委员会编写了滑坡与工程实践一书， 是世界上第一本全面叙述滑坡防治的专著；l9 6 0 年日本的高野秀夫发表 了滑坡与防治一书，19 6 4 年3 月日本正式成立滑坡协会，出版季刊 滑坡，后又成立滑坡对策协会，出版滑坡技术，这是当时国际上 两种关于滑坡的专门刊物；19 6 4 年前苏联又召开全国滑坡会议，出版了 论文集，介绍高加索、克里米亚和西伯利亚等地的滑坡；l9 6 8 年在布拉 格举行第23 届国际地质大会期间，酝酿成立了国际工程地质协会，同时 也成立了“滑坡及其块体运动委员会，由捷克人j p a se k 担任主席。 这是当时关于滑坡的一个国际性组织，成员尚不足2 0 人，从19 77 年到 目前为止，国际滑坡学术讨论会已召开五次。每次会议，各国专家就滑 坡研究的现行方法和技术以及突出的新进展交换观点和交流经验。国外 关于滑坡的研究主要取得了如下成果： 对于意大利瓦依昂水电站滑坡高速启动机理，s k e m p t o n 认为是岩体 的残余强度太低造成；m ulle r 提出触变液化的观点：而l o k y 和r o m e r o 等人认为滑动面上的孔隙水压力起着重要作用。关于其它高速远程滑坡 碎屑流态化运动机理，拜格诺德和美籍华人许靖华先后提出高速滑坡运 动的“无粘性颗粒流说；k e ni 提出“圈闭空气导致流体化说”：s h r e ve 提出“气垫层说 ：h a b i b 等人提出“孔隙气压力说”：e ris m a n 提出“岩 石自我润滑说；m e lo s h 提出“声波流态化观点：d a vics 提出“机械流 态化说 。这些观点是2 0 世纪8 0 年代以前提出的关于高速崩滑启程与远 程运动的主要机理。 s c hic d eg g e r ( 197 3 ) 发表了关于灾难性滑坡的滑程与滑速的预测 的重要论文，开创了高速滑坡滑动速度计算的先河。 e is b a ch e r 和c l a g u e ( 19 8 4 ) 编写了专著高山地区破坏性的块体运 动：灾害和管理，论述了山区的地质灾害和防范措施：特别是论著的第二 部分，收集了阿尔卑斯山区137 个破坏性块体运动的实例，具有重要的 参考价值。 s a ss a ( 19 8 8 ，2 0 0 0 ) 提出沟谷中饱水的滑坡物质由于受到来自于斜坡 上方失稳的块体的快速加载，在快速不排水条件下发生液化的启动机理。 并且广泛应用高速环形剪切仪，对采自日本御岳山、中国洒勒山等许多 滑坡的滑带土和滑体土样品进行了排水和不排水条件下视摩擦角的变化 实验，研究了孔隙水压力对高速远程滑坡一碎屑流运动的影响。 e ris m a n ( 20 01 ) 在专著岩滑和崩塌动力学中，研究了崩滑失稳、 解体、运动的实例与机理。 我国对滑坡的系统研究是从建国之后开始的，伴随着对一些灾害性 滑坡的研究，我国的滑坡理论也得到极大发展。国内关于滑坡的研究主 要取得了如下成果： 潘家铮( 19 8 0 ) 在建筑物的抗滑稳定和滑坡分析一书中提出了滑 坡速度的计算公式。 孙广忠等( 19 83 ) 将具有软弱结构面切割的板状岩体称板裂结构岩 体，并指出梁板弯曲变形和结构失稳的力学模型是它的基本力学模型。 张悼元、刘汉超等( 上世纪8 0 年代中期) 首次提出了“前缘滑移一上 缘拉裂中部锁固 的三段式地质力学模型，并首次发现非地震因素的 液化证据。 胡广韬( 19 8 8 ) 发表我国第一部系统阐述滑坡动力学的专著一动力 滑坡学，并于1 9 95 年出版滑坡动力学进行理论、方法和公式的补 充。 黄润秋( 19 8 9 ) 提出斜坡岩体高速滑动的“滚动摩擦 机制。 卢万年( 19 91 ) 应用空气动力学中的机翼理论分析了高速滑坡体在空 气中滑行的规律，在理论上定量地分析了“空气动力擎托的机理，提 出了滑坡远程运动中滑坡速度及滑程的预测公式。 王效宁( 19 9 3 ) 研究了滑坡体中滑带温度场的变化规律，讨论了温度 与滑动速度的关系。 程谦恭( 19 9 9 ) 在高速岩质滑坡动力学一书中详细分析研究了剧 冲式高速岩质滑坡动力学的机理，并于2 0 0 4 年发表三篇重要学术论文对 斜向层状岩体斜坡上滑坡的变形、破坏、失稳的动力学机理进行了深入 的分析，建立了相应的力学判据。 随着研究的逐渐深入，弹塑性力学、损伤力学、断裂力学等先进理 论，特别是计算机模拟技术被引入滑坡机理的研究工作，大大促进了滑 坡理论的发展。 1 2 1 滑坡变形破坏机制研究 目前对于滑坡变形破坏机理喁 73 的研究己经相当成熟，众多的学者提 出了各种不同的地质模式，归结起来，分为地质分析、物理模拟和数值 模拟三种。地质分析属于反分析方法类，根据边坡当前状态、所处环境 以及当前的一些变形破坏迹象来研究变形破坏机理；物理模拟采用相似 材料，模拟斜坡演变过程中有关因素的改变来再现斜坡变形破坏过程， 进而分析其力学机制；数值模拟则是依靠现代计算机技术，将地质学与 数学结合起来，通过数值计算来解决地质问题。 美国学者te r z a g hi 在195 0 年发表的滑坡机理论文系统地阐述了 4 滑坡产生的原因、过程、稳定性评价方法以及在某些工程中的表现。斯 开普顿( 19 6 4 ) 关于粘性土的残余强度理论和捷尔一斯捷潘扬关于土体蠕 变过程的研究把滑坡机理推向更加深入的研究( 王恭先， 19 9 6 ) ， d j v a r n es ( 19 7 8 ) 根据斜坡岩土体的运动类型，将斜坡变形破坏分为崩塌、 倾倒、滑坡、侧向扩展、流动以及他们的复合类型。 国内，自谷德振( 19 7 9 ) 提出“岩体工程地质力学 以来，在斜坡变 形机理方面，非常注重岩体结构和时间效应及其对边坡演化机理的作用。 杜榕桓等在研究长江三峡库区滑坡时按其残留滑面形态及滑体结构特 征，划分出以下三种模式：( 1 ) 台阶形滑面的挤压一推移一分级转动式滑坡 ( 如新滩滑坡) ；( 2 ) 弧形滑面的挤压一推移一转动滑坡( 如范家坪滑坡) ； ( 3 ) 直线形滑面的挤压一扩张一平推式滑坡( 如罗家沱滑坡) 。晏同珍( 19 81 ) 从地质力学的角度研究滑坡，按滑坡发生的初始条件、滑动原因及滑动 方式等，划分为八种滑坡机制：刘汉超等( 19 81 ) 对我国著名的龙羊峡水库 斜坡和滑坡进行了研究，并首次提出了滑坡床面的累进性破坏与贯通的 机理。罗国煌等( 19 8 2 ) 提出斜坡“优势面一概念：孙玉科( 19 83 ) 等将边坡 变形机制分为水平剪切变形机制、顺层剪切变形机制、顺层逆剪变形机 制和反倾逆剪变形机制四种类型；孙广忠( 19 8 4 ) 在谷德振的基础上，提 出岩体结构控制论；杜永廉提出弯曲倾倒变形机制：张悼元、王士天、王 兰生( 19 9 3 ) 等提出滑坡的基本变形模式为：蠕滑、拉裂、弯曲和塑流等几 种模式，这些模式在空间上还有不同的组合形式：蠕滑( 滑移) 一拉裂、滑 移一压致拉裂、滑移一弯曲、弯曲一拉裂、塑流一拉裂等，并且它们在 空间上还可复合，在发展过程中还可以转化。 尽管滑坡的变形破坏机制多种多样，但都是建立在详细了解滑坡的 地质环境的前提下，在对地质原型的分析与抽象、物理模拟和数值模拟 的基础上提出的，这些理论都是从不同的侧重点阐述了滑坡变形破坏的 内在原因和宏观表现形式。一般认为滑坡的滑动过程哺 1 ，是一个势能释 放和动能消耗的过程，滑速的高低，取决于势能转化成动能的程度；滑 动距离的远近则直接与滑动阻力大小相关。势能转化成动能的程度及滑 动阻力的大小，是滑体自身的性质、滑面形态及抗滑性质的函数。实践 证明，斜坡变形破坏地质力学模式与斜坡岩( 土) 结构类型之间存在着_ 定的成生联系，各类模式有自身的形成和演化规律，演化过程中表现出 阶段性特征，不同发展阶段其外形和内部结构特征有所区别，这些特征 可作为判别斜坡是否已发生变形和其变形所处阶段的地质依据。这往往 是斜坡稳定性地质分析中极为重要的环节，是建模( 建立概念模型) 分析 的重要依据。 5 1 2 2 影响滑坡稳定性的主要因素 边坡变形破坏是一个复杂、不可逆、动态的耗散过程，边坡的演变 是作用于边坡岩体上的内外营力共同作用的结果。边坡岩体稳定是暂时 的，有条件的，边坡总是处于不稳定一稳定一不稳定的循环之中，边坡 岩体的变形破坏取决于边坡岩体中的应力分布和岩体强度特性。如果边 坡应力变化的范围在边坡岩体的容许强度之内，则应力调整不会带来边 坡的破坏，否则，将导致边坡的变形破坏。改变或影响边坡岩体应力状 态的因素很多，简单来说可分为内在因素与外在因素两种n 1 1 3 1 。内在因 素包括地形地貌、地质构造、地震、岩土性质、岩体结构、地下水及地 应力场等；而外在因素包括振动作用、气象条件、各种外力地质作用及 人为活动等。内因是边坡岩体变形破坏的主要因素，而外因是边坡岩体 变形破坏的诱发因素，外因通过内因起作用。 ( 1 ) 地形地貌：开挖的人工边坡是改变自然地形而出现的新的地形形 态，因此，它与地形地貌有着直接的关系。在中、高山区，地形陡峻， 地质作用强烈，常常出现高陡边坡；在开阔的河谷盆地，地形则相对平 缓，地质作用缓慢，对边坡稳定性的影响相对简单。总的来说，容易汇 集地面水和地下水的山问缓坡地段，易受水流冲刷和淘蚀的山区河流凹 岩地段及下陡、中缓、上陡的地形易导致边坡的失稳。 ( 2 ) 地质构造：地质构造对岩质边坡稳定性的影响是十分明显的，在 区域构造复杂、新构造运动比较活跃的地区，边坡的稳定性较差，失稳 边坡发育的方式、分布的疏密与构造线的方向及部位有密切的关系。三 峡库区中几种构造体系复合相交部位以及向斜谷是三峡谷坡变形较为严 重的构造部位，8 0 以上的滑坡、崩塌均发育在向斜谷。控制区域性滑 坡、崩塌发育分布的最基本的构造因素是构造线走向，当河谷走向与构 造线方向垂直时，岸坡比较稳定，较少发生滑坡与崩塌；当河谷走向与 构造线方向一致时，处于向斜河谷的顺向坡是滑坡发育敏感的部位，几 种构造体系复合交接部位的向斜河谷则是滑坡、崩塌发育均敏感的部位。 地质构造构成斜坡失稳的破坏面或周界，直接控制斜坡变形破坏的形式 和规模。 ( 3 ) 岩石性质：对软弱岩石，如黏土、页岩、泥岩凝灰岩、泥灰岩、 千枚岩、板岩、云母片岩、滑石片岩以及含有岩盐或石膏成分等具有层 状结构的岩石，遇水浸泡易软化，强度降低，形成弱层，很容易发生滑 坡现象。 ( 4 ) 岩体结构：岩体是有结构的，其变形和破坏由岩体结构控制。岩 6 体变形不仅是材料的变形，而且更主要的是结构的变形。岩体破坏也不 仅是材料破坏，许多情况是结构的失稳，岩体结构特性对边坡稳定性的 影响是显而易见的。影响边坡稳定的岩体结构因素主要是结构面的组数 和数量、结构面的倾角和倾向、结构面的连续性以及结构面的表面性质 等。边坡岩体按岩体结构不同通常分为整体块状结构、层状结构、碎裂 结构和散体结构四大类。一般来说，滑坡多发生在层状碎裂结构、碎裂 结构及散体结构的边坡岩体中，比较完整的岩体虽然亦发生滑坡，但多 为受构造条件控制的块裂斜坡或受软弱层面控制的层状结构斜坡。不同 岩体结构斜坡的变形破坏是不同的。 ( 5 ) 地下水的作用：“十个边坡九个水 这句话形象地反映了边坡失 稳往往与水的活动有密切关系这一客观事实。地面水和地下水渗入滑坡 体，湿润并软化滑动带，产生静水压力、动水压力和上浮力，均能促进 滑坡活动。滑坡前缘抗滑部分受到江、河、湖、海或水库的水流冲刷和 波浪侵袭，被切割、支撑、削弱，引起滑坡活动。江、河、湖、海或水 库水位的涨落，引起附近区域地下水位升降，引起滑动带强度性质改变 和孔隙水压力改变，从而引起滑坡滑动。在有些地区的冰雪解冻和降雨 季节，边坡失稳事故一般较多，这足以说明水是影响边坡岩体稳定性的 重要因素。 ( 6 ) 地应力和地震：地应力是控制边坡岩体节理裂隙发育及边坡岩体 变形破坏的重要因素之一。边坡内部的地应力主体是自重应力和构造应 力。坡体中结构面的存在使边坡内部应力场分布变得复杂，在结构面周 边会产生应力集中或应力阻滞现象，当应力集中的量值超过岩体的强度 时，边坡岩体便会发生破坏；地震对边坡稳定性的影响表现为累积效应 和触发效应，前者主要表现为地震作用引起边坡岩体结构松动，破裂面、 弱面错位和孔隙水压力累积上升等；后者则主要表现为地震的作用造成 边坡中软弱层的触变液化以及使处于临界状态的边坡瞬间失稳。 ( 7 ) 人类工程活动：天然状态下处于稳定状态的边坡在人类活动作用 的影响下会改变原有的平衡状态而失稳：如坡顶堆放材料或建造建筑物、 坡体内部开挖洞室、坡脚开挖、坡顶卸荷、打桩、车辆行驶、爆破等， 其实质是使边坡的滑动力( 矩) 增大，所以在抗滑力( 矩) 不变的前提下， 其坡体的稳定程度也就自然而然地降低了。 1 2 3 滑坡稳定性分析研究 滑坡稳定性的计算研究可追溯到一百多年前，到目前为止，已提出 了几十种 7 方法，虽然有的方法已不再使用，有的方法还有待于完善。目前主要的 方法有以下三种1 ”：定性评价方法、定量评价方法和非确定性评价方 法。对于定性分析方法，就是根据滑坡区工程地质条件及滑坡堆积体性 质及变形破坏特征等，对滑坡体稳定性状况进行评估，也称宏观判断， 其优点是能综合考虑边坡稳定性的多种影响因素，快速的对边坡的稳定 状况及发展趋势做出评价，缺点是该方法以大量的已有数据和工程经验 为基础，它无法为具体的工程设计与施工提供量化指导；对于定量方法， 其以一定的地质模型为基础，并在此基础上建立相对合理的数学模型， 从而实现边坡稳定性的评价，但由于边坡岩土体自身的复杂性及其对自 然环境和人类工程活动的敏感相关性，边坡稳定存在着诸多因素作用的 随机性，从而可能形成地质力学模型参数与试验参数的不一致性，再加 上当前存在的计算模型的多样性与缺陷性并存的矛盾，必须要求用动态 的力学和随机理论去分析和解决问题，为此，非确定性方法是近年来针 对边坡稳定的动态性与不确定性，引用了一些新的科学和理论，从中提 取出来的一种新的分析方法。 1 2 3 1 定性分析方法 定性分析方法主要是通过工程地质勘察和其它先进的调查方法，对 影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制等 的分析，对已变形地质体的成因及其演化史进行分析，从而给出被评价 边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性的说明和解释。其优点是 能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡的稳定状况及其 发展趋势作出评价。常用的方法主要有下面几种： ( 1 ) 成因历史分析法 该方法是基于边坡变形破坏现状、分析其形成演化过程并判断边坡 稳定性特征的分析方法。主要根据边坡发育的地质环境、边坡发育历史 中的各种变形破坏迹象及其基本规律和稳定性影响因素等的分析，追溯 边坡演变的全过程，对边坡稳定性的总体状况、趋势和区域性特征作出 评价和预测，对己发生滑坡的边坡，判断其能否复活或转化。需要指出 的是，该方法虽属初步的、定性的评价方法，但它是其它各种评价方法 的基础，没有这种方法，其它评价方法将难以进行。 ( 2 ) 工程类比法 该法是将已有的天然边坡或人工边坡的研究经验( 包括稳定的或破 坏的) ，用于新研究边坡的稳定性分析上，如坡角或计算参数的取值、边 坡的治理措施等。工程类比法具有经验性和地区性的特点，应用时必须 全面分析已有边坡与新研究边坡两者之间的地貌、地层岩性、结构、水 文地质、自然环境、变形主导因素及发育阶段等方面的相似性和差异性， 同时还应考虑工程的规模、类型及其对边坡的特殊要求。在工程实践中， 既可以进行自然边坡间的类比，也可以进行人工边坡之间的类比，还可 以在自然边坡和人工边坡之间进行类比。因而，该方法也是目前应用很 广泛的一种边坡稳定性分析方法。 ( 3 ) 边坡工程数据库和专家系统 边坡工程数据库是收集己有的大量自然斜坡、人工边坡实例的计 算机软件。它按照一定的格式，把各个边坡实例的发育地点、地质特征( 工 程地质图、钻孔柱状图、岩土力学参数等) 、变形破坏影响因素、形式、 过程、加固设计，以及边坡的坡形、坡高、坡角等收录进来，并有机地 组织在一起。建立边坡工程数据库的目的主要是进行工程类比、信息交 流。它可以直接根据不同设计阶段的要求和相关的类比依据，方便快捷 地从中查得相似程度最高的实例进行类比，从而能更好地指导实践、节 约费用。我国在“八五国家科技攻关期间，已初步建立了“岩质高边 坡稳定分析方法和软件系统n 引”。 专家系统是一种按某学科及相关学科专家的水平进行推理和解 决问题、并能说明其缘由的计算机程序。边坡稳定分析设计专家系统就 是进行边坡工程稳定性分析与设计的智能化计算机程序。它把多位边坡 工程专家的知识、工程经验、理论分析、数值分析、物理模拟、现场监 测等行之有效的知识和方法有机地组织起来，建成一个边坡工程知识库， 然后利用智能化的推理机( 一个控制整个系统的计算机程序) 来模拟并再 现人( 专家) 脑的思维( 推理与决策) 过程，吸收其合理的知识结构，寻求 优化的技术路径，同时，它又能建立计算机模型，结合相关学科不同专 家的知识进行推理和决策，对所研究的对象( 边坡) 进行稳定性分析评价。 利用良好的边坡工程专家系统，运用专家的知识水平，模拟其思维方式 和决策过程，以提高设计人员的决策水平，并最大限地降低费用、节省 时间，达到更加优化的目的和效果。 1 2 3 2 定量分析方法 边坡稳定性分析是经典土力学最早试图解决而至今仍未圆满解决的 问题，经过10 0 多年的发展，人们逐渐认识到传统的成因历史分析法和 极限平衡法存着很大的局限性，边坡工程中广泛存在着非连续性、非线 性、不确定性等，因此在科研和工程实践中发展了许多新方法和新理论， 主要有基于极限平衡理的各种条分法和数值分析方法等。 9 ( 1 ) 极限平衡分析法n 9 2 钉 该方法是工程实践中应用最早、也是目前最普遍使用的一种定量分 析方。目前己有了多种极限平衡分析方法，如：f elle n iu s 法、b is h o p 法、 j u a b u 法、m o r ge n ste m p r in ce 法、s p e nce 法、剩余推力法、s a r m a 法、 楔体极限平衡分析法等。虽然条分法人为假定的条间作用力并不代表边 坡真实的应力状态，但条分法计算简单，发展历史较长，稳定性而言， 其结果己可满足实际需要，特别是对土坡而言更是如此。各种分法的对 比说明，在参数相同的情况下，采用不同的计算假设，相互之间结差别 不大，误差主要来源于参数的取值，这说明条分法的发展已经相当熟。 ( 2 ) 极限分析法 塑性力学中的极限分析法很早就用于结构稳定性分析，运用塑性力 学中上、下限定理求解边坡稳定问题。华裔学者陈惠发教授系统地将其 应用于土稳定性研究，丰富了岩土塑性力学的内容，使极限分析法成为 独立的上体稳性分析方法。极限分析法是建立在材料为理想刚塑性体、 微小变形及材料遵守相关联流动法则3 个基本假定上。潘家铮( 19 8o ) 在 极值定理的基础上提出了边坡稳定性问题的最大值和最小值原理，陈祖 煜( 19 9 8 ) 对该原理进行了理论上的证明。极限分析上限法也称能量法， 通常需要假设一个滑裂面，并将土体构成若干块，土体视作刚塑性体， 然后构筑一个协调位移场。为此需要假设滑裂面为对数螺线或直线，然 后根据虚功原理求解滑体处于极限状态时的极限荷载或稳定安全系数。 极限分析下限法的理论基础是下限定理，它在计算过程中需要构造一个 合适的静力许可的应力分布，在通常情况下可用应力柱法或者应力不连 续法等来求得问题的下限解，其解偏于安全，可以实用。但下限定理的 应用是有限的，因为很难找到合适的静力许可的应力分布，只有极少数 情况下可用应力柱方法构造这种平衡静力场，获取下限解。极限分析法 中最常用的是上限定理，因此，极限分析法在多数情况下实际上是上限 法。 ( 3 ) 数值分析方法心5 2 叫 随着计算机技术的发展，数值分析方法在边坡稳定性分析领域取得 了巨大的进展。数值分析方法可以模拟边坡加载、卸载的全过程，可通 过严格的应力、应变分析求解边坡的极限荷载。根据模型材料假定条件 的不同，数值分析方法大致可以分为两类：一类是基于连续介质的分析方 法，包括有限元( f e m ) 法、边界元( b e m ) 法、快速拉格朗日( f l a c ) 分析法 等，这些方法具有强大的处理复杂几何边界和材料非线性的能力，同时 可以模拟有限条数的岩体结构面。这是目前理论体系比较严格也比较成 1 0 熟的一类方法：另一类是基于非连续介质的分析方法，包括离散元( d e m ) 法，界面元法，不连续变形分析( d d a ) 法，流形元法等，这些方法具有强 大的处理非连续介质和大变形的能力，不仅能够比较真实地模拟边坡应 力应变和变形发展、破坏的全过程，而且还可以动画的形式提供边坡破 坏以后滑动、塌落、崩解过程。 1 2 3 3 非确定性分析方法心9 3 0 1 ( 1 ) 可靠性分析法 理论与实践均证明，影响边坡工程稳定性的诸多因素常常都具有一 定的随机性，它们多是具有一定概率分布的随机变量。2 0 世纪7 0 年代中 后期，加拿大能源与矿业中心和美国亚利桑那大学等开始把概率统计理 论引用到边坡岩体的稳定性分析中来。该方法的原理是首先通过现场调 查，以获得影响边坡稳性响因素的多个样本，然后进行统计分析，求出 它们各自的概率分布及其特征数，再利用某种可靠性分析方法，如m o n te c a r lo 法、可靠指标法、统计矩、随机有限元法等来求解边坡岩体的破 坏概率即可靠度。祝玉学( 1 9 9 3 ) 把在规定的条件下和规定的实用期限内， 安全系数或安全储备大于或等于某一定值的概率，即边坡保持稳定的概 率定义为可靠度。可见，用可靠度比用安全系数在一定程度上更能客观、 定量地反映边坡的安全性。只要我们求出的可靠度足够大，也即破坏概 率足够小，小到人们可以接受的程度，就认为边坡工的设计是可靠的。 近年来，该方法在岩土工程中的研究与应用发展很快，为边坡稳定性评 价指明了一个新的方向。但该方法的缺点是：计算前所需的大量统计资料 难于获取，各因素的概率模型及其数字特征等的合理选取问题还没有到 很好的解决。另外，其计算通常也较一般的极限平衡方法显得困难和复 杂。 ( 2 ) 模糊综合评判方法 影响边坡稳定性的诸因素除了具有前述的随机不确定性外，还具有 一定的模糊不确定性。采用模糊综合评判或模糊聚类方法对边坡的稳定 性作出综合评制，其具体做法通常是先找出影响边坡稳定性的各个因素， 并赋予它们不同的值，然后根据最大隶属度原则来判定边坡的稳定性。 实践证明，模糊综合评方法为多变量、多因素影响的边坡稳定性分析提 供了一种行之有效的手段。这一方法主要应用于大型边坡的整体稳定性 评价。 目前，除了以上两种常用的非确定性分析方法外，系统工程分析方 法、灰色系统理论方法、突变理论方法、神经元方法、损伤断裂力学理 论、分叉与混沌理论等也在边坡稳定性分析上得到了不同程度的应用， 为边坡稳定性分析及预测提供了新的途径。 1 3 本文研究思路与技术路线 1 3 1 研究目的与思路 本论文以山西省灵石县龙鑫发煤业有限公司工业广场的大型古滑坡 为研究对象，通过全面、深入的研究，系统地掌握该滑坡的特征、诱发 因素、破坏失稳成因机理和发展规律，并对地下开采和地震作用影响下 的古滑坡稳定性进行综合分析和评价，为以后的工程建设中类似地质条 件下的滑坡预防和稳定性分析提供一定的借鉴和参考。 本文研究的总体思路为：采用地质原型现场调研与地质过程分析相 结合的研究方法，遵循“地质过程机制分析”、“量化评价”和“系统工 程地质学”的学术思想，在收集前人研究资料和现场踏勘的基础上，采 用原型调研与室内分析相结合、宏观分析与微观分析相结合、工程地质 与岩体力学相结合、现场试验与室内试验相结合、模式分析与模拟研究 相结合、层次分析与系统评价相结合、几何分析与力学分析相结合的思 路，着重对滑坡区环境地质条件、滑坡物质成分及结构特征、滑坡体变 形破坏特征、地形地貌等基本问题开展深入系统的研究；在对滑坡变 形破坏的主控因素及诱发因素的系统分析后，判断该滑坡的成因机制； 根据现场的调查、资料收集以及室内岩样的物理力学试验，建立该古滑 坡的分析模型，并对地下开采和地震作用下古滑坡坡体位移变形与应力 状态进行数值模拟和分析，得出了不同工况下古滑坡坡体的位移变形与 坡体应力变化规律，对古滑坡在影响因素作用下的稳定性进行了分析和 判定。因此本文总体上对该滑坡的成因机制和稳定性进行了系统的分析 和研究。 1 3 2 技术路线 本论文研究的总体技术路线见图1 1 所示，简要说明如下： ( 1 ) 滑坡工程地质条件研究 采用以现场实地调查、勘探、统计为主