露天边坡局部失稳特征的数值分析及监测

张拥军 杨登峰 王金涛 陈关平

(1.青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

·安全与环保·

露天边坡局部失稳特征的数值分析及监测

张拥军1杨登峰2王金涛1陈关平1

(1.青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

以金川集团露天石英石矿边坡监测项目为依托，利用监测数据成果，以台阶局部滑坡部位作为研究对象，通过分析其台阶周围及滑坡剖面上台阶监测点的累积水平位移值，研究了采动卸荷效应造成的集中应力反复作用下边坡的变形破坏机制。利用RFPA强度折减法，数值模拟过程再现了1 768 m平台开采过程中典型剖面多台阶的渐进失稳过程，宏观裂缝在细观上的“破裂-应力转移-破裂”的循环中不断发育，最终形成贯通的滑动面。破坏的整个过程中伴随着由应力集中、释放、转移过程造成的应变局部化现象。监测结果表明：局部化损伤发展过程是从采动平台向上部台阶边坡岩体转移，各台阶边坡内部7～11 m位置处受荷载转移影响程度较大。

边坡 变形局部化 强度折减法 监测 数据分析

边坡稳定性分析的理论与方法的发展已经有了很长的历史，涌现出了大量经典的理论计算分析方法[1-6]，并在实践中得到了有效的应用。但是由于边坡工程的复杂性、影响因素的不确定性以及边坡变形破坏演化的时空效应，单纯的理论分析计算已经不再适合边坡稳定性分析的需求。近年来，随着数值模拟方法及监测技术的发展，边坡数值模拟分析方法及监测预警技术在工程中得到了越来越广泛的应用。

郑颖人[4]、唐春安等[5]将强度折减法的基本原理引入到岩土工程的数值分析方法中，为边坡的稳定性研究提供了一种新的方法。陈国庆[6]利用动态强度折减法与整体强度折减法相结合计算边坡渐进失稳过程中的动态安全系数，达到对边坡失稳全过程的分析和调控的目的。许强[7]提出斜坡变形时间演化的三阶段规律和斜坡裂缝空间演化的分期配套特性。何满潮[8]提出滑体和滑床相对运动的力学监测原理，开发了对滑动力和抗滑力进行监测的滑坡地质灾害远程监测预报系统。张振华[9]提出了基于设计安全系数和破坏模式的边坡开挖过程中动态变形监测预警指标的研究思路和方法。王东[10]将位移速度变量看作是一随机变量，提出基于Lilliefors检验的边坡临滑时刻的动态识别方法。

对岩体破坏现象的研究发现，不同尺度岩体的破裂都有局部化破坏特征。露天边坡灾害的发生往往是集中在采动影响的某些部位[11]。因此，注意捕捉岩石或岩体结构变形局部化信息并掌握其发展趋势，就有可能提高边坡灾害监测预报的可能性。

本研究以金川露天石英石矿边坡监测项目为依托，以台阶局部滑坡部位作为研究对象，通过分析其周围台阶及与滑坡剖面相邻的监测点的累积水平位移值并结合数值模拟的方法来研究采动卸荷效应造成的集中应力作用下边坡的变形破坏机制，分析边坡开采过程中的损伤累积导致的变形失稳特征。为矿山边坡的破坏分析提供理论依据，提高滑坡监测预警的可靠性。

1 工程地质条件

1.1 工程概况

金川集团露天石英石矿位于甘肃省金昌市。目前，石英石矿露天采场已形成1 856、1 846、1 836、1 826、1 816、1 792、1 780、1 768、1 756 m共8个台阶，东西长1 100 m、南北宽500 m、高近90 m的山坡型露天采场，1 756 m水平以下的1 744、1 732、1 720、1 708、1 696 m等5个水平将进入凹陷开采。目前许多区段边坡已产生不同程度的变形和破坏，主要表现：1 780 m台阶中段出现局部坍塌；1816 m台阶西部出现许多的裂缝，且不断扩大；1 792 m台阶东部出现滚石。随着采场的延深、雨水作用及地震、爆破震动等因素的影响，边坡稳定问题日益突显。

1.2 地质条件

矿区揭露地层依次为第四系，石炭—二叠系，下古生界(上、下组)。由于矿区受区域构造控制和南西、北东向的挤压，使含矿岩系形成NWW向的紧闭褶皱和断裂，并有一系列北东和北西向的剪切断裂伴生，加上矿区受开采影响，地表岩石普遍松动，裂隙发育，矿区岩体破碎。矿区石炭统—二叠系(C3-P)岩石质量指标RQD值在0.4～0.5之间，完整性较好，其他地层RQD值在0～0.1之间,岩体极其破碎，工程地质条件极差。矿体RQD值在0.3～0.5之间，完整性较好。矿区气候干旱，年降水量122 mm，蒸发量2 837 mm，且无常年性地表水体。

1.3 监测方案设计

针对矿区干旱、少雨等特点，经综合论证决定采用固定式测斜仪对多台阶边坡的变形状态进行监测，综合考虑岩体内部断面位置、节理发育情况，施工难易程度，安全等多项因素，在采场北部边帮1 768、1 780、1 792、1 816、1 826 m 5个平台上拉网式布置21个监测孔共84个测斜仪(位置如图1所示)，测斜仪通过测斜管装入监测孔内，根据钻孔取芯资料，将测斜管底部嵌入边坡体稳定的基岩内，并以此作为基准进行位移计算，通过远程数据采集系统，对边坡体内部变形进行长期监测。

图1 监测孔位置分布图Fig.1 Location map of monitor holes▲—数据采集及传输系统；○—钻孔监测点

2 数值模拟分析

为研究采动卸荷作用导致的集中应力释放后的传递路径及对矿区各台阶的影响程度，根据工程实际地质条件，滑坡面附近实际存在的开采台阶状况，建立数值模型。

2.1 模型建立

在考虑岩土体材料非均匀性的基础上，基于RFPA细观尺度上的本构模型，将模拟问题视为静力条件下的二维平面应变问题。以石英石矿区地质条件作为模型设计的依据，建立了1 768 m台阶开挖后的数值模型(图2所示)。

图2 1 768 m平台开挖前后RFPA数值模型示意图Fig.2 RFPA numerical model schematic diagram before and after the excavation of 1768 m platform

数值模型沿水平方向取130 m，垂直方向取95 m，共设4层岩层，划分为49 400个单元。模型边界条件：垂直方向自重加载，无外荷载，模型两侧为限制水平方向位移的滑动支座，可垂直移动；底部为限制垂直方向位移的滑动支座。采用RFPA强度折减法[12]，强度折减系数取0.01，加载总步数为100步。模拟1 768 m台阶矿体开采后边坡的卸荷变形破坏情况。

根据金川石英石露天矿实测工程地质数据，本数值模拟选取的各地层岩体力学参数如表1所示。

表1 各地层岩石物理与力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rocks at each layer

2.2 数值模拟结果分析

图3(a)是通过数值模拟得出的1 768 m台阶开挖后边坡卸荷损伤渐进失稳的弹性模量图，图3(b)是对应的声发射图。在声发射图中，黑色圆圈表示拉伸破坏，白色圆圈表示剪切破坏。

分析图3可知，边坡强度折减过程中，在拉剪应力持续作用下，损伤逐步累积，随着损伤累积，小尺度小范围内的岩体破裂持续发生，裂隙发育(Step 24-02所示)，由于坡体内的裂隙、结构面及岩石的非均匀性等因素影响，导致坡体中应力呈现出不均匀。折减过程中1 780 m台阶坡脚处出现局域性的应力集中，岩石声发射的分布也由无序向有序发展，逐渐向该区域集中，当应力集中超过该处岩体的强度时，岩体将不再稳定，必然发生局部破坏(Step 25-06所示)，出现局部失稳滑动面，伴有小规模崩塌。并伴随发生应力释放，随后应力发生转移和应力的重新调整，应力逐步向1 780 m台阶的邻近区域的1 792 m台阶扩展，由于新增应力作用，导致1 792 m台阶处的岩体也出现应力集中，使原先没有超过岩体的强度值转变为应力值超过了岩体的强度值，损伤逐步累积，裂纹萌生(Step 25-08所示)，直至岩体发生破坏。此后重复上述过程，应力再次发生转移和重新调整，导致1 816 m台阶的应力集中，应力值超过了岩体的强度值，台阶裂纹贯通，发生局部破坏(Step 25-11所示)。宏观裂缝在这个细观上“破裂—应力转移—破裂”的循环中不断发育。在此过程中，微裂纹逐步沿台阶向上发生损伤扩展，随着转移的应力值逐步减小，裂纹扩展的速度和台阶发生破坏的规模逐渐减小，体现了应变局部化特征。随着过程的继续，边坡最终将有2种可能，一种是破裂面完全贯通，损伤岩体沿着滑动面整体运动；另一种是破坏面没有完全贯通，破坏扩展到某一区域后停止扩展，其上部的应力应变未超过岩体的强度值。由数值模拟可知，最下部台阶坡脚处虽有拉剪裂隙产生，但是破坏较小，并没有形成贯通的破坏区域，因此可以判断卸荷岩体应力集中释放之后其应力转移主要是向上部转移，对下部岩体影响较小。

图3 1 768 m台阶开挖后的弹性模量动态变化规律和声发射规律Fig.3 The dynamic variation rules and acoustic emission rules of elastic modulus after excavation of 1 768 m platform

3 监测成果分析

在监测系统中，取坡体内部指向边坡临空面方向的位移为正，反之为负。通过监测发现1 868 m台阶边坡于2013年9月28日，靠近1-B监测点处发生过一次较大规模滑坡，取监测点1-B、滑坡点附近左侧监测点1-C、上部剖面距滑坡面较近的1 780 m台阶监测点2-C进行分析，由于监测数据量较大，取具有代表性的监测点在2013-04-01～2014-05-15日期间的监测数据进行分析，讨论边坡卸荷过程中的岩体破坏变形规律。

3.1 监测数据分析

图4是离滑坡地点最近的监测点1-B在2013-04-01～2013-09-28日滑坡前的位移累积曲线，滑坡时滑落的岩土体将监测孔破坏，观察图4曲线变化规律可知，在2013-05-30日前曲线变化较平缓，呈缓慢上升趋势，之后位移量迅速上升，进入加速变形阶段，截止到2013-09-15日时位移量达到106.5 mm，此后位移增速加快，几乎呈指数形式增长，监测到的位移最大值达到了208 mm。经综合分析，于9月25日发出滑坡预警。9月28日夜，滑坡发生，所幸无人员伤亡及设备损失。

图4 1-B监测点7.2 m测斜仪累积位移-时间曲线Fig.4 The cumulative displacement-time curve of 1-B monitoring at 7.2 m by the inclinometer

随着1 768 m台阶的局部滑坡破坏的发生，该区域应力释放，发生应力重新调整和应力转移，为研究卸荷作用导致的局部破坏对邻近区域的影响程度，笔者选取了同一台阶的监测点1-C及与滑坡部位在同一剖面上的监测点2-C的监测数据进行分析。

图5是滑坡区域附近的1-C监测点位移累积曲线，分析曲线变化趋势可知，该监测点3.2、7.2 m深处累积位移随卸荷过程均保持增长，但涨幅较小，2监测点出现了位移突变，3.2 m深处测斜仪监测到的突变值为4.94 mm，7.2 m深处的测斜仪监测到的突变值为3.07 mm，涨幅均较小。之后3.2 m和 7.2 m深度测点处的水平位移虽持续增加，但变化速率基本稳定。说明滑坡区域的应力转移对该点影响较小。

图5 1-C监测点累积位移-时间曲线Fig.5 Cumulative displacement-time curves of 1-C monitoring◆—3.2 m测斜仪；■—7.2 m测斜仪；▲—11.2 m测斜仪

图6是滑坡区域上部剖面2-C监测点位移累积值，分析各曲线位移值可知，2-C监测点3个测斜仪监测到的位移值均有较大增幅，其中3.2m处的位移值增幅最大，且在2013-05-11日之后位移增加速度加快，明显高于7.2 m和11.2 m两测斜仪，但是到11月份之后增速明显放缓，7.2 m和11.2 m两测斜仪位移增速基本保持稳定。位移增幅也比其他监测点大，最大时达到了101.77 mm。

由各位移累积曲线可知，边坡的变形方向基本一致，总体趋势都是沿垂直边坡的方向发生变形，累计位移逐步增大。不同之处在于局部位移曲线受开采的爆破施工扰动作用出现震荡性变化。在雨季开始前及结束后边坡位移变化趋于相对平稳状态，而雨季监测位移出现明显增大趋势，由于近年来矿区雨季降雨偏大，因此加强雨季的边坡稳定性监测尤为重要。

图6 2-C监测点累积位移-时间曲线Fig.6 Cumulative displacement-time curves of 2-C monitoring◆—3.2 m测斜仪；■—7.2 m测斜仪；▲—11.2 m测斜仪

3.2 边坡变形机制分析

通过分析图4中位移累积变化曲线可知，受采动卸荷作用及现场环境及工程因素的反复影响作用，岩体内发生了应力重分布，在拉剪应力作用下，坡体出现应力集中，导致另一些方向的加荷作用，从而造成岩体的损伤破坏，边坡岩体损伤逐步累积，坡体的原生构造节理、裂隙在集中应力作用下开始扩展，2013-05-28日前坡体水平位移保持较小增幅，随后发生裂隙扩展状态的分叉。只有某些特定位置的节理和裂隙的失稳扩展会导致坡体破坏，其他节理裂隙对坡体破坏影响较小，形成局部区域的损伤变形集中现象。随着应力集中的继续，局部化损伤带相互影响，张拉应力增大，导致岩体破坏加剧，坡体破坏加速。此过程中岩体由均匀变形逐渐发展到局部化变形直至破裂。在2013-05-29～2013-09-01日期间水平位移量迅速增加，张拉裂缝增多，分布范围增大，裂缝长度不断增大，宽度和深度增大，且在地表相互连接，形成台阶后缘的弧形拉裂缝，伴有下座变形，当变形达到一定程度时，坡体滑动面基本贯通，此时坡体状态将不再稳定，2013-09-01日后坡体水平位移急速增加，继而发生滑坡破坏。因此，岩体结构的破坏过程是一个伴随岩石微破裂特征的渐进破坏诱致突变的过程。

综合对比分析曲线图5、图6的数据变化趋势可知，1 768 m台阶1-B点处的局部化破坏导致其集中应力的释放和向周围区域的转移，受采动影响的破坏区域的邻近区域都受到了不同程度的影响，通过对比所选监测点位移累积曲线可知，变形局部化造成的应力转移具有一定的规律性。

首先通过对比破坏区域上部的2-C监测点和其附近的1-C监测点可知，2-C监测点中各处的监测数据的水平位移累积值均比2-C监测点的水平位移累积值大，其中3.2 m处的位移累积数据差值最大时达到84.6 mm，而7.2 m处的位移累积数据差值最大时达到26 mm。2-C监测点台阶表面产生了较大的拉剪裂缝。由于较大的集中应力作用，其台阶内部的节理及裂隙发生了较大的损伤扩展，导致坡体变形加剧。

滑坡区域下部是1 756 m台阶，由于当时监测系统布设时该台阶尚未采出，未在该台阶布置监测点，但从现场可以看出，由于卸荷引起的应力集中作用时间较短，台阶靠近边缘表面有裂缝产生，但是裂缝宽度较小，最大处不足5 mm，说明变形局部化作用造成的应力集中对该台阶影响较小。

通过观察各监测点位移累积曲线可以发现，各点位移在增加的同时都出现震荡性变化，原因在于监测过程中的现场的爆破施工、自然及边坡岩体内部因素所致。1-C和2-C监测点中各测斜仪的累积位移值从整体上分析，具有随距离破坏区域越远位移值逐渐减小的趋势，但是根据各个岩层特性，这个趋势也不完全一致，应力重新分布对坡体的影响还与坡体岩体的完整性有关。露天边坡灾害的发生是集中在采动影响的某些部位。岩石或岩体结构变形的这种局部化现象，与岩体中的异构密切相关。因此，注意捕捉变形局部化信息并掌握其发展趋势，就有可能提高边坡灾害监测预报的可能性。

岩体结构的破坏过程是一个伴随岩石微破裂特征的渐进破坏诱致突变的过程。采动作用导致的卸荷效应造成了局域性的应力集中使边坡岩体原生节理、裂隙损伤扩展，产生局部变形破坏，并伴随着集中应力的释放、转移和重新调整，在破坏区域的周围都会受到影响，通过监测数据和数值模拟分析可知，越靠近破坏区域受影响程度越大，集中应力释放之后主要是向上部岩体转移，同一水平台阶边坡处和下部台阶边坡受影响较小，但是对台阶边坡岩体的破坏程度还与岩体性质有关，岩体完整性好，原生节理、裂隙较少的岩层造成破坏就小，越不容易发生滑坡。通过监测累积位移分析可知，集中应力造成的损伤破坏主要发生在各台阶边坡地下7～11 m左右位置，因此7～11 m应是滑移带形成区域，是监测的重点。监测过程中位移累积值由于爆破作业及自然因素的作用出现了震荡性变化，这也是影响边坡稳定性的因素之一。

4 结 论

(1)选取了1 768 m台阶边坡局部变形垮塌部位为研究对象，分析了其周围1-C台阶和与滑坡体处于剖面相邻的2-C台阶边坡作为研究对象，对监测过程中的位移累积值进行了分析。结果表明采动卸荷造成导致局域性的应力应变集中，使台阶边坡出现变形局部化现象，发生应力释放、转移和重新调整。分析结果可知，采动卸荷应力主要向上部台阶边坡岩体转移，下部及同一台阶边坡变形较小。

(2)利用RFPA强度折减法，再现了1 768 m平台开采过程中典型剖面多台阶渐进失稳过程，随着岩体力学性质的不断劣化，裂隙首先从1 768 m平台坡脚处开始萌生，不断扩展、贯通，宏观的裂缝在这个细观上“破裂—应力转移—破裂”的循环中不断发育，最终形成贯通的滑动面。破坏的整个过程中伴随着应力集中、释放、转移造成的应变局部化现象。

(3)通过数据分析可知，在各台阶边坡下部7～11 m位置处受转移荷载影响程度较大，水平位移累积值加速增大，另外受到爆破开采及自然因素的影响作用，水平位移累积值出现了震荡性变化，也是影响边坡稳定的因素之一。雨季的坡体累积位移值明显大于平时，需加强监测力度。

[1] 张永兴.边坡工程学[M].北京：中国建筑工业出版社，2008. Zhang Yongxing.Slope Engineering[M].Beijing：China Architecture and Building Press，2008.

[2] 杨光华,钟志辉,张玉成,等.根据应力场和位移场判断滑坡的破坏类型及最优加固位置确定[J].岩石力学与工程学报，2012，31(9):1880-1887. Yang Guanghua，Zhong Zhihui，Zhang Yucheng，et al.Identification of landslide type and determination of optimal reinforcement site based on stress field and displaeneat field[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012,31(9):1880-1887.

[3] 尹光志,张卫中,张东明,等.基于指数平滑法与回归分析相结合的滑坡预测[J].岩土力学,2007,28(8):1725-1728. Yin Guangzhi，Zhang Weizhong，Zhang Dongming，et al.Forecasting of landslide displacement based on exponential smoothing and nonlinear regression analysis[J].Rock and Soil Mechanics,2007,28(8):1725-1728.

[4] 郑颖人,赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J].岩石力学与工程学报，2004，23(19):3381-3388. Zheng Yingren，Zhao Shangyi.Application of strength reduction FEM to soil and rock slope[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(19):3381-3388.

[5] 唐春安,李连崇,李常文,等.岩土工程稳定性分析RFPA强度折减法[J].岩石力学与工程学报,2006,25(8):1522-1530. Tang Chun'an，Li Lianchong，Li Changwen，et al.RFPA strength reduction method for stability analysis of geotechnical engineering[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006,25(8):1522-1530.

[6] 陈国庆,黄润秋,石豫川,等.基于动态和整体强度折减法的边坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2014，33(2):243-256. Chen Guoqing，Huang Runqiu，Shi Yuchuan，et al.Stability analysis of slope based on dynamic and whole strength reduction methods[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33(2):243-256.

[7] 许 强,汤明高,徐开祥,等.滑坡时空演化规律及预警预报研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(6):1104-1112. Xu Qiang，Tang Minggao，Xu Kaixiang，et al.Research on space-time evolution laws and early warning-prediction of landslides[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(6):1104-1112.

[8] 何满潮.滑坡地质灾害远程监测预报系统及其工程应用[J].岩石力学与工程学报，2009，28(6):1081-1090. He Manchao.Real-time remote monitoring and forecasting system for geological disasters of landsides and its engineering application[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(6):1081-1090.

[9] 张振华,冯夏庭,周 辉,等.基于设计安全系数及破坏模式的边坡开挖过程动态变形监测预警方法研究[J].岩土力学，2009，30(3):603-612. Zhang Zhenhua，Feng Xiating，Zhou Hui，et al.Research on dynamic early warning method of slope deformation monitoring during excavation based on designed safety factor and failure mode[J].Rock and Soil Mechanics，2009，30(3):603-612.

[10] 王 东,曹兰柱,朴春德,等.基于假设检验原理的边坡临滑时刻的动态识别方法[J].岩石力学与工程学报，2012，31(3):577-585. Wang Dong，Cao Lanzhu，Piao Chunde，et al.Dynamic identification method of slope impending landslide moment on hypothetic testing theory[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(3):577-585.

[11] 王庚荪.边坡的渐进破坏及稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2000,19(1):29-33. Wang Gengsun.The progressive failure of slope and the stability analysis[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2000，19(1):29-33.

[12] 李连崇,唐春安,梁正召,等.RFPA 边坡稳定性分析方法及其应用[J].应用基础与工程科学学报，2007,15(4):501-508. Li Lianchong，Tang Chun'an，Liang Zhengzhao，et al.RFPA method for slope stability analysis and associated application[J].Journal of Basic Science and Engineering，2007，15(4):501-508.

(责任编辑 石海林)

Numerical Analysis and Monitoring of Local Instability Characteristics of the Open Pit Slope

Zhang Yongjun1Yang Dengfeng2Wang Jintao1Chen Guanping1

(1.SchoolofCivilEngineering，QingdaoTechnologicalUniversity，Qingdao266033，China;2.SchoolofMechanics&CivilEngineering，ChinaUniversityofMining&TechnologyBeijing，Beijing100083，China)

Based on slope monitoring project of Open Pit Quartz Mine of Jinchuan Group as background，with the use of the monitoring data，and taking local landslide of the beach as the research object，the deformation and failure mechanism of the slope under the stress concentration action caused by unloading effect is studied through analyze the cumulative horizontal displacement values of the monitoring sites around the beach and on the landslide.With RFPA strength subtraction method，the gradual instability process of typical profile and multi-steps during the mining process of 1 768 mm platform is reproduced.macro-cracks on the meso cycle of “rupture-stress transfer-rupture” is developed constantly，eventually forming a cut-through sliding surface.The strain localization phenomenon caused by stress concentration，release，and transfer process is accompanied by the whole process of failure.The monitoring results show that:the process of localized damage is migrated from mining step to the upper bench slope rock mass，and 7～11 m point of each beach slope is greatly affected by load transfer.

Slope，Strain localization，Strength reduction method，Monitoring，Data analysis

2014-07-28

国家自然科学基金重点项目(编号：51234005)。

张拥军(1974—)，男，副教授，博士后。

TD854.6

A

1001-1250(2014)-10-142-06