（岩土工程专业论文）宣钢近北庄铁矿滑坡机理及稳定性分析.pdf

摘要 边坡稳定性问题一直是岩土工程界的一个重要研究内容，它涉及矿山工程、 土木工程、铁路公路工程、水利水电工程、港口、废渣及垃圾处理等诸多工程领 域，以及山坡、岸坡等自然领域随着社会经济发展步伐的不断加快，工程建设规模 也越来越大，边坡地质灾害更为突出，边坡问题从简单的土坡延伸到复杂的岩质高 大边坡，因此岩质边坡稳定性研究将变得更加重要。 本文以宣化近北庄铁矿边坡为研究对象，遵循现场调研一室内试验一计算模 型建立一稳定性计算分析的研究思路，并对室内常规岩石力学试验得出的物理力 学参数进行工程处理，以选取合理的计算参数进行数值分析。 本文以近北庄铁矿岩质边坡为研究对象。首先着重研究影响边坡稳定性的内 在因素，主要是通过地质勘探、测量、现场观测等手段取得研究区地质体的基础 地质资料，同时对从现场采集的多种岩石进行了室内物理力学性质试验，并对实 验结果进行数据工程处理，从而获得了比较接近岩体工程实际的强度指标，使得分 析结果更符合实际情况建立起能够反映地质体结构特征的地质模型；随后综合 分析潜在的内外部影响因素，并结合赤平投影对边坡可能的失稳模式或破坏机制 作出判断。利用u d e c 软件对边坡的各种工况进行模拟，得出了不同点的位移 大小和变化趋势，同时对处理措施进行了验证，为最终合理整治、设计和施工提 供参考。 关键词：稳定性分析；离散元方法；强度折减；安全系数；u d e c a b s t r a c t t h es l o p es t a b i l i t yi sa ni m p o r t a n ts t u d yo b j e c to fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ga l i t h et i m e ，a n di tr e l a t e st oa r t i f i c i a la n dn a t u r a lf i e l d ss u c ha nm i n i n ge n g i n e e r i n g ， c i v i le n g i n e e r i n g ，r a i l w a ya n dh i g h w a ye n g i n e e r i n g ，h y d r o l o g i c a la n dh y d r o e l e c t r i c e n g i n e e r i n g ，w a s t er e s i d u ea n dg a r b a g em a n a g e m e n te n g i n e e r i n g ，h i l l s i d er i v e r s i d e ， e t c w i t ht h ef a s t d e v e i o p m e n to fd o m e s t i ce c o n o m y ，t h ec o n s t r u c t i o ni so nt h e i n c r e a s e t h es l o p ed i s a s t e rw i l lb em o r ea n dm o r es e r i o u s ，t h ei n v o l v e ds l o p e s e x t e n df r o ms i m p l es o i ls l o p et oc o m p l e xh i g hr o c ks l o p e ，s ot h er e s e a r c ho fr o c k s l o p es t a b i “t yw i l lb em o r ea n dm o r es i g n i f i c a t i v e t h i sp a p e rs t u d i e dt h es l o p eo fj i n b e i z h u a n go p e n - p i t ，f b l l o w i n gt h er e s e a r c h r o u t ea si n v e s t i g a t i o n - l a b o r a t o r yt e s t - e s t a b l i s h m e n to fc a l c u l a t i o nm o d e l - s t a b i l i t y a n a l y s i so fr o c ks l o p e i no r d e rt oe v a l u a t et h es t a b i l i t yo ft h es l o p e ，r o c km e c h a n i c s p a r 锄e t e r sd e r i v e df r o ml a b o r a t o r yt e s tf i r s t l yw e r eo p t i m i z e db ye m p i r i c a lf b m u l a t h i se s s a ys t u d i e dt h eo p e np i tl o c a t e di nj i n b e i z h u a n gi r o nm i n eo fx u a n h u a d e t a 订e ds t u d i e sa r em a d ea s f o l l o w s ：s e a r c h i n gt h ek e yi n t e r n a lf a c t o r sw h i c hc a n a f 艳c t s s l o p es t a b i l i t y a c c o r d i n gt ot h eg e o l o g i c a ld a t aw h i c hw a sg a i n e db y e x p l o r a t i o ni n v e s t i g a t i o n ，e s t a b l i s h i n gag e o l o g i c a lm o d e lw h i c hc a nr e n e c tr o c k m a s sc h a r a c t e r i s t i c s ，m a s s i v ea n a l y s i sa r ec a r r i e do u to nt h ed a t ac o l l e c t e d ，t h r o u g h t h es c e n ei n v e s t i g a t i o ns t u d y s i m u l t a n e o u s l y ；t h ei n d o o rp h y s i c a lm e c h a n i c sn a t u r e e x p e r i m e n ti sc a r r i e do u to nm a n yk i n d so fr o c k sg a t h e r e df r o mt h es c e n e ，a n ds o m e m e t h o di su s e di nt h ed a t ap r o je c tp r o c e s s i n go f e x p e r i m e n t a lr e s u l t s c o n s e q u e n t l y ； i to b t a i n st h es t r e n g t hi n d e xc l o s e rt ot h er o c ke n g i n e e r i n gr e a l i t y ；c a u s i n g t h e a n a l y s i sr e s u l t st oa c c o r dw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n w i t ha n a l y z i n gt h ei n t e m a la n d e x t e r i o r f a c t o r ss y n t h e t i c a l l y ，t h ed e f o m a t i o na n dp o s s i b l ef a i l u r em e c h a n i s ma n d m o d eo ft h ec u ts i o p e sw a sc o n f i r m e dw h i c hc o m b i n e sw i t hs t e r e o i cp r o j e c t i o na n d o l h e rt e c h n i q u e s t h es o f t w a r eo fu d e ci su s e dt os i m u l a t et h ed i f f e r e n ts i t u a t i o n s t h r o u g ht h e s i m u l a t i o nw ec a n g e tt h er e a s o no ft h el a n d s l i d ed i s a s t e r i ti su s e f u lt ou sf 0 rt a k i n g r e a s o n a b l es t e p st or e p a i ri t t h em e t h o do fr e p a i ri nt h et y p i c a ll a n d 8 l i d ei sv e r y u s e f u lt od e s i g na n dc o n s t m c t i o n ； k e yw o r d s ：r o c ks l o p ew i t hb e d d i n gp l a n e s ，s t a b i l i t ya n a i y s i s ，d e m ， s t r e n g t h r e d u c t i o n m e t h o d ，f a c t o r o f s a f e t y ，u d e c i i 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。 作者答名：春当 日期：胪了年f 月订日 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 l 、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： 导师签名： 年r 月巧日 年r 月彳日 7 妯，岬呷 期 期 日 日 暮 汲 餐委 ， 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究的目的 随着国民经济的快速发展，矿山开采、交通运输、水利建设和国防等建设工 程中所遇到的岩质边坡稳定性问题也相应地增多。为了使资源开发适应经济建设 高速发展的需要，新的大型露天矿山不断建成，原有矿山露天采场逐年延深和扩 帮，使边坡稳定性问题更加突出。由于生产的需要，原来较为稳定的岩体在形成 新的人工边坡时难免受到一定程度的扰动或破坏，从而引发了大量的边坡稳定问 题。边坡稳定性分析过程一般为：实际边坡一力学模型一数学模型一计算方法一 结论，其核心内容是数学模型、力学模型、计算方法的研究，即边坡稳定性分析 方法的研究。 边坡稳定性分析方法的研究是边坡稳定性问题的重要研究内容，也是边坡稳 定研究的基础。它涉及到土力学、水文地质、工程地质、岩石力学、地质力学、 弹性力学、数学、水文学等学科，同时和人类活动、经济发展等社会科学有关， 是各门学科的交叉运用，随着各门学科的发展而发展。本文根据边坡稳定性的研 究现状及发展历程，对边坡稳定性分析理论与方法进行系统地分类，并就优缺点 及其适用范围进行总结，为边坡的稳定性分析提供指导和理论依据。 天然岩质边坡中发生的滑坡，通常多发生在强风化岩体中，其触发因素大 多为暴雨、地震等，其中也有部分属于渐进性破坏，即剪切面材料的抗剪强度 从峰值过度到残余值的过程中，能量突然释放，形成高速滑坡。 露天采矿形成的矿坑边坡及排土场边坡，由于地质构造、边坡岩体地表水 及地下水作用、采矿工程活动等原因可诱发滑坡地质灾害，危及该地区周边工 矿企业与民居建筑的安全，造成人员伤亡及巨大的经济损失。如抚顺西露天矿， 从2 0 世纪5 0 8 0 年代共发生滑坡、塌陷、泥石流等灾害达9 0 次，并使周 边石油一厂、发电厂、城区民居地面变形、地裂缝不断，厂房与重要设施受到 破坏，损失超过数亿元；阜新海州露天矿从1 9 5 3 年投产至1 9 9 0 年止，共发 生滑坡等灾害7 5 次，造成巨大的经济损失和人员伤亡；安太堡露天矿1 9 9 l 一1 0 一2 9 发生的南排土场大滑坡，6 名民工丧生，造成重大损失；其它露天 矿的滑坡也不少。因此，滑坡地质灾害贯穿于露天矿开采的始终，并可能在闭 坑后更为严重。 由以上论述，我们可以显而易见地了解到边坡问题的严重性，边坡问题的 研究不仅十分必要而且刻不容缓。所以，边坡稳定性的研究对人类的生产和工 程活动有着极其深远的重要意义。 河北宣化钢铁厂近北庄铁矿东南边帮由于复杂的边坡岩体结构特征和矿 山不利的开采因素( 靠帮爆破方式、未按设计要求开采与边坡维护管理等) 及 边坡赋存环境( 强变质岩体、复杂的岩性组合与地质构造、强烈的物理风化及 地下水等) 的因素等综合效应的结果，致使局部边坡发生了多级序、多序次的 渐进性失稳，直接危及矿山的安全生产和永久边坡的形成。 本文拟以此边坡为研究对象，通过该项目的研究，试图对露天采矿边坡的 滑坡及其防治进行研究。文中较系统地分析了矿区滑坡形成机制、诱发因素及 失稳机理，为类似滑坡的稳定性分析和防治提供借鉴。 1 2 国内外研究历史与现状 1 2 1 边坡变形破坏特征及分类 露天矿边坡变形破坏模式是边坡稳定分析研究的基础。边坡变形破坏模式 研究受到国内外学者的广泛重视。比较有代表性的论著有武汉地质学院李铁汉 等心1 ( 1 9 8 0 ) ，以滑动面形态、数目、结合特征及岩体的力学性质，将边坡变形 破坏划分为5 类。中科院地质所孙玉科等1 ( 1 9 8 8 ) ，考虑工程地质岩组特征、 岩体结构、初始应力场、破坏形态、水文地质和变形破坏时间效应个方面，提 出5 种地质模型。罗国熠等h3 ( 1 9 9 2 ) ，以优势面组合破坏形式为基础，提出火 成岩的1 5 种破坏模式和层状岩体的4 种破坏模式。加拿大人b r a w n e r 等，根据 实际经验提出6 种最常见的岩石边坡变形破坏模式。中国露天矿边坡长稳定 性研究在前人丰富研究成果基础上，结合研究和生产实践，提出露天矿变形破 坏模式。它是以岩体结构为最基本的控制因素，考虑了结构面组合形态、岩性、 地应力和地下水。同时也考虑了滑床，滑体形态和变形破坏方式来总结最常见 的模式。矿山边坡变形破坏模式是多种多样的，但具体的滑坡都是基本破坏模 式中的一种或多种的组合。 2 边坡破坏模式表卜l 岩体结构层状结构 破坏模式溃屈破坏倾倒变形破坏 水平位错 软硬相间层状地层，走向 近水平层状地层，层 中陡倾角顺向高边坡， 平行坡向。同倾时、倾角 间有软弱夹层分布。 工程地质 层面倾角与坡角相等 陡，反倾时、中一陡倾角 较高的构造应力场， 和变形破 时，可能破坏模式为溃 边坡中容易发生，岩层向 边坡沿软弱夹层向 屈。坡面岩层逐层鼓起， 坑内倾倒，坡面裂开，形 坑内位移。一般不会 坏特征成逆向坡陡坎，时时发生 影响边坡稳定。但可 剪坏形成滑坡。通常发 生在边坡中下部。 坍塌和滚石。以垂直、水 能冈夹层弱化而向 平变形为主，整天滑动少 “同向双面滑动模 见。 式”发展。 板裂介质力学或物理模复合层体材料的粘弹塑复合层体材料的粘 分析方法拟，或复合材料的充分性有限元分析和充分变 弹塑性有限元和离 变形的离散单元法。形的离散单元法。散元分析。 续上表 岩体结构层状结构 破坏模式崩塌顺层滑动圆弧滑动 软弱垫层和坚硬盖层的 层面与坡面倾角小于2 0 层面不是边坡稳定 的控制因素，当岩性 水平层状结构岩体边的倾向坡，当层面倾角 软弱时，构造圆弧滑 工程地质 坡，坡高大于7 0 m ，坡b 小于坡角a ，大于层间 动。 和变形破角大于6 0 。时，造成破摩擦角，层面在边坡 坏特征顶张裂和块体塌落，多上、下两端出露且有倾向 在放炮、地震、暴雨和切割面发育时，多要发生 地下开采触发下发生。顺层滑动。 物理模拟、充分变形的 复合层体材料的粘弹塑 分析方法 性有限元分析和离散单 剩余推力法、圆弧滑 离散单元法。 动优化法等。 元法。 3 边坡破坏模式表卜2 岩体结构块状结构 破坏模式单平面多块体滑动平面滑动和坡脚剪坏同向双面滑动 与边坡走向相同、倾 该模式与单平面滑动相 角上陡下缓两条滑 工程地质 该模式与单平面滑动相 似，但潜在滑动面只在坡 动面及侧向切剖面 似，但滑在滑体被平行 面上出露。滑体在坡脚处 构成。当上、下滑面 和变形破 尚有部分岩体支持。当其 在坡面上出露时，则 坡向的拉裂缝或其他结 坏特征被开挖减薄或爆破弱化 构成潜在同向双平 构面分割成多块体。 后，被压碎或剪坏从而导 面滑动模式。 致滑动。 节理单元有限元弹塑性块体极限平衡法计 分析方法极限平衡计算分析。 分析或极限平衡法计算。算或萨尔玛法计算。 续上表 岩体结构块状结构 破坏模式单平面与后缘张裂滑动异向双平面滑动单平面滑动 滑动面为单一平面，直 接切穿边坡、无后缘切 由4 组或4 组以上结构 割面，滑动面可以是连 工程地质 与单平面滑动相似，仅面和临空面组成。其中续结构，如断层、侵入 在其后缘有切割面存二个滑动面倾向不同、岩与围岩界面等。也可 和变形破 在，使地下水的作用大交线倾向坡外且交线以是部分通过结构面、 坏特征 大增强。倾角小于坡角时构造部分通过岩石，且b 潜在滑体。a ，二侧有侧向切割面 切割时多为该模式滑 动。 平面或三维快图极限平 采用结构分析或三维 分析方法 快图极限平衡计算分 平面或三维快图极限 衡计算分析。平衡计算分析。 析。 4 1 2 2 稳定性分析方法 边坡工程是一个既古老又复杂的岩土工程课题。自1 7 7 3 年库伦( c o u l o m b ) 发表著名的土压力滑楔理论以来，对边坡的研究已进行了数百年，但至今研究尚 不是很充分，边坡地质灾害的破坏机制尚未得到完全揭示，其产生原因至今尚未 得到合理的解释。边坡工程所涉及的领域要比地基工程或地下洞室工程涉及的领 域广而深。边坡的种类繁多，按其物质组成可以分为岩质边坡和土质边坡；按其 人工改造程度可分为自然边坡和人工边坡。所谓自然边坡，指未经人工破坏改造 的边坡，例如天然沟谷岸坡、山体斜坡等。例圳，l 从当前的岩土工程研究手段来看，力学和数值分析方法始终是解决岩土工程 问题的基础f 1 4 j 。 人类对边坡稳定性有意识地进行研究是从1 9 世纪未、2 0 世纪初开始的。 在边坡稳定性分析的初期，其计算方法基本上是采用了材料力学和简单的均质弹 性理论为基础的土力学的原理和方法。这些方法的显著特点是其半经验半理论性 质及假定滑动面具有某一固定位置和形状。因此，可以说上述方法在力学原理上 是粗浅的，而且以一种极其简单的概念做出的基本假定也是脱离土体物理力出了 一种有别于以往任何方法的边坡稳定性计算方法，这种方法是以通过严格的数学 推导来解决边坡极限状态时坡面和滑动面的形状和位置为主要内容的。由于这种 方法的计算比较复杂和繁琐，在实际应用中有一定的限制，穆希姆、斯拉戈维奇、 戈卢什克维奇和费先科等将这种方法进行了简化，由于这种简化根据的原理严重 的脱离了岩土体的结构特点和力学状态，其计算结果与实际情况不相符合，从而 显露出严重的缺陷。与此同时，费先科提出了考虑岩土体中软弱结构面对滑动面 的控制作用和根据松散介质极限平衡原理的一套岩质边坡稳定性的计算方法。由 于采用了不够合理的静力学条分法，从而使计算分析结果与实际情况相差较大。 计算机在短短的几十年内获得了飞速的发展，为边坡稳定性分析的发展提供 了先决条件和推动力量。这一时期，各种方法相继涌现，给边坡稳定性分析带来 了一片生机勃勃的景象。归纳起来，其计算方法主要有五种：( 1 ) 滑移线法；( 2 ) 极限平衡法：( 3 ) 极限分析法：( 4 ) 数值方法；( 5 ) 其他方法。【l 1 2 2 1 滑移线法 滑移线法同时考虑屈服条件( c o u l o m b 准则) 和平衡方程，导出基本的微 分方程一塑性平衡方程，进而在屈服区内确定滑移线网，结合应力边界条件，得 出各种问题的解。滑移线法的一个缺点是忽略了土的应力一应变关系，而按照固 体力学，真实解必须满足这个条件。由滑移线方程得到的屈服区应力场不一定是 正确的解，同时也不能确定是一个上限解还是一个下限解。如果通过一个给定的 应力应变关系能把一个相容的位移场或者速度场与屈服区应力场联系起来，则滑 移线解是一个上限解；同时如果屈服区应力场可以拓展到整个求解域，且满足平 5 衡方程、屈服条件和应力边界条件，则滑移线解又是一个下限解。 1 2 2 2 极限平衡法钉 极限平衡法是一种最古老的边坡稳定性分析方法。早在19 16 年瑞典人彼德 森就最早提出了极限平衡法。到目前为止，以极限平衡法为代表的常规方法仍是 国内外广泛应用的方法。其基本出发点是把岩土体作为一个刚体，为方便计算做 一些假定，不考虑岩土的应力应变关系，因而这种建立在刚体极限平衡理论上的 稳定性分析方法无法考虑边坡的变形与稳定。它的优点是：( 1 ) 可以用手工计算， 无需借助大型计算机；( 2 ) 当被研究的滑动面确定后，能有效地估算出滑动面的 安全度。可是该方法也存在以下三个主要缺点：( 1 ) 不能定量的确定边坡破坏的 可能性；( 2 ) 不能预示破坏首先发生的部位；( 3 ) 仅计算了确定的滑动面，并没 有考虑此滑动面出现的可能性有多大。总之，由于岩土体是一种复杂的介质，它 的力学特性常与地质构造和长期的地质历史有关。岩土体具有多裂隙性、分层性、 力学性质上的非均质性、各向异性、应力应变关系的非线性、流变性，在不同条 件下岩体还具有脆性或塑性破坏，并往往呈现渐进破坏的特点。岩体往往具有初 始应力，加上工程对象所特有的复杂边界条件、以及复杂的地质条件等，使常规 的方法难以适应【1 6 l 。 d u n c a n 对边坡稳定性分析的极限平衡法和有限元法做了经典的回顾，并指 出各种满足全部平衡条件的极限平衡法所得的结果相差不大，可以认为是正确 解。f r e d i u n d 对6 种主要的极限平衡方法进行了比较，指出各种极限平衡法的 主要区别在于使问题静定时所做的假设不同。这些假设包括条问作用力和作用方 向。c h i n g 系统地分析了极限平衡方法存在的主要问题，并指出问题主要来自于 该方法在使本身不静定的问题静定肘所做的假设。j o h nk r a h n 对极限平衡法的 局限性进行了完整的评价。1 1 7 1 【1 8 l 【- ，】 极限平衡方法的理论基础决定了其局限性。极限平衡方法得到的应力与实际 岩土体中的应力不符( b i s h o p1 9 5 2 ) 。只有当我们可以确切地知道结构内的应力 分布时才可能得到有意义的稳定性分析结果( c l o u g ha n d w o o d w a r d1 9 6 7 ) 。可见 不考虑应力应变关系的极限平衡方法具有很大的局限性。但在只能用手工计算的 早期它却是唯一可行的方法。1 2 0 1 【2 - j 1 2 2 4 数值分析方法 随着计算机软件、硬件的飞速发展，使得采用全面满足静力许可、应变相容 和材料本构关系，同时可以不受边坡几何形状不规则和材料不均匀性限制的边坡 稳定分析方法成为可能，那就是数值分析方法。数值分析方法既可用于连续介质， 也可以应用于不连续介质。近年来数值分析方法得到了非常迅速地发展，主要归 功于计算机技术的发展。由于经典力学对解析解的设定非常严格，使其用于岩土 工程的求解极为有限，这为数值解研究岩土工程问题开拓了广阔的空间。数值方 6 法把力学中的微分方程或积分方程或多未知量问题化归为大型线性方程组去求 解。而计算技术的发展，使长期困扰工程力学，回避求解大型方程组的问题得到 解决，这是历史性的大变革，是科学技术发展的必然趋势【2 2 以s 】。数值分析方法包 括有限元法、边界单元法、离散元法、块体理论与d d a 法、拉格朗r 法等。 1 3 离散单元法的研究现状 离散元方法是( d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ) 是c u n d a l l ，p a 于1 9 7 l 所提出的 一种不连续数值计算方法。最初用于研究在准静力或动力条件下的节理系统或块 体集合的力学问题，后来经l e m o s 、l o r i g 、井兰如等人的不断开发和改进，目前 已成为求解岩土工程大变形、大位移行之有效的工具。但是由于受计算机硬件的 限制，直到7 0 年代末才形成离散元的基本程序。同时c u n d a l l 和s t r a c k 开发的二 维圆形块体的b a l l 程序用于研究颗粒介质的力学行为，所得结果与d r e s c h e r 等人 用光弹技术实验结果极为吻合，使b a l l 程序在研究颗粒介质的本构方程方面大放 异彩。 l e m o s 于1 9 8 4 年开发了离散单元法与边界单元法耦合的半平面程序，并用于 计算节理和断裂介质中的应力分布问题。 l o r i g 于1 9 8 4 年开发了包括前处理和后处理的离散单元法与边界单元耦合 程序。翌年，他到澳大利亚英联邦科学与工业发展组织的岩土力学研究所，修改 了他原先的程序。这个修改后的程序文本称为h y d e b e ( h y y r i dd i s c t e t ee l e m e n t b o u n d a r ye l e m e n t ) ，其功能更强，包括一个前处理程序c r e a t e ，类似于有限元 程序中的自动划分网格，一个与边界元法耦合程序b o u n d 和一个离散单元法程序 b l o c k 。 c u n d a l l 于1 9 8 0 年就开始研究块体在受力后变形以及根据破坏准则允许断 裂的离散单元法，这显然是将块体视为刚体的离散单元法的一个进步。c u n d a l l 称这种方法为u d e c ( u n i v e r s a ld is t i n c te 1 e m e n tc o d e ) ，该程序最后于1 9 8 5 年完 成。u d e c 现已广泛用于岩土力学和采矿工程，被公认为对节理岩体进行数值模拟 的一种行之有效的方法。 至于三维离散单元法的发展则要迟些，其主要原因视数据结构复杂，要求 计算机应具有较大的容量，并且计算结果的图像显示较为困难。三维离散单元法 程序3 d e c ( 3 一d i m e n s i o n a ld i s t i n c te l e m e n tc o d e ) 已由c u n d a l l 与i t a s c a 咨询 集团于1 9 8 6 年开发出来。其基本原理同u d e c 一样，只是数据结构作了较大的改进。 与二维b a l l 程序相对应的有三维t r u b a l 程序，除了数据结构外，它的基本 原理和b a l l 程序一样。 三维问题的离散单元法目前尚处于发展阶段，但其算法已经基本成熟，已 经有了一些利用3 d e c 程序解决工程问题的尝试。可以预期，随着大容量计算机普 7 及，三维离散单元法用于解决工程实际问题的时刻指日可待。 离散单元法在我国的研究和应用起步较晚，但发展却非常迅速。目前已经 在我国的采矿工程，岩土工程以及水利水电工程等科研与设计中得到应用，呈方 兴未艾之势。 王泳嘉和俞万禧于1 9 8 6 年在第一届全国岩石力学数值计算及模型试验讨论 会上，首次向我国岩石力学与工程界介绍了离散单元法的基本原理及几个应用例 子。张清在他的书中也用专门的一章介绍不连续岩体的计算模型和计算方法。 离散单元法原先是为了研究节理岩体的边坡稳定和巷道稳定而开发的，我国 学者充分利用离散单元中个别块体可以脱离母体而冒落的特点，将其用于放矿的 数值模拟和自然崩落法崩落机制及底部结构的稳定性研究，并取得很好的成绩。 在边坡稳定性研究方面，我国学者用模拟试验在边坡失稳的瞬间连续拍摄的 像片与离散单元法的计算结果对照，二者结果吻合，再次证明离散单元的数值模 拟可以代替昂贵费时的相似材料模型试验。离散单元法还曾用于对云浮硫铁矿和 盘石镍矿边坡稳定的研究，也取得了很好的效果。姚建国将离散单元法用于岩层 移动的研究，认为这是一种比较符合矿山工程世界的数值方法。关于离散单元法 在矿山压力、岩层和地表移动方面的研究也取得很多成果。刘建武根据s t e w a r t 和f r o w n 提出的静态松弛法首次在我国开发了静态松弛法离散元法程序，并结合 二滩电站模型实验的资料进行计算，结果比较满意。但这些研究都仅局限于静力 分析方面，在动力分析方面目前国内还没见到有系统的研究成果发表，直到9 4 年的时候，清华大学水电工程系王光纶等对离散元法动力分析研究方面进行了探 讨，促进这一数值方法的进一步发展和在我国的推广。 随着理论研究的深入和计算机的发展，中国学者也进入了三维离散元这一领 域，1 9 9 6 年，清华大学水利水电工程系的鲁军等开始了尝试三维离散元模型的研 究。1 9 9 9 年，焦玉勇在他的博士论文里对三维离散元法的基本原理和数值方法进 行了研究。肖裕行等改进了离散元接触判断方法，极大地提高了离散元方法的计 算速度，进一步促进了离散元的发展。 传统的离散单元法有动态松弛法和静态松弛法，后来在算法上得到改进的同 步松弛方法。但目前，所有的算法当中，最流行和应用最成熟的仍是动态松弛法， 所以通常意义上称的离散单元法也就指动态松弛法。其基本原理是建立在最基本 的牛顿第二运动定律之上。一般求解过程为：将求解空间离散成单元，但是和有 限单元法不同的是，单元接点可以分离，即一个单元与其邻近单元可以接触，也 可以分开。单元之间的相互作用力可以根据力和位移的关系求出，而个别单元的 运动则完全根据该单元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛顿运动定律确 定。离散单元法利用中心差分法求解，是一种显式求解的数值方法，在每一时步 内迭代，每个单元仅对其相邻的块体单元产生力的影响，求出接触力作为下次迭 8 代的出发点，用以求出块体的新位黄。如此反复，直到最后达到平衡的状态为止 【3 l 4 0 】 o 1 4 国内外治理边坡的现状 边坡加固首先应根据边坡的性质、成因、规模大小、不稳体厚度以及对工 程的危害程度提出相应的治理工程措施。到目前为止，治理滑坡的工程措施大 致有以下几种： ( 1 ) 绕避。对一些规模巨大、难以整治的滑坡，如果对它们进行整治则工 程浩大，一般采用绕避措施。 ( 2 ) 加载反压。对于前缘失稳的牵引式滑坡，整治的工程措旌是在滑坡前 缘修建片石垛加载反压，增加抗滑部分的土重，使滑坡得到新的稳定平衡。 ( 3 ) 清方减重。整治推移式滑坡，在滑坡体上部( 下滑区) 清方减重， 以减少下滑力来稳定滑坡。 ( 4 ) 抗滑挡墙。对浅层滑坡可采用重力式抗滑挡墙整治，为增加墙身抗剪 力，可将基地做成倒坡。 ( 5 ) 抗滑明洞。人工开挖引起的工程滑坡，破坏原来的山体的平衡，滑坡 前缘临空面高，下滑力大。如果用抗滑明洞，在明洞顶部回填土恢复山体平衡， 则较其它工程措施显得经济合理。 ( 6 ) 排水整治。滑坡一般发生在雨季，主要是雨水可以湿化坡体，降低土 体强度，润化滑面，促使和加剧滑体滑动，故有“十滑九水一之说，所以滑坡 体的排水工程是非常重要的。地表排水设施有滑坡体外环形水沟、滑坡体内树 枝状或人字形排水沟、支撑渗沟等，起到了很好的作用；地下排水设施有渗沟、 泄水隧洞等。 ( 7 ) 抗滑桩。对一些中、深层滑坡，用抗滑挡墙难以整治的情况下，可以 用抗滑桩。抗滑桩在滑坡体上挖孔设桩，不会受施工破坏其整体稳定。桩身嵌 固在滑动面以下的稳固地层内，籍以抗衡滑坡体的下滑力，这是整治滑坡比较 有效的措施。 ( 8 ) 锚杆( 索) 加固。即在滑坡体上设置若干排锚( 杆) 索，锚固于滑动 面以下的稳定地层中，地面用梁或墩作反力装置给滑体施加一预应力来稳定滑 。坡。 ( 9 ) 综合治理。整治滑坡用单一的工程措施往往不是最佳的方案，而是采 用多种工程措施组合起来进行综合整治。这些措施有： 清方减重和抗滑挡墙相结合； 明洞和抗滑桩相结合； 明洞和抗滑挡墙相结合； 9 抗滑桩和抗滑挡墙相结合； 锚杆( 索) 和抗滑挡墙相结合； 锚杆( 索) 和抗滑桩相结合； 以上仅列举了一部分综合整治工程，其它组合方案还是比较多的。主要是 根据各个滑坡工点的地形地质情况因点而异，其目的是将各种整治措施组合成 为最有效的工程措施，降低整治滑坡的工程造价。在各种综合整治工程中一定 要注意伴以地表排水工程，减少水对滑坡的危害。在可能的条件下，就滑坡范 围内进行绿化。 1 5 论文的研究内容 宣钢近北庄铁矿东南边帮( 0 3 线) 现采深1 3 8 m ( 1 2 2 4 m 台阶至1 0 8 6 m 台 阶) ，已形成1 2 2 4 m 、1 2 0 0 m 、1 1 8 0 m 和1 1 6 0 m ( 局部未形成) 4 个并段台阶， 1 1 6 0 m 以下台阶按采矿最终边坡设计均未靠帮。由于复杂的边坡岩体结构特 征和矿山不利的开采因素( 靠帮爆破方式、未按设计要求开采与边坡维护管理 不当等) 及边坡赋存环境( 地应力、地下水等) 的变化等综合效应的结果，致 使局部边坡发生了多级序、多序次的渐进性失稳，直接危及矿山的安全生产和 永久边坡的形成。鉴此，对该部位失稳边坡进行了稳定性评价与治理设计势在 必行。本文的研究目的就是分析评价近北庄铁矿露采边坡的稳定性。 本文选取宣钢近北庄铁矿东南边帮( o 3 线) 作为主要研究对象。在野外 调查期间，完成了对边坡工程地质的调查测绘。 在对岩质边坡的野外实地考察，整理野外地质调查资料的基础上，详细分 析了滑坡地质环境条件、地形地貌、地层岩性、地质构造、岩体结构、水文地 质及滑坡特征等，并通过物探、室内岩土测试及滑坡监测等多种手段，获得了 该滑坡体的规模和发送发展的变化规律。对失稳边坡的滑坡机理和破坏模式进 行分析，剖析边坡破坏的深层次原因，然后再对边坡进行了稳定性分析计算。 分析计算主要从两个方向展开，一个方向是采用极限平衡法进行分析研究。这 部分采用了剩余推力法计算边坡的安全性，另一个方向是采用u d e c 程序进行数 值法的分析研究，构成边坡的二维地质模型，研究边坡的稳定性。 本论文的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 研究场地岩质边坡的地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质、岩 体结构、软弱夹层等特征，这是研究场地岩质超高边坡稳定性并对其进行治理 的基础。 ( 2 ) 采用了以极限平衡理论为基础的多种方法对边坡进行了稳定性的分析 计算。 ( 3 ) 在采用了极限平衡法分析计算的基础上，对选取剖面采用离散元软件 l o u d e c 进行数值模拟和稳定行的分析计算，研究边坡应力变形特征，并与极限平 衡法进行结合对比，为边坡支护方案的设计提供充分依据。 ( 4 ) 在对边坡稳定性分析评价的基础上，对边坡进行合理的支护方案设计， 并对支护后的边坡进行u d e c 模拟及稳定性分析计算，以验证设计方案的合理 性和可行性。 ( 5 ) 对边坡做爆破震动监测分析，研究在爆破开挖中爆破动载荷作用下的 活动规律及其爆破后对岩石的破坏情况，为改进爆破技术方案，有效遏制不利 影响提供依据和对策。 第二章近北庄铁矿工程地质概况 边坡工程稳定性分析的前提是首先掌握工程岩体的性质及外部环境条件。因 岩体是经历过多次、反复的地质作用，经受过变形、遭受过破坏，形成具有一定 的岩石成分、一定的岩石结构、构造和一定的岩体结构、赋存于一定的地质环境 中的地质体。而“一定的结构”主要是指不连续面，故岩体是由结构面和结构体 所组成的。对边坡工程来说，其稳定性在很大程度上取决于岩体的结构特征。 2 1 工程背景 宣钢近北庄铁矿位于冀西北张家口地区的赤城县境内，西与宣化县锁阳关接 壤，矿区西南方向距宣化5 5 k m ，东北方向距赤城县城4 7 k m ，是我国“八五 期 间重点建设矿山。二期扩建后，年产矿石1 0 0 l5 0 万吨，采场上口尺寸l2 7 5 m 4 5 0 m ，坑底尺寸5 2 5 m 4 5m 。最大边坡高度2 6 0m ，属中高边坡。采场地质简 图如图2 1 所示。 一四- 圈t 圈t t 口。口t 图t 四 i 角闪者美者组；：片席嚣荚籍组；3 铁矿者组j 不蕞合面弄搜；5 正工r 分捌秀嚣英安m 考1 角震岩和逢曩学 辣 毛悲岗爱j l 肆，7 医扭挂鬃襞l & 张担 生断夏1 9 。舟斜- 1 1 & 岩组弄装1 1 1 移岩岩组，1 2 。页岩岩组l l3 i 边竣研究藏 擅界线象爱蟪寰赛羲；1 1 工翟麓质分逸再镜及鸶号 图2 1近北庄铁矿采场边坡地质简图 宣钢近北庄铁矿东南边帮( o 3 线) 现采深1 3 8 m ( 1 2 2 4 m 台阶至1 0 8 6 m 台 1 3 阶) ，已形成1 2 2 4 m 、l2 0 0 m 、1 1 8 0 m 和1 1 6 0 m ( 局部未形成) 4 个并段台阶， 1 1 6 0 m 咀下台阶按采矿最终边坡设计均未靠帮。由于复杂的边坡岩体结构特征 和矿山不利的开采因素( 靠帮爆破方式、来按设计要求开采与边坡维护管理等) 及边坡赋存环境( 地质构造、强风化等) 的变化等综合效应的结粜，致使局部边 坡发生了多级序、多序次的渐进性失稳，直接危及矿山的安会生产和承久边坡的 形成。目前局部坡体滑移边界清楚，后缘圈椅形拉裂边界及局部失稳坡体滑移剪 出口剪切推挤裂缝带，均证明局部失稳坡体已处于滑面渐趋贯通、滑穆趋势加速 阶段。如任其发展，必然导致严重的后果。根据扩建采矿设计，该部位边坡的稳 定至关重要，原凼如下：1 ) 1 1 6 0 m 以f 台阶尚未靠帮，其上其r 均有稳定矿 体可采，若边坡不稳定则矿体难于采出：2 ) 依矿山扩建设计，应采至10 12 m ， 该部位现采至1 0 8 6 m ，仍需采深7 4 m 。若边坡不稳而继续丌采，后患无穷；3 ) 依 矿山扩建设计，露采完结之后，向西南端帮坑采，坑采设施需建于该处，不言自 明，为保证坑采人员、设备与设施的安全，必须保证该处边坡的稳定；4 ) 矿山 坑采之前。整个露天采场的运输线动脉位于该部位( 1 0 8 4 m 水平) 平台为转折部 位，且必须由此通过，因此保证此处边坡稳定，无论现在露采，还是将来坑采， 都至关重要。 由此可见，对o 3 线东南边帮失稳坡体进行彻底加固势在必行，刻不容缓。 鉴于该部位边坡稳定的重要性，受宣钢龙烟矿山公司及其宣钢主管部门的委托， 2 0 0 8 年5 月14 同，对剥岩减载后的失稳坡体进行稳定性评价与治理设计。东南 边帮( 0 3 线) 失稳坡体区域远眺图如下所示。 圈22 东南边帮( 0 3 线) 远眺图 2 2 边坡的工程地质与水文地质条件 边坡的自然要素，是本质性的基础要素。它由地理空间分异规律的特征所决 定，包括地质、地形地貌、气候条件、水文状况等。 2 2 1 地形、地貌 矿区属高山壮年期风化剥蚀地貌，沟谷纵横多呈“v 字型。区内红石山 ( 海拔标高13 9 7 9 6 m ) 为最高峰，地形高差大。评价坡体范围位于西南侧临红 石山山腰。由于矿山露天开采，现地形为台阶形地形。该部位从12 2 4 m 已采至 1 0 8 6 m ，采深1 3 8 m 。从坡顶至坡底( 开采工作面) 已形成1 2 2 4 m 、1 2 0 0 m 、1 1 8 0 m 、 1 1 6 0 m 、1 13 6 m 五个并段台阶，其下均为单台阶未靠帮台阶。 2 2 2 地层、岩性 失稳区地层由老到新简述如下： 2 2 2 1 太古界谷咀子组( a r g ) 地层 岩层产状倾向北西，倾角5 0 。7 5 。， 最大可达8 0 。，与上覆元古界地层呈角度不整合接触。下部a r g l 以浅色岩为主， 主要岩性为含云母斜长片麻岩。岩石普遍混合岩化。上部a r 9 2 为主要含矿岩系， 以暗色岩类为主。主要岩性为辉石斜长角闪岩，其次是含角闪石、辉石及黑云母 的片麻岩、麻粒岩。磁铁石英岩呈层状、透镜状与上述岩类互层，岩石混合岩化 程度明显弱于下伏岩层。 2 2 2 2 元古界长城系( p t z c ) 地层受断裂构造影响岩层产状较零乱，大多走 向北3 0 。5 5 。东，倾向南东，倾角1 0 。4 0 。；局部倾向南西，倾角大于4 0 。 该地层与下伏太古界地层呈角度不整合接触。红石山及其西南一带出露串岭沟组 地层，底部为紫红色粉砂岩、粉砂质泥质页岩、夹薄层砂岩和含铁砂岩。 2 2 2 3 中生界侏罗系( j ) 地层与下伏长城系地层呈角度不整合接触，走向 北7 0 。东，倾向2 5 。5 0 。，主要岩性为凝灰岩、凝灰质角砾岩和凝灰质砂岩。 2 2 2 4 新生界第四系( q )主要分布于采场周边斜坡和谷地。主要为冲洪积 黄土、包括粉土、粉质土、砾石及残坡积风化层等。 2 2 3 地质构造 本评价区构造形迹主要是褶皱和断裂两种构造形态。 2 2 3 1 褶皱构造 1 、i 级褶皱构造 1 ) 近北庄一龙关背斜背斜南起田家窑，经矿区、龙关延至赤城县城，。龙 关至赤城走向北北东，向西南田家窑一带转为北东，轴面倾向北西一北西西，倾 角5 0 。7 5 。，西北翼正常，东南翼倒转、两翼产状基本一致。背斜轴东北端翘 1 5 起，西南端倾伏。太吉界谷咀子组地层构成了背斜核部和两翼产状。 2 ) 矿区一庞家堡“盖层”向斜轴