高陡邊坡穩定性工程地質分析

仇世邦

（貴州省地礦局一一三地質大隊，貴州 六盤水 553000）

近年來，我國的各項事業發展突飛猛進。尤其是以礦產開發為代表的行業得到迅猛發展。我國是能源消耗大國，國家經濟突飛猛進離不開大量的礦產原料。我國除了依靠自身開采外，還有大量的能源缺口。

在風云莫測的國際環境中，礦產等原材料的供應受到嚴重影響，為確保國家經濟安全穩定，國內的礦石開采項目越來越多。相關數據表明，我國金屬礦產露天開采中，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、神東礦區等大型露天礦開采項目上馬，將我國露天開采事業推向新的高度。

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

隨著世界各國不斷對露天礦產資源的開發利用，世界上越來越多的露天礦得到有效開發，例如美國猶他州賓漢姆銅礦，面積達7.7km2，深度達1200m，此外智利丘基卡馬塔銅礦深度也達到1100m，俄羅斯的烏達企納亞鉆石礦，開采深度也達到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項目的開發，使得邊坡的高度不斷提升，導致邊坡的穩定性和安全性越來越低。邊坡滑坡不僅嚴重影響地面工業、建筑安全。一旦滑坡等事件發生，就會需要大量的治理經費，極大降低了礦山的經濟效益。因此深入開展露天礦高陡邊坡失穩機制和預測預報研究，對推動我國露天礦的開發和邊坡治理具有重要意義。

1 國內外對高陡邊坡治理現狀的分析概況

露天礦高陡邊坡的穩定性研究一直以來是安全管理技術中最為關鍵的難點之一，是工程地質力學研究中的重要方向。縱觀國內外露天礦高陡邊坡穩定性研究的歷史脈絡，可以清晰的了解到，高陡邊坡穩定性研究主要經歷了經驗到理論、定性到定量、單一評價到綜合評價、由傳統理論到新理論、新方法、新技術的發展過程。

1.1 高陡邊坡穩定性的幾種分析法

1.1.1 工程地質分析法

工程地質分析法主要是通過地質勘探，通過整合可能對邊坡穩定性的各項要素進行分析，采用力學機制、地質體自身的形變成因等進行深入分析。以此為理論，來構建邊坡穩定性的控制理論。

工程地質分析法具有較大局限性，對一般的地質條件礦山巖質邊坡的穩定性具有較高的參考價值，但對復雜礦山巖質邊坡的穩定性則難以體現。

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用性，通過假設理論。假設邊坡處于極限平衡狀態，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，從而求出邊坡穩定的安全系數，通過設定系數，來對邊坡的穩定性進行更加細致的定量評價。此類極限平衡法的力學模型對邊坡穩定性的評價也具有一定的局限性，對質地均勻的土質邊坡的計算效果較為精確但對復雜介質的邊坡計算結果與實際結果有較大誤差。

1.1.3 極限分析法與數值分析法

極限分析發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，結合對塑性分析的上限與下限定理可以確定一個安全系數。此類分析法只能在理想條件下得出邊坡穩定性安全系數，難以考慮復雜荷載及復雜滲流等情況的高陡邊坡。

數值分析法主要因計算機的普及和發展而衍生和發展。細分出諸如：有限差分法、邊界元法等多種邊坡穩定性分析方法。此類分析法能對各種復雜的高陡邊坡進行更加多元的分析，通過綜合衡量，結合多種分析法的各自優點，能計算出最貼合實際的邊坡穩定性的安全系數。

1.2 邊坡監測研究現狀

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

例如采用鉆孔傾斜儀、聲發射監測技術等則通過對坡體內部進行監測，也能得到十分準確的坡體變形的數據。尤其是近年來，微震監測技術的發展，為高陡邊坡穩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定性預測預報提供了可靠的技術支持，具有重大的科研價值，值得不斷深挖研究。

2 邊坡穩定性研究存在的問題及發展趨勢

2.1 邊坡穩定性的研究視角的轉移

傳統的露天礦山邊坡穩定性的預測主要通過對坡體的變形外體檢測來掌預測滑坡，巖質邊坡的失穩與邊坡巖體內部發生的微破裂和微失衡有密切關系，對坡體外體的觀察來進行預測預報，具有一定的滯后性。

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

2.2 邊坡穩定性監測視野擴大

傳統的邊坡穩定性監測研究缺乏對周圍環境劣化的納入研究。例如：卸荷、滲流、較大爆破、震動、荷載等誘發滑坡損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，容易對穩定的邊坡產生擾動，致使邊坡變形失衡，這是傳統邊坡穩定性研究中較為匱乏的因素，也是導致邊坡穩定性計算不準的重要因素。由于巖體變形破壞實際上是能量耗散與能量釋放的結果，因此巖體受到外力能力耗散或能量釋放容易導致巖體材料劣質化或強度損失，最終導致滑坡，因此深入研究開挖松動區的形成與損傷力學強度參數具有十分重要的意義。

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

首先，降雨、爆破震動容易弱化高陡邊坡的穩定性。水流的侵蝕會導致巖體結構抗剪強度參數逐步降低，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，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，是做好邊坡穩定的重要參數。

3 結語

筆者認為，在露天礦高陡邊坡失穩的研究中，要摒棄傳統對邊坡內部漸進損傷演化分析不準的方式方法，通過對邊坡可觀動態的跟蹤監測分析，才能真實的反應出邊坡實際情況。

通過總結分析國內國際對邊坡穩定性工程的技術研究，提出采用微震活動來深入研究邊坡巖體失穩前兆本質特征，并以此為研究方向，建立巖體強度參數識別方法和動態穩定性評價方法，為露天礦高陡邊坡的穩定性建立更加科學可靠的預測預判模型。