露天邊坡局部失穩(wěn)特征的數(shù)值分析及監(jiān)測(cè)

張擁軍 楊登峰 王金濤 陳關(guān)平

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

·安全與環(huán)?！?/p>

露天邊坡局部失穩(wěn)特征的數(shù)值分析及監(jiān)測(cè)

張擁軍1楊登峰2王金濤1陳關(guān)平1

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

以金川集團(tuán)露天石英石礦邊坡監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為依托，利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果，以臺(tái)階局部滑坡部位作為研究對(duì)象，通過分析其臺(tái)階周圍及滑坡剖面上臺(tái)階監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積水平位移值，研究了采動(dòng)卸荷效應(yīng)造成的集中應(yīng)力反復(fù)作用下邊坡的變形破壞機(jī)制。利用RFPA強(qiáng)度折減法，數(shù)值模擬過程再現(xiàn)了1 768 m平臺(tái)開采過程中典型剖面多臺(tái)階的漸進(jìn)失穩(wěn)過程，宏觀裂縫在細(xì)觀上的“破裂-應(yīng)力轉(zhuǎn)移-破裂”的循環(huán)中不斷發(fā)育，最終形成貫通的滑動(dòng)面。破壞的整個(gè)過程中伴隨著由應(yīng)力集中、釋放、轉(zhuǎn)移過程造成的應(yīng)變局部化現(xiàn)象。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：局部化損傷發(fā)展過程是從采動(dòng)平臺(tái)向上部臺(tái)階邊坡巖體轉(zhuǎn)移，各臺(tái)階邊坡內(nèi)部7～11 m位置處受荷載轉(zhuǎn)移影響程度較大。

邊坡 變形局部化 強(qiáng)度折減法 監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)分析

邊坡穩(wěn)定性分析的理論與方法的發(fā)展已經(jīng)有了很長(zhǎng)的歷史，涌現(xiàn)出了大量經(jīng)典的理論計(jì)算分析方法[1-6]，并在實(shí)踐中得到了有效的應(yīng)用。但是由于邊坡工程的復(fù)雜性、影響因素的不確定性以及邊坡變形破壞演化的時(shí)空效應(yīng)，單純的理論分析計(jì)算已經(jīng)不再適合邊坡穩(wěn)定性分析的需求。近年來，隨著數(shù)值模擬方法及監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，邊坡數(shù)值模擬分析方法及監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)在工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

鄭穎人[4]、唐春安等[5]將強(qiáng)度折減法的基本原理引入到巖土工程的數(shù)值分析方法中，為邊坡的穩(wěn)定性研究提供了一種新的方法。陳國(guó)慶[6]利用動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法與整體強(qiáng)度折減法相結(jié)合計(jì)算邊坡漸進(jìn)失穩(wěn)過程中的動(dòng)態(tài)安全系數(shù)，達(dá)到對(duì)邊坡失穩(wěn)全過程的分析和調(diào)控的目的。許強(qiáng)[7]提出斜坡變形時(shí)間演化的三階段規(guī)律和斜坡裂縫空間演化的分期配套特性。何滿潮[8]提出滑體和滑床相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力學(xué)監(jiān)測(cè)原理，開發(fā)了對(duì)滑動(dòng)力和抗滑力進(jìn)行監(jiān)測(cè)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。張振華[9]提出了基于設(shè)計(jì)安全系數(shù)和破壞模式的邊坡開挖過程中動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)的研究思路和方法。王東[10]將位移速度變量看作是一隨機(jī)變量，提出基于Lilliefors檢驗(yàn)的邊坡臨滑時(shí)刻的動(dòng)態(tài)識(shí)別方法。

對(duì)巖體破壞現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)，不同尺度巖體的破裂都有局部化破壞特征。露天邊坡災(zāi)害的發(fā)生往往是集中在采動(dòng)影響的某些部位[11]。因此，注意捕捉巖石或巖體結(jié)構(gòu)變形局部化信息并掌握其發(fā)展趨勢(shì)，就有可能提高邊坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的可能性。

本研究以金川露天石英石礦邊坡監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為依托，以臺(tái)階局部滑坡部位作為研究對(duì)象，通過分析其周圍臺(tái)階及與滑坡剖面相鄰的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積水平位移值并結(jié)合數(shù)值模擬的方法來研究采動(dòng)卸荷效應(yīng)造成的集中應(yīng)力作用下邊坡的變形破壞機(jī)制，分析邊坡開采過程中的損傷累積導(dǎo)致的變形失穩(wěn)特征。為礦山邊坡的破壞分析提供理論依據(jù)，提高滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警的可靠性。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

金川集團(tuán)露天石英石礦位于甘肅省金昌市。目前，石英石礦露天采場(chǎng)已形成1 856、1 846、1 836、1 826、1 816、1 792、1 780、1 768、1 756 m共8個(gè)臺(tái)階，東西長(zhǎng)1 100 m、南北寬500 m、高近90 m的山坡型露天采場(chǎng)，1 756 m水平以下的1 744、1 732、1 720、1 708、1 696 m等5個(gè)水平將進(jìn)入凹陷開采。目前許多區(qū)段邊坡已產(chǎn)生不同程度的變形和破壞，主要表現(xiàn)：1 780 m臺(tái)階中段出現(xiàn)局部坍塌；1816 m臺(tái)階西部出現(xiàn)許多的裂縫，且不斷擴(kuò)大；1 792 m臺(tái)階東部出現(xiàn)滾石。隨著采場(chǎng)的延深、雨水作用及地震、爆破震動(dòng)等因素的影響，邊坡穩(wěn)定問題日益突顯。

1.2 地質(zhì)條件

礦區(qū)揭露地層依次為第四系，石炭—二疊系，下古生界(上、下組)。由于礦區(qū)受區(qū)域構(gòu)造控制和南西、北東向的擠壓，使含礦巖系形成NWW向的緊閉褶皺和斷裂，并有一系列北東和北西向的剪切斷裂伴生，加上礦區(qū)受開采影響，地表巖石普遍松動(dòng)，裂隙發(fā)育，礦區(qū)巖體破碎。礦區(qū)石炭統(tǒng)—二疊系(C3-P)巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值在0.4～0.5之間，完整性較好，其他地層RQD值在0～0.1之間,巖體極其破碎，工程地質(zhì)條件極差。礦體RQD值在0.3～0.5之間，完整性較好。礦區(qū)氣候干旱，年降水量122 mm，蒸發(fā)量2 837 mm，且無常年性地表水體。

1.3 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)礦區(qū)干旱、少雨等特點(diǎn)，經(jīng)綜合論證決定采用固定式測(cè)斜儀對(duì)多臺(tái)階邊坡的變形狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，綜合考慮巖體內(nèi)部斷面位置、節(jié)理發(fā)育情況，施工難易程度，安全等多項(xiàng)因素，在采場(chǎng)北部邊幫1 768、1 780、1 792、1 816、1 826 m 5個(gè)平臺(tái)上拉網(wǎng)式布置21個(gè)監(jiān)測(cè)孔共84個(gè)測(cè)斜儀(位置如圖1所示)，測(cè)斜儀通過測(cè)斜管裝入監(jiān)測(cè)孔內(nèi)，根據(jù)鉆孔取芯資料，將測(cè)斜管底部嵌入邊坡體穩(wěn)定的基巖內(nèi)，并以此作為基準(zhǔn)進(jìn)行位移計(jì)算，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)邊坡體內(nèi)部變形進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

圖1 監(jiān)測(cè)孔位置分布圖Fig.1 Location map of monitor holes▲—數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)；○—鉆孔監(jiān)測(cè)點(diǎn)

2 數(shù)值模擬分析

為研究采動(dòng)卸荷作用導(dǎo)致的集中應(yīng)力釋放后的傳遞路徑及對(duì)礦區(qū)各臺(tái)階的影響程度，根據(jù)工程實(shí)際地質(zhì)條件，滑坡面附近實(shí)際存在的開采臺(tái)階狀況，建立數(shù)值模型。

2.1 模型建立

在考慮巖土體材料非均勻性的基礎(chǔ)上，基于RFPA細(xì)觀尺度上的本構(gòu)模型，將模擬問題視為靜力條件下的二維平面應(yīng)變問題。以石英石礦區(qū)地質(zhì)條件作為模型設(shè)計(jì)的依據(jù)，建立了1 768 m臺(tái)階開挖后的數(shù)值模型(圖2所示)。

圖2 1 768 m平臺(tái)開挖前后RFPA數(shù)值模型示意圖Fig.2 RFPA numerical model schematic diagram before and after the excavation of 1768 m platform

數(shù)值模型沿水平方向取130 m，垂直方向取95 m，共設(shè)4層巖層，劃分為49 400個(gè)單元。模型邊界條件：垂直方向自重加載，無外荷載，模型兩側(cè)為限制水平方向位移的滑動(dòng)支座，可垂直移動(dòng)；底部為限制垂直方向位移的滑動(dòng)支座。采用RFPA強(qiáng)度折減法[12]，強(qiáng)度折減系數(shù)取0.01，加載總步數(shù)為100步。模擬1 768 m臺(tái)階礦體開采后邊坡的卸荷變形破壞情況。

根據(jù)金川石英石露天礦實(shí)測(cè)工程地質(zhì)數(shù)據(jù)，本數(shù)值模擬選取的各地層巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各地層巖石物理與力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rocks at each layer

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3(a)是通過數(shù)值模擬得出的1 768 m臺(tái)階開挖后邊坡卸荷損傷漸進(jìn)失穩(wěn)的彈性模量圖，圖3(b)是對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射圖。在聲發(fā)射圖中，黑色圓圈表示拉伸破壞，白色圓圈表示剪切破壞。

分析圖3可知，邊坡強(qiáng)度折減過程中，在拉剪應(yīng)力持續(xù)作用下，損傷逐步累積，隨著損傷累積，小尺度小范圍內(nèi)的巖體破裂持續(xù)發(fā)生，裂隙發(fā)育(Step 24-02所示)，由于坡體內(nèi)的裂隙、結(jié)構(gòu)面及巖石的非均勻性等因素影響，導(dǎo)致坡體中應(yīng)力呈現(xiàn)出不均勻。折減過程中1 780 m臺(tái)階坡腳處出現(xiàn)局域性的應(yīng)力集中，巖石聲發(fā)射的分布也由無序向有序發(fā)展，逐漸向該區(qū)域集中，當(dāng)應(yīng)力集中超過該處巖體的強(qiáng)度時(shí)，巖體將不再穩(wěn)定，必然發(fā)生局部破壞(Step 25-06所示)，出現(xiàn)局部失穩(wěn)滑動(dòng)面，伴有小規(guī)模崩塌。并伴隨發(fā)生應(yīng)力釋放，隨后應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移和應(yīng)力的重新調(diào)整，應(yīng)力逐步向1 780 m臺(tái)階的鄰近區(qū)域的1 792 m臺(tái)階擴(kuò)展，由于新增應(yīng)力作用，導(dǎo)致1 792 m臺(tái)階處的巖體也出現(xiàn)應(yīng)力集中，使原先沒有超過巖體的強(qiáng)度值轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力值超過了巖體的強(qiáng)度值，損傷逐步累積，裂紋萌生(Step 25-08所示)，直至巖體發(fā)生破壞。此后重復(fù)上述過程，應(yīng)力再次發(fā)生轉(zhuǎn)移和重新調(diào)整，導(dǎo)致1 816 m臺(tái)階的應(yīng)力集中，應(yīng)力值超過了巖體的強(qiáng)度值，臺(tái)階裂紋貫通，發(fā)生局部破壞(Step 25-11所示)。宏觀裂縫在這個(gè)細(xì)觀上“破裂—應(yīng)力轉(zhuǎn)移—破裂”的循環(huán)中不斷發(fā)育。在此過程中，微裂紋逐步沿臺(tái)階向上發(fā)生損傷擴(kuò)展，隨著轉(zhuǎn)移的應(yīng)力值逐步減小，裂紋擴(kuò)展的速度和臺(tái)階發(fā)生破壞的規(guī)模逐漸減小，體現(xiàn)了應(yīng)變局部化特征。隨著過程的繼續(xù)，邊坡最終將有2種可能，一種是破裂面完全貫通，損傷巖體沿著滑動(dòng)面整體運(yùn)動(dòng)；另一種是破壞面沒有完全貫通，破壞擴(kuò)展到某一區(qū)域后停止擴(kuò)展，其上部的應(yīng)力應(yīng)變未超過巖體的強(qiáng)度值。由數(shù)值模擬可知，最下部臺(tái)階坡腳處雖有拉剪裂隙產(chǎn)生，但是破壞較小，并沒有形成貫通的破壞區(qū)域，因此可以判斷卸荷巖體應(yīng)力集中釋放之后其應(yīng)力轉(zhuǎn)移主要是向上部轉(zhuǎn)移，對(duì)下部巖體影響較小。

圖3 1 768 m臺(tái)階開挖后的彈性模量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和聲發(fā)射規(guī)律Fig.3 The dynamic variation rules and acoustic emission rules of elastic modulus after excavation of 1 768 m platform

3 監(jiān)測(cè)成果分析

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，取坡體內(nèi)部指向邊坡臨空面方向的位移為正，反之為負(fù)。通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)1 868 m臺(tái)階邊坡于2013年9月28日，靠近1-B監(jiān)測(cè)點(diǎn)處發(fā)生過一次較大規(guī)?；?，取監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-B、滑坡點(diǎn)附近左側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-C、上部剖面距滑坡面較近的1 780 m臺(tái)階監(jiān)測(cè)點(diǎn)2-C進(jìn)行分析，由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量較大，取具有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2013-04-01～2014-05-15日期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，討論邊坡卸荷過程中的巖體破壞變形規(guī)律。

3.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

圖4是離滑坡地點(diǎn)最近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-B在2013-04-01～2013-09-28日滑坡前的位移累積曲線，滑坡時(shí)滑落的巖土體將監(jiān)測(cè)孔破壞，觀察圖4曲線變化規(guī)律可知，在2013-05-30日前曲線變化較平緩，呈緩慢上升趨勢(shì)，之后位移量迅速上升，進(jìn)入加速變形階段，截止到2013-09-15日時(shí)位移量達(dá)到106.5 mm，此后位移增速加快，幾乎呈指數(shù)形式增長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)到的位移最大值達(dá)到了208 mm。經(jīng)綜合分析，于9月25日發(fā)出滑坡預(yù)警。9月28日夜，滑坡發(fā)生，所幸無人員傷亡及設(shè)備損失。

圖4 1-B監(jiān)測(cè)點(diǎn)7.2 m測(cè)斜儀累積位移-時(shí)間曲線Fig.4 The cumulative displacement-time curve of 1-B monitoring at 7.2 m by the inclinometer

隨著1 768 m臺(tái)階的局部滑坡破壞的發(fā)生，該區(qū)域應(yīng)力釋放，發(fā)生應(yīng)力重新調(diào)整和應(yīng)力轉(zhuǎn)移，為研究卸荷作用導(dǎo)致的局部破壞對(duì)鄰近區(qū)域的影響程度，筆者選取了同一臺(tái)階的監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-C及與滑坡部位在同一剖面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)2-C的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖5是滑坡區(qū)域附近的1-C監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移累積曲線，分析曲線變化趨勢(shì)可知，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)3.2、7.2 m深處累積位移隨卸荷過程均保持增長(zhǎng)，但漲幅較小，2監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了位移突變，3.2 m深處測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)到的突變值為4.94 mm，7.2 m深處的測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)到的突變值為3.07 mm，漲幅均較小。之后3.2 m和 7.2 m深度測(cè)點(diǎn)處的水平位移雖持續(xù)增加，但變化速率基本穩(wěn)定。說明滑坡區(qū)域的應(yīng)力轉(zhuǎn)移對(duì)該點(diǎn)影響較小。

圖5 1-C監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積位移-時(shí)間曲線Fig.5 Cumulative displacement-time curves of 1-C monitoring◆—3.2 m測(cè)斜儀；■—7.2 m測(cè)斜儀；▲—11.2 m測(cè)斜儀

圖6是滑坡區(qū)域上部剖面2-C監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移累積值，分析各曲線位移值可知，2-C監(jiān)測(cè)點(diǎn)3個(gè)測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)到的位移值均有較大增幅，其中3.2m處的位移值增幅最大，且在2013-05-11日之后位移增加速度加快，明顯高于7.2 m和11.2 m兩測(cè)斜儀，但是到11月份之后增速明顯放緩，7.2 m和11.2 m兩測(cè)斜儀位移增速基本保持穩(wěn)定。位移增幅也比其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)大，最大時(shí)達(dá)到了101.77 mm。

由各位移累積曲線可知，邊坡的變形方向基本一致，總體趨勢(shì)都是沿垂直邊坡的方向發(fā)生變形，累計(jì)位移逐步增大。不同之處在于局部位移曲線受開采的爆破施工擾動(dòng)作用出現(xiàn)震蕩性變化。在雨季開始前及結(jié)束后邊坡位移變化趨于相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)，而雨季監(jiān)測(cè)位移出現(xiàn)明顯增大趨勢(shì)，由于近年來礦區(qū)雨季降雨偏大，因此加強(qiáng)雨季的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)尤為重要。

圖6 2-C監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積位移-時(shí)間曲線Fig.6 Cumulative displacement-time curves of 2-C monitoring◆—3.2 m測(cè)斜儀；■—7.2 m測(cè)斜儀；▲—11.2 m測(cè)斜儀

3.2 邊坡變形機(jī)制分析

通過分析圖4中位移累積變化曲線可知，受采動(dòng)卸荷作用及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及工程因素的反復(fù)影響作用，巖體內(nèi)發(fā)生了應(yīng)力重分布，在拉剪應(yīng)力作用下，坡體出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致另一些方向的加荷作用，從而造成巖體的損傷破壞，邊坡巖體損傷逐步累積，坡體的原生構(gòu)造節(jié)理、裂隙在集中應(yīng)力作用下開始擴(kuò)展，2013-05-28日前坡體水平位移保持較小增幅，隨后發(fā)生裂隙擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的分叉。只有某些特定位置的節(jié)理和裂隙的失穩(wěn)擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致坡體破壞，其他節(jié)理裂隙對(duì)坡體破壞影響較小，形成局部區(qū)域的損傷變形集中現(xiàn)象。隨著應(yīng)力集中的繼續(xù)，局部化損傷帶相互影響，張拉應(yīng)力增大，導(dǎo)致巖體破壞加劇，坡體破壞加速。此過程中巖體由均勻變形逐漸發(fā)展到局部化變形直至破裂。在2013-05-29～2013-09-01日期間水平位移量迅速增加，張拉裂縫增多，分布范圍增大，裂縫長(zhǎng)度不斷增大，寬度和深度增大，且在地表相互連接，形成臺(tái)階后緣的弧形拉裂縫，伴有下座變形，當(dāng)變形達(dá)到一定程度時(shí)，坡體滑動(dòng)面基本貫通，此時(shí)坡體狀態(tài)將不再穩(wěn)定，2013-09-01日后坡體水平位移急速增加，繼而發(fā)生滑坡破壞。因此，巖體結(jié)構(gòu)的破壞過程是一個(gè)伴隨巖石微破裂特征的漸進(jìn)破壞誘致突變的過程。

綜合對(duì)比分析曲線圖5、圖6的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)可知，1 768 m臺(tái)階1-B點(diǎn)處的局部化破壞導(dǎo)致其集中應(yīng)力的釋放和向周圍區(qū)域的轉(zhuǎn)移，受采動(dòng)影響的破壞區(qū)域的鄰近區(qū)域都受到了不同程度的影響，通過對(duì)比所選監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移累積曲線可知，變形局部化造成的應(yīng)力轉(zhuǎn)移具有一定的規(guī)律性。

首先通過對(duì)比破壞區(qū)域上部的2-C監(jiān)測(cè)點(diǎn)和其附近的1-C監(jiān)測(cè)點(diǎn)可知，2-C監(jiān)測(cè)點(diǎn)中各處的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的水平位移累積值均比2-C監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移累積值大，其中3.2 m處的位移累積數(shù)據(jù)差值最大時(shí)達(dá)到84.6 mm，而7.2 m處的位移累積數(shù)據(jù)差值最大時(shí)達(dá)到26 mm。2-C監(jiān)測(cè)點(diǎn)臺(tái)階表面產(chǎn)生了較大的拉剪裂縫。由于較大的集中應(yīng)力作用，其臺(tái)階內(nèi)部的節(jié)理及裂隙發(fā)生了較大的損傷擴(kuò)展，導(dǎo)致坡體變形加劇。

滑坡區(qū)域下部是1 756 m臺(tái)階，由于當(dāng)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)時(shí)該臺(tái)階尚未采出，未在該臺(tái)階布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，但從現(xiàn)場(chǎng)可以看出，由于卸荷引起的應(yīng)力集中作用時(shí)間較短，臺(tái)階靠近邊緣表面有裂縫產(chǎn)生，但是裂縫寬度較小，最大處不足5 mm，說明變形局部化作用造成的應(yīng)力集中對(duì)該臺(tái)階影響較小。

通過觀察各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移累積曲線可以發(fā)現(xiàn)，各點(diǎn)位移在增加的同時(shí)都出現(xiàn)震蕩性變化，原因在于監(jiān)測(cè)過程中的現(xiàn)場(chǎng)的爆破施工、自然及邊坡巖體內(nèi)部因素所致。1-C和2-C監(jiān)測(cè)點(diǎn)中各測(cè)斜儀的累積位移值從整體上分析，具有隨距離破壞區(qū)域越遠(yuǎn)位移值逐漸減小的趨勢(shì)，但是根據(jù)各個(gè)巖層特性，這個(gè)趨勢(shì)也不完全一致，應(yīng)力重新分布對(duì)坡體的影響還與坡體巖體的完整性有關(guān)。露天邊坡災(zāi)害的發(fā)生是集中在采動(dòng)影響的某些部位。巖石或巖體結(jié)構(gòu)變形的這種局部化現(xiàn)象，與巖體中的異構(gòu)密切相關(guān)。因此，注意捕捉變形局部化信息并掌握其發(fā)展趨勢(shì)，就有可能提高邊坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的可能性。

巖體結(jié)構(gòu)的破壞過程是一個(gè)伴隨巖石微破裂特征的漸進(jìn)破壞誘致突變的過程。采動(dòng)作用導(dǎo)致的卸荷效應(yīng)造成了局域性的應(yīng)力集中使邊坡巖體原生節(jié)理、裂隙損傷擴(kuò)展，產(chǎn)生局部變形破壞，并伴隨著集中應(yīng)力的釋放、轉(zhuǎn)移和重新調(diào)整，在破壞區(qū)域的周圍都會(huì)受到影響，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析可知，越靠近破壞區(qū)域受影響程度越大，集中應(yīng)力釋放之后主要是向上部巖體轉(zhuǎn)移，同一水平臺(tái)階邊坡處和下部臺(tái)階邊坡受影響較小，但是對(duì)臺(tái)階邊坡巖體的破壞程度還與巖體性質(zhì)有關(guān)，巖體完整性好，原生節(jié)理、裂隙較少的巖層造成破壞就小，越不容易發(fā)生滑坡。通過監(jiān)測(cè)累積位移分析可知，集中應(yīng)力造成的損傷破壞主要發(fā)生在各臺(tái)階邊坡地下7～11 m左右位置，因此7～11 m應(yīng)是滑移帶形成區(qū)域，是監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。監(jiān)測(cè)過程中位移累積值由于爆破作業(yè)及自然因素的作用出現(xiàn)了震蕩性變化，這也是影響邊坡穩(wěn)定性的因素之一。

4 結(jié) 論

(1)選取了1 768 m臺(tái)階邊坡局部變形垮塌部位為研究對(duì)象，分析了其周圍1-C臺(tái)階和與滑坡體處于剖面相鄰的2-C臺(tái)階邊坡作為研究對(duì)象，對(duì)監(jiān)測(cè)過程中的位移累積值進(jìn)行了分析。結(jié)果表明采動(dòng)卸荷造成導(dǎo)致局域性的應(yīng)力應(yīng)變集中，使臺(tái)階邊坡出現(xiàn)變形局部化現(xiàn)象，發(fā)生應(yīng)力釋放、轉(zhuǎn)移和重新調(diào)整。分析結(jié)果可知，采動(dòng)卸荷應(yīng)力主要向上部臺(tái)階邊坡巖體轉(zhuǎn)移，下部及同一臺(tái)階邊坡變形較小。

(2)利用RFPA強(qiáng)度折減法，再現(xiàn)了1 768 m平臺(tái)開采過程中典型剖面多臺(tái)階漸進(jìn)失穩(wěn)過程，隨著巖體力學(xué)性質(zhì)的不斷劣化，裂隙首先從1 768 m平臺(tái)坡腳處開始萌生，不斷擴(kuò)展、貫通，宏觀的裂縫在這個(gè)細(xì)觀上“破裂—應(yīng)力轉(zhuǎn)移—破裂”的循環(huán)中不斷發(fā)育，最終形成貫通的滑動(dòng)面。破壞的整個(gè)過程中伴隨著應(yīng)力集中、釋放、轉(zhuǎn)移造成的應(yīng)變局部化現(xiàn)象。

(3)通過數(shù)據(jù)分析可知，在各臺(tái)階邊坡下部7～11 m位置處受轉(zhuǎn)移荷載影響程度較大，水平位移累積值加速增大，另外受到爆破開采及自然因素的影響作用，水平位移累積值出現(xiàn)了震蕩性變化，也是影響邊坡穩(wěn)定的因素之一。雨季的坡體累積位移值明顯大于平時(shí)，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)力度。

[1] 張永興.邊坡工程學(xué)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008. Zhang Yongxing.Slope Engineering[M].Beijing：China Architecture and Building Press，2008.

[2] 楊光華,鐘志輝,張玉成,等.根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)判斷滑坡的破壞類型及最優(yōu)加固位置確定[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，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,張衛(wèi)中,張東明,等.基于指數(shù)平滑法與回歸分析相結(jié)合的滑坡預(yù)測(cè)[J].巖土力學(xué),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] 鄭穎人,趙尚毅.有限元強(qiáng)度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，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,李連崇,李常文,等.巖土工程穩(wěn)定性分析RFPA強(qiáng)度折減法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),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] 陳國(guó)慶,黃潤(rùn)秋,石豫川,等.基于動(dòng)態(tài)和整體強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，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] 許 強(qiáng),湯明高,徐開祥,等.滑坡時(shí)空演化規(guī)律及預(yù)警預(yù)報(bào)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，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] 何滿潮.滑坡地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)及其工程應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，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] 張振華,馮夏庭,周 輝,等.基于設(shè)計(jì)安全系數(shù)及破壞模式的邊坡開挖過程動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)預(yù)警方法研究[J].巖土力學(xué)，2009，30(3):603-612. Zhang Zhenhua，F(xiàn)eng 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 東,曹蘭柱,樸春德,等.基于假設(shè)檢驗(yàn)原理的邊坡臨滑時(shí)刻的動(dòng)態(tài)識(shí)別方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，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] 王庚蓀.邊坡的漸進(jìn)破壞及穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),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] 李連崇,唐春安,梁正召,等.RFPA 邊坡穩(wěn)定性分析方法及其應(yīng)用[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，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.

(責(zé)任編輯 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

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：51234005)。

張擁軍(1974—)，男，副教授，博士后。

TD854.6

A

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