基于巖土工程研究的露天銅礦邊坡穩(wěn)定性分析

廖 勛，劉 評，周 菲，李承杰

（西部礦業(yè)股份有限公司，青海 西寧 810011）

1 巖質(zhì)邊坡破壞的主要特征

通常來說，巖質(zhì)邊坡出現(xiàn)破壞失穩(wěn)的情況屬于一種復(fù)雜性較高的地質(zhì)災(zāi)害過程。因?yàn)檫吰聝?nèi)部在結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，且構(gòu)成邊坡巖石物質(zhì)的區(qū)別，導(dǎo)致邊坡破壞的模式具有較大差別，實(shí)際表現(xiàn)為破壞面的不同，因此要采用對應(yīng)的分析方法與計算公式對其穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行合理分析?！皫r體結(jié)構(gòu)控制論”表明：巖體具有其結(jié)構(gòu)，變形與破壞主要控制因素是巖體結(jié)構(gòu)。巖體出現(xiàn)變形，首先是在結(jié)構(gòu)上的改變，其次才是材料上的改變；大多數(shù)情況下，巖體破壞都是由于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。露天銅礦的巖土邊坡的臨空面與其它巖體工程相比要更大，所以其穩(wěn)定性更加依賴于坡體當(dāng)中結(jié)構(gòu)面具備的幾何狀態(tài)、分布以及組合形式，會直接影響到巖質(zhì)邊坡所出現(xiàn)變形破壞的位置、方式和具體運(yùn)動軌跡。

巖質(zhì)邊坡的破壞具有非常高的復(fù)雜程度，其中可能包含一些簡單的破壞形式，不過大多數(shù)情況是多種破壞形式的交織與融合，導(dǎo)致其模式顯得十分復(fù)雜。近些年，很多學(xué)者針對邊坡變形破壞的形式、發(fā)生以及發(fā)展，就多個角度與觀點(diǎn)展開了研究，提出各類邊坡破壞相應(yīng)的分類標(biāo)準(zhǔn)與破壞類型，為邊坡穩(wěn)定性研究的深化形成良好的促進(jìn)作用。巖質(zhì)邊坡一般是由完整巖塊與結(jié)構(gòu)面所構(gòu)成較為復(fù)雜的介質(zhì)體，而作為重要結(jié)構(gòu)面的節(jié)理，可以分成斷續(xù)節(jié)理和貫通節(jié)理，節(jié)理類型及其空間分布對于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性具有十分突出的影響。對于斷續(xù)節(jié)理的巖質(zhì)邊坡，破壞特性通常較為明顯的受坡體中巖橋特征的控制。

2 露天銅礦邊坡穩(wěn)定性研究方法

對邊坡穩(wěn)定性的分析是判定邊坡是否能夠處在穩(wěn)定狀態(tài)，需要對其作加固處理與否，避免出現(xiàn)損壞的重要依據(jù)。目前，針對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析的方法主要可以歸納為兩大類：①定性分析法：利用工程地質(zhì)勘察，針對有可能對邊坡穩(wěn)定性形成影響的主要因素、力學(xué)機(jī)制以及破壞形式等作出分析，針對已經(jīng)出現(xiàn)形變地質(zhì)體的成因和演化史加以判定與剖析，繼而得出邊坡穩(wěn)定性的評價及其后續(xù)的發(fā)展趨勢；②定量分析法：屬于一種半定量性方法，其評價結(jié)果可以通過具體的數(shù)值展示，不過最終結(jié)論卻主要依靠人員的判斷。此外，目前所有的定量計算方式都要以定性為基礎(chǔ)，結(jié)合破壞模式或者工程地質(zhì)模型來構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，通過相應(yīng)評價獲得具體結(jié)果。

隨著各種應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，對邊坡穩(wěn)定性的分析方法逐漸完善，已經(jīng)呈現(xiàn)出由定性分析朝定量或半定量分析發(fā)展的趨勢。對露天銅礦邊坡來說，由于開挖過程所應(yīng)用的方式和開采工藝具有較強(qiáng)的多樣性、復(fù)雜性，加之施工現(xiàn)場地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有一定不連續(xù)性，邊界條件較為復(fù)雜，各種影響因素的疊加導(dǎo)致對邊坡穩(wěn)定性的分析很難利用常規(guī)解析方法實(shí)現(xiàn)求解與預(yù)測。相對來說，數(shù)值法則呈現(xiàn)出了更好的適用性，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對巖土體復(fù)雜力學(xué)和結(jié)構(gòu)特性的模擬，還能為各種邊值問題與施工過程提供便利，實(shí)現(xiàn)對邊坡穩(wěn)定性的有效判定。目前在工程實(shí)踐中較為常用的數(shù)值分析法包括：以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論為基礎(chǔ)的有限元法、有限差分法、邊界元法以及加權(quán)余量法等；以非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論為基礎(chǔ)的剛體元法、離散元法等；融合兩種理論的流形元法。

3 巖土工程學(xué)改進(jìn)算法

3.1 距離冪次比例算法

距離冪次反比例屬于估算算法的一種，是在地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)中開展高度標(biāo)記估算的重要方法。其計算公式為：

其中G表示地表高度值；λi表示樣本中已知的權(quán)系數(shù)；gi表示樣本高度值。

依據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)原則，首先需要構(gòu)建起標(biāo)高數(shù)值模型，高度數(shù)值等各類數(shù)學(xué)都能夠結(jié)合距離冪次反比例算法獲得，此種算法最為重要的特點(diǎn)是可以針對突變性地質(zhì)地貌形成數(shù)據(jù)跟蹤，及時將改變的數(shù)值更改，所以具有較強(qiáng)的時效性，所獲得數(shù)據(jù)也具備良好的真實(shí)性。只要將冪次k值設(shè)置為3，便可滿足各樣本點(diǎn)的采集需求，不管數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多少都能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定計算。

3.2 折減系數(shù)賦值

在對不同地質(zhì)地貌條件進(jìn)行分類之后，針對邊坡穩(wěn)定性的分析則要結(jié)合強(qiáng)度折減法，該種方法和數(shù)值模擬之間的有效結(jié)合，能夠有效完成對邊坡巖土層各數(shù)值的計算，獲得較為穩(wěn)定的模擬數(shù)值，對邊坡最小穩(wěn)定性數(shù)值進(jìn)行計算的公式為：c1=c/F1和φ1=arctan(tan φ/F1)，對所得數(shù)據(jù)的分析和處理能夠?qū)崿F(xiàn)對土體中強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的有效調(diào)整。F1為折減系數(shù)，當(dāng)折減系數(shù)增長的過程中，直到整個模擬建模被破壞，便能獲得一個臨界值，這一數(shù)值便是安全范圍之內(nèi)的折減系數(shù)數(shù)值。以上所提及的算法，在具體開始計算以前，需要將露天礦分成多個特征不同的區(qū)。而在劃分區(qū)域性質(zhì)時需要充分考量其內(nèi)部演示結(jié)構(gòu)特征與組成，準(zhǔn)確計算巖石質(zhì)量差異，同時還應(yīng)分析邊坡角對礦區(qū)穩(wěn)定性所形成的影響。

4 露天銅礦邊坡處置方案原則

對露天銅礦邊坡滑坡防治的主要原則包括：安全、經(jīng)濟(jì)和高效。在對不同露天礦邊坡特有的工程特性、結(jié)構(gòu)特征以及重要程度等相關(guān)因素形成全面考量之后，要具有針對性的社會治理措施與方案。具體應(yīng)該關(guān)注以下幾個方面的問題：①開展施工現(xiàn)場調(diào)研活動，明確現(xiàn)場水文及地質(zhì)條件；②對治理措施的選擇需要盡可能遵守施工過程簡單合理、高效經(jīng)濟(jì)以及工程量合理等原則，獲得更高的性價比；③結(jié)合露天礦所在區(qū)域范圍內(nèi)巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，對邊坡開挖方式形成合理設(shè)置；④針對還未出現(xiàn)滑塌事故的露天礦邊坡，需要考察與分析有可能導(dǎo)致滑塌災(zāi)害發(fā)生的因素，采取必要措施將其發(fā)生的可能性降至最低；⑤針對已發(fā)生災(zāi)害的邊坡，需要采取錨桿、錨索、擋墻等措施進(jìn)行加固，在最大程度上降低滑體的下滑力。如果無法完成加固，需要對滑體作足夠徹底的清理；⑥依據(jù)露天礦邊坡安全等級選擇經(jīng)濟(jì)而高效的治理措施；⑦降雨和地下水對露天礦邊坡穩(wěn)定性會形成較大影響，因此需要對排水工程進(jìn)行合理配置，融合其他防治措施，促進(jìn)邊坡穩(wěn)定程度的提升。

5 結(jié)語

總而言之，對邊坡穩(wěn)定性的有效預(yù)估和控制，屬于保障露天銅礦工程順利開展的重要因素。相關(guān)工作人員應(yīng)該積極探索，以巖土工程為依托，融合各種現(xiàn)代高新科技，實(shí)現(xiàn)對邊坡穩(wěn)定性更為準(zhǔn)確的計算與分析，促進(jìn)國家礦產(chǎn)開發(fā)事業(yè)的發(fā)展，為國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)注入源源不斷的活力。