浅议露天矿边坡稳定性研究方法

关键词：露天矿；边坡；稳定性；方法 

露天矿边坡稳定问题，包括最终合理边坡角度，边坡形状，边坡监测和滑坡防治等方面。经过近四十年的发展，岩体边坡研究才开始进行，并得到快速发展。但是，由于理论和实践的局限，边坡稳定性分析的各种方法都还不完善。因此，有必要对各种研究方法进行分析，以引起边坡管理技术人员的注意，并对各种方法进行改进和完善，使之更好地满足露天开采工程的需要。
1 边坡稳定性分析采用的主要方法
1.1定性分析方法
1.1.1 地质分析法
根据边坡的地形地貌形态、地质条件和边坡变形破坏的基本规律，追溯边坡演变的全过程，预测边坡稳定性发展的总趋势及其破坏方式，从而对边坡的稳定性做出评价，对已发生过滑坡的边坡，则判断其能否复活或转化。
1.1.2 工程地质类比法
其实质是把已有的自然边坡或人工边坡的研究设计经验应用到条件相似的新边坡的研究和人工边坡的研究设计中去。需要对已有边坡进行详细的调查研究，全面分析工程地质因素的相似性和差异性，分析影响边坡变形发展的主导因素的相似性和差异性，同时，还应考虑工程的类别、等级及其对边坡的特定要求等。它虽然是一种经验方法，但在边坡设计中，特别是在中小型工程的设计中是很通用的方法。
1.1.3 图解法
图解法可以分为两类：①用一定的曲线和偌谟图来表征边坡有关参数之间的定量关系，由此求出边坡稳定性系数，或已知稳定系数及结构面倾角、坡角、坡高等参，仅一个未知的情况下，求出稳定坡角或极限坡高。这是力学计算的简化。②利用图解求边坡变形破坏的边界条件，分析软弱结构面的组合关系，分析滑体的形态、滑动方向，评价边坡的稳定程度，为力学计算创造条件。常用的为赤平极射投影分析法及实体比例投影法。
1.1.4 边坡稳定专家系统
工程地质领域最早研制出的专家系统是用于地质勘察的专家系统Propecter，由斯坦福大学于70年代中期完成的。另外，MIT在80年代中期研制的测井资料咨询的专家系统也得到成功地应用。专家系统使得一般工程技术人员在解决工程地质问题时能象有经验的专家给出比较正确的判断并做出结论，因此，专家系统的应用为工程地质的发展提供了一条新思路。
1.2 定量分析方法
1.2.1 极限平衡法
极限平衡法在工程中应用非常广泛。它是根据边坡上的滑体或滑体分块的力学平衡原理(即静力平衡原理)分析边坡各种破坏模式下的受力状态，以及边坡上的抗滑力和下滑力之间的关系来评价边坡的稳定性。
1.2.2 极限分析法
塑性极限分析法考虑岩土体应力—应变关系，用塑性力学上限、下限定理分析边坡稳定问题，就是从下限和上限两个方向逼近真实解。这一求解方法最大的好处是回避了在工程中最不易弄清的本构关系表达式，因而具有物理概念清晰、应用简单且在很多情况下可给出问题的严密解等优点。
1.2.3 数值分析法
数值分析法是考虑到岩土体为非均质、不连续、大变形等特点而出现的方法。有限元法是数值分析法中的典型代表，有限元法全面满足了静力许可、应变相容和应力—应变之间的本构关系，与极限平衡法相比具有以下优点:破坏面的形状或位置不需要事先假定;不必要引入假定条件，保持了严密的理论体系;有限元解提供了应力—变形的全部信息。有限元法是一种比较理想的分析边坡应力、变形和稳定性态的手段。
1.3 不确定分析法
1.3.1 系统分析方法
由于边坡处于非常复杂的岩土体力学环境条件下，其稳定性的涉及面很广，影响因素也很多，且稳定程度非常复杂，因此，边坡稳定性问题也是一个系统工程问题。应用系统分析方法遵循的途径为:岩体力学环境条件的研究→变形破坏机制研究→稳定性计算分析。目前，系数分析方法广泛开展应用于边坡稳定性分析之中。
1.3.2 灰色系统方法
灰色系统理论为认，在决定事物的诸因素中若既有已知的，又有未知的或不确定的，他们所在系统则称为灰色系统。该方法在边坡研究中的应用主要是用灰色聚类理论进行边坡稳定性的分级、分类。文献给出了一种基于经验的边坡稳定性灰色系统分析方法，该方法所得的结果与边坡实际状态相一致，并且，该方法直观、简单、可操作性强。
1.3.3 可靠度分析方法
可靠度分析方法在进行边坡稳定性分析时，充分考虑了影响安全系数的各个随机要素(如岩体及结构面的物理力学性质，地下水的作用包括静水压力、动水压力、裂隙水压力、软化作用、浮托力，各种荷载等)的变异性。通过对各种因素不确定性的认识，结合边坡系统的具体情况，采用概率分析方法和可靠度尺度描述边坡工程系统的质量。
1.3.4 模糊数学评判法 模糊理论是应用模糊应换原理和最大隶属度原则，综合考虑被评事物或其属性的相关因素，进而进行等级或级别评价。其在边坡稳定分析方面的应用是首先找出影响边坡稳定性的因素，然后进行分类，分别赋予一定的的权值，然后根据最大隶属度原则判断边坡单元的稳定性。
2 边坡稳定性分析方法动态 
2.1 边坡三维稳定性分析
三维极限平衡法是边坡三维评价中发展较早的，其特点是可以更加真实地反映边坡的实际形态，特别是当滑坡面已经确定时，使用三维分析可以恰当的考虑滑体内由于滑裂面的空间变异特征对边坡稳定系数的影响。
2.2数值分析法动态 有限元强度折减法近来在国内外受到关注，在边坡稳定分析中已逐渐得到认可。谭晓慧等(2007年)通过结构工程的简单算例，研究了有限步长迭代法中初始步长及步长调整系数的取值，结合边坡稳定的有限元可靠度分析，探讨了有限步长迭代法对于边坡工程的适用性。
2.3 不确定分析法动态 近年来边坡稳定性评价与各类数学模型结合得越来越紧密，不确定性分析方法也得到了较快发展。杨磊(2005 年) 系统概述了滑坡破坏概率分析的基本原理，以三峡库区的龙王庙滑坡为例，论述了地下水对滑坡的作用，进行了滑坡的破坏概率分析，能更准确、全面地判断滑坡的稳定性。
3 边坡稳定分析研究发展趋势
边坡稳定性分析方法已经取得了较大的发展，但还需要在以下几个方面进一步研究、完善。
3.1 进行边坡稳定性分析实验研究。实验是稳定性研究的基础，也是计算方法的依据。只有加强实验研究，才能促进边坡分析的发展。
3.2 发展和完善复合法。随着数值分析的不断发展，各种分析方法的相互耦合成为一大发展趋势，如有限元、边界元与离散元的相互耦合，数值解与解析解的结合等。这些方法的耦合能充分发挥各自的优点，解决更复杂的边坡问题。
3.3 大力发展边坡稳定性分析的随机方法和模糊方法，随机方法和模糊方法是边坡稳定性分析的新兴方法，在理论和应用上需要开展大量的研究，使其更适合边坡的稳定性分析。

参考文献: 
[1]刘祖典，黄土力学与工程[M].西安:陕西科学技术出版社，1997. 
[2]陈祖煜，土质边坡稳定性分析通用条分法及其改进[J].岩土工程学报，1983，5 (4):11227.
[3]白占平，露天矿边坡工程系统分析综合集成理论与方法研究.中国矿大博士学位论文，1996.10.