高陡边坡稳定性工程地质分析

仇世邦

（贵州省地矿局一一三地质大队，贵州 六盘水 553000）

近年来，我国的各项事业发展突飞猛进。尤其是以矿产开发为代表的行业得到迅猛发展。我国是能源消耗大国，国家经济突飞猛进离不开大量的矿产原料。我国除了依靠自身开采外，还有大量的能源缺口。

在风云莫测的国际环境中，矿产等原材料的供应受到严重影响，为确保国家经济安全稳定，国内的矿石开采项目越来越多。相关数据表明，我国金属矿产露天开采中，铁矿占比在80%～90%，有色金属矿占比在40%～50%，化工材料占70%，建筑材料占100%，露天煤矿开采比重在5%左右。尤其是神华、神东矿区等大型露天矿开采项目上马，将我国露天开采事业推向新的高度。

20 世纪90 年代至21 世纪初期的全球发展趋势来看，世界间的政治、经济、军事活动均围绕资源展开，可见资源在各国关系中的重要性。资源的有效开发与利用能左右一个国家的经济水平。

随着世界各国不断对露天矿产资源的开发利用，世界上越来越多的露天矿得到有效开发，例如美国犹他州宾汉姆铜矿，面积达7.7km2，深度达1200m，此外智利丘基卡马塔铜矿深度也达到1100m，俄罗斯的乌达企纳亚钻石矿，开采深度也达到600m。我国的露天冶金矿山也逐步走向深部凹陷开采阶段，深度逐步超过500m。此类大中型露天矿产项目的开发，使得边坡的高度不断提升，导致边坡的稳定性和安全性越来越低。边坡滑坡不仅严重影响地面工业、建筑安全。一旦滑坡等事件发生，就会需要大量的治理经费，极大降低了矿山的经济效益。因此深入开展露天矿高陡边坡失稳机制和预测预报研究，对推动我国露天矿的开发和边坡治理具有重要意义。

1 国内外对高陡边坡治理现状的分析概况

露天矿高陡边坡的稳定性研究一直以来是安全管理技术中最为关键的难点之一，是工程地质力学研究中的重要方向。纵观国内外露天矿高陡边坡稳定性研究的历史脉络，可以清晰的了解到，高陡边坡稳定性研究主要经历了经验到理论、定性到定量、单一评价到综合评价、由传统理论到新理论、新方法、新技术的发展过程。

1.1 高陡边坡稳定性的几种分析法

1.1.1 工程地质分析法

工程地质分析法主要是通过地质勘探，通过整合可能对边坡稳定性的各项要素进行分析，采用力学机制、地质体自身的形变成因等进行深入分析。以此为理论，来构建边坡稳定性的控制理论。

工程地质分析法具有较大局限性，对一般的地质条件矿山岩质边坡的稳定性具有较高的参考价值，但对复杂矿山岩质边坡的稳定性则难以体现。

1.1.2 极限平衡分析法

极限平衡分析法主要是通过其通用性和实用性，通过假设理论。假设边坡处于极限平衡状态，处于滑动边缘，然后将边坡离散成垂直界面的缸体条块，建立起静力平衡方程，从而求出边坡稳定的安全系数，通过设定系数，来对边坡的稳定性进行更加细致的定量评价。此类极限平衡法的力学模型对边坡稳定性的评价也具有一定的局限性，对质地均匀的土质边坡的计算效果较为精确但对复杂介质的边坡计算结果与实际结果有较大误差。

1.1.3 极限分析法与数值分析法

极限分析发主要以塑性极限分析法为主，将滑坡体看做流动法则的塑性材料，以极限状态时的自重和外荷载所做的功等于滑裂面上主力所消耗的功为条件，结合对塑性分析的上限与下限定理可以确定一个安全系数。此类分析法只能在理想条件下得出边坡稳定性安全系数，难以考虑复杂荷载及复杂渗流等情况的高陡边坡。

数值分析法主要因计算机的普及和发展而衍生和发展。细分出诸如：有限差分法、边界元法等多种边坡稳定性分析方法。此类分析法能对各种复杂的高陡边坡进行更加多元的分析，通过综合衡量，结合多种分析法的各自优点，能计算出最贴合实际的边坡稳定性的安全系数。

1.2 边坡监测研究现状

高陡边坡稳定性离不开对岩质条件和外界影响因素的检测和分析。从当前我国外的监测手段来看，主要用于高陡边坡的监测仪器和方法主要包含以下几大类。A、坡表大地测量；B、GPS 监测；C、位移计；D、红外遥感监测法；E、激光微小位移检测；F、雷达干涉测量等等。以上边坡监测主要通过对高陡边坡围标进行位移测量。

例如采用钻孔倾斜仪、声发射监测技术等则通过对坡体内部进行监测，也能得到十分准确的坡体变形的数据。尤其是近年来，微震监测技术的发展，为高陡边坡稳定性的研究打开新的研究方向，为露天矿高陡边坡工程的稳定性预测预报提供了可靠的技术支持，具有重大的科研价值，值得不断深挖研究。

2 边坡稳定性研究存在的问题及发展趋势

2.1 边坡稳定性的研究视角的转移

传统的露天矿山边坡稳定性的预测主要通过对坡体的变形外体检测来掌预测滑坡，岩质边坡的失稳与边坡岩体内部发生的微破裂和微失衡有密切关系，对坡体外体的观察来进行预测预报，具有一定的滞后性。

笔者认为，边坡的标体发生位移或形变发生于坡体内部微震活动之后，也就是说坡体内部发生微震是发生坡体形变、位移的前兆。因此要想研究边坡稳定性，要将研究位置前移至对坡体内部微震活动的孕育、演化、繁衍及对边坡失衡的影响方面。

2.2 边坡稳定性监测视野扩大

传统的边坡稳定性监测研究缺乏对周围环境劣化的纳入研究。例如：卸荷、渗流、较大爆破、震动、荷载等诱发滑坡损伤等演化过程的分析方法。尤其是露天矿边坡岩体在卸荷、渗流或动荷载等作用力下，容易对稳定的边坡产生扰动，致使边坡变形失衡，这是传统边坡稳定性研究中较为匮乏的因素，也是导致边坡稳定性计算不准的重要因素。由于岩体变形破坏实际上是能量耗散与能量释放的结果，因此岩体受到外力能力耗散或能量释放容易导致岩体材料劣质化或强度损失，最终导致滑坡，因此深入研究开挖松动区的形成与损伤力学强度参数具有十分重要的意义。

此外降雨渗流与一定强度的爆破震动对高陡边坡的稳定性也有一定的影响，主要体现在以下几个因素。

首先，降雨、爆破震动容易弱化高陡边坡的稳定性。水流的侵蚀会导致岩体结构抗剪强度参数逐步降低，此外，水分渗透入坡体本身也加重了坡体自身的荷载，再加上水流的下滑力同时也降低了坡体岩石碎块之间的摩擦力，加剧边坡的动力失稳，任何一次爆破震动都对边坡岩体带来一定的损伤和破坏，每一次微震信号都有丰富的内部变化，因此对爆破震动信号的研究和处理分析，是做好边坡稳定的重要参数。

3 结语

笔者认为，在露天矿高陡边坡失稳的研究中，要摒弃传统对边坡内部渐进损伤演化分析不准的方式方法，通过对边坡可观动态的跟踪监测分析，才能真实的反应出边坡实际情况。

通过总结分析国内国际对边坡稳定性工程的技术研究，提出采用微震活动来深入研究边坡岩体失稳前兆本质特征，并以此为研究方向，建立岩体强度参数识别方法和动态稳定性评价方法，为露天矿高陡边坡的稳定性建立更加科学可靠的预测预判模型。