边坡稳定采矿讲稿.pptx

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1、一、绪论3、边坡分类（1）按成因自然边坡和人工边坡：天然的山坡和谷坡是自然斜坡，此类斜坡是在地壳隆起或下陷过程中逐渐形成的，这类运动今天可能还在继续。（自然滑坡）人为斜坡是人工使然的。挖方形成的坡称为开挖边坡；填方形成的称为构筑边坡，后者也常称为坝坡。这类斜坡的几何参数可人为控制。（2）按坡体介质土质边坡和岩石边坡：土是矿物或岩石颗粒和碎片的集合体，岩体是矿物的凝聚体两者在物料构成并无本质差别，差别在于结构。土体和岩体有完全不同的结构因此工程地质及水文地质以至力学特征差异显著。土体中颗粒的运动自由度远大于岩体颗粒的运动自由度，实际上岩体内颗粒要发生大的相对位移必须依靠岩体中的地质间断。地质间断

2、面也称为地质不连续面，它们也为岩体的富水及水在岩体中的运动提供了条件，岩体中的地下水类型主要是裂隐水，土体中遍布孔隙，地下水类型属于孔隙水。这些差异使岩质坡和土质坡的力学性能十分不同，边坡破坏的模式差别也十分显。第1页/共138页一、绪论（二）边坡稳定问题的提出以露天矿为例，介绍开挖边坡的形成及稳定性设计原则第2页/共138页一、绪论1、露采边坡的形成采用露天采矿法进行矿床开采时，圈入开采范围内的矿石和围岩被划分为系列等厚的分层按下行顺序进行开挖。我国金属矿山目前采用的均为水平分层，分层高多为1012m，这是由目前的采掘设备决定的。矿坑边坡并非一坡到底。事实上，为了生产和安生需要在坑坡上布置各

3、种平台。主要的平台是布设运输矿岩和设备的运输平台，此类平台的宽度取决于所选用的运输装备;安全平台用以缓冲边坡上掉落的岩碴，宽度不小于24m;清扫平台则用于清扫岩碴，宽度不小于6m。两平台间的坡面称为台阶坡面，台阶坡面角按坡体岩石的质量设计，最陡可达90。从最下部台阶坡面的坡趾到最上台阶坡面的坡肩的联线的倾角称为矿坑的总体边坡角。总体边坡角的陡缓关系到整个矿坑的全局稳定性和采矿企业的总体经济效益，应通过认真的地质力学经济分析比较加以确定。总体边坡角的实现将通过调整台阶来进行。通过台阶的并段和加陡台阶坡面角可使总体坡角加陡，较缓的总体坡角则可通过放缓台阶坡面角或加宽台阶来实现。矿坑通达外部运输干线

4、的出口处的标高称为封闭标高。高于封闭标高的采场称为山坡露天，低于封闭标高的采场称为凹陷露天。第3页/共138页一、绪论2、加陡边坡的意义和限制（1）加陡边坡的意义。对于露采边坡，几何要素的确定主要按安全、稳定和经济的原则加以设定，当开采深度恒定时，坡角的设计尤为重要。加陡边坡成了减少废石开挖和运输量、提高矿山经济效益的一个关键问题。第4页/共138页一、绪论（2）坡角与稳定的关系。对于凹陷露天开采，加陡边坡具有十分重要的经济效益，然而在给定坡高条件下能保持稳定的边坡最多能陡到什么程度呢？这显然取决于场地的工程与水文地质条件、施工技术以及边坡的服务年限等等。有一份显示坡高、坡角及稳定状态的重要资

5、料如图14所示，它们是克赖和勒通从实际的露天矿、采石场、坝基和路堑现场收集并经罗斯布朗加以补充而得到的。图中既包括稳定的边坡，又包括不稳定的边坡。这个图形表明，已成功地挖成的最高和最陡的边坡分布在图中很清晰的一条虚线上。这条曲线为一般露天矿设计中可加考虑的最高和最陡的边坡提供了一个实用的指导。更高更陡的边坡也并非没有可能，但只有通过非常广泛的稳定性研究，表明没有引起大规模边坡破坏的危险时才能这样做。但初学者不应忽略的是，虚线下也包含了许多不稳定边坡，虚线下的边坡并不总是稳定的。具体边坡的稳定性乃需具体分析，但采用虚线上的坡高与坡角参数值应慎之又慎。第5页/共138页一、绪论3、露天矿边坡角与稳

6、定系数的确定露天矿边坡角与稳定系数的确定 最佳边坡角的确定最佳边坡角的确定 使矿山在服务期限内，不发生大的滑坡、能取 得最大经济效益的最陡 边坡角。它包含剥离废 石的投入和维护边坡的 投入，两者之和最小时 的边坡角。第6页/共138页剥离量计算剥离量计算 矿脉出露地表，边坡角数 变陡增加至 时减少的剥离量为：当 时，式中，H平均开采深度（m）；L边坡角变化时的采场区段长度（m），第7页/共138页边坡角每增加边坡角每增加1 1，剥离量剥离量WW的的变化规律变化规律 1.煤矿和粘土矿的边坡角在20以以内内 我国无70以上的边坡角 金属矿山边坡角在30 60之之间间第8页/共138页 边坡稳定系数

7、K定义：稳定系数K=滑动面上的抗滑力（力矩）概率分析法（K为随机变量）Monta Carlo 模拟。作为刚体分析其沿滑动面的平衡状态。确定方法：极限平衡法（K为常量）将滑体/滑动力（力矩），K=R/S第9页/共138页K的取值建议：按边坡类型：1.土质边坡：1.2-1.3，2.岩质边坡：1.3-1.5 按边坡工程等级：一级1.3-1.5，二级1.05-1.3，三级1.05-1.15 按服务年限：T10年：1.1-1.2，10年 T 20年：1.5 法 国：Kmin=1.5-2.0 孙玉科：K=1.1-1.5 第10页/共138页（三）滑坡实例1、把关河灰石露天矿的顺层滑坡一、绪论第11页/共1

8、38页一、绪论第12页/共138页2、里伯蒂铜矿楔体滑坡一、绪论第13页/共138页一、绪论第14页/共138页一、绪论地下水和时间因素第15页/共138页3、金川露天镍矿的倾倒滑坡一、绪论第16页/共138页4、大冶铁矿尖山南废石堆弧形滑坡一、绪论第17页/共138页5、瓦杨水库库岸巨型滑坡一、绪论第18页/共138页一、绪论第19页/共138页一、绪论第20页/共138页6、导致滑坡的因素一、绪论第21页/共138页一、绪论（四）、开挖边坡稳定性设计步骤1、经验类比法边坡稳定性设计是露天矿设计的一个组成部分。过去我国矿山设计均以采矿系统和工艺设计为主，地质勘探工作主要着眼于矿量计算，只是在

9、十分特殊的情况下才给予场区工程和水文地质勘探以少量投资，故那时的边坡多按“经验类比法”设计。“经验类比法”是凭借设计者的个人经验，根据岩石物理力学特征及边坡高度等因素，由经验表格直接查出边坡角的经验值范围，然后再根据所设计的矿山与同类生产矿山进行各方面实际对比，决定取其上限值或下限值。设计部门初选边坡角时所用经验表格如表11所示。这种方法选定的边坡角值不甚精确。实践证明，据此选定的边坡角值偏于安全保守的较多，冒进大滑坡的较少。但这种方法比较简单，易于被采矿设计人员所掌握和应用。用此法设计边坡的设计周期也短。故过去经验类比法直是我国冶金矿山边坡设计广泛应用的一种方法由于人们认识客观规律的不同，选

10、取的边坡角必定存在人为的因索，对于同一矿山，不同人选取，就可能出现不同的选取值。更主要的是，有时选取的边坡角值与实际出入很大，造成矿山生产一段时间以后还得修改边坡设计。第22页/共138页第23页/共138页2、霍克布郎法一、绪论第24页/共138页第25页/共138页一、绪论第26页/共138页3 3、边坡设计与稳定性研究流程图、边坡设计与稳定性研究流程图第27页/共138页（五）、课程的主要内容1、边坡问题及滑坡实例（绪论）2、边坡稳定性分析方法3、边坡工程、水文地质建模4、边坡稳定性计算岩土体的抗剪强度极限平衡分析方法平面滑坡弧面滑坡楔体滑坡5、边坡的监测和滑坡预报6、稳坡7、废石堆稳定

11、一、绪论第28页/共138页二、边坡稳定性分析方法 1、刚体极限平衡分析法 刚体极限平衡分析法假设滑动面为平面、圆弧面、对数螺旋面和其它不规则曲面等形状，认为滑动面上的应力服从破坏条件，通过考虑由滑动面形成的隔离体的力或力矩平衡，确定边坡发生滑动的条件。第29页/共138页1.1 条分法 条分法方法首先假定边坡的潜在滑移面形状，将潜在滑移面以上岩土分为许多垂直条块，然后利用条块的静力平衡条件确定条块底部的法向力，达到确定潜在滑移面上的法向力的目的，进而确定整个滑移面上的剪切力，使边坡稳定性分析问题转化为静定问题。二、边坡稳定性分析方法第30页/共138页二、边坡稳定性分析方法 对条块间力的作用

12、方式、作用方向或作用点等的不同假定，条分法又有多种方法。如瑞瑞典典圆圆弧弧条条分分法法、毕毕肖肖普普法法、简简布布的的普普遍遍条条分分法法、斯斯宾宾塞塞法法和和摩摩根根斯斯坦坦-普普赖赖斯斯法法等。在相同的边界条件和力学参数情况下，采用不同的方法计算得到的边坡安全系数有一些差异。第31页/共138页二、边坡稳定性分析方法1.2分段对数螺线法 根据变分法原理，推导得到分层岩土边坡的潜在滑移面形状为分段对数螺线。由于分段对数螺线滑面上的法向应力与切向摩擦应力的合力对分段对数螺线极点不产生力矩，只有滑面上的粘聚力产生力矩。对分段对数螺线极点取力矩平衡求边坡稳定安全系数时，力矩与潜在滑面上的法向应力无

13、关，因此，不必用条分法确定潜在滑面上的法向应力，无需假定条块之间作用力大小、方向或作用点位置，此方法比圆弧滑动面条分法进了一步。第32页/共138页1.3 岩质边坡Sarma法 岩质边坡的失稳大多沿各种结构面发生，由于节理、断层等结构面不总是垂直的，这样传统条分法难以适用。Sarma博士针对节理岩体边坡失稳的特点，提出并推导了适应这种特点的分析计算方法。Sarma 法可根据滑体的地质特性和结构面构造，对滑体按节理构造进行斜分条及不等距分条，使各条块尽量模拟实际岩体节理、断层的产状和强度。滑体滑动时，滑动面上的各种力达到了极限平衡。Sarma 法在建立平衡方程时，考虑了水平地震加速度产生的惯性力

14、的影响。Sarma法在我国的边坡稳定性分析中得到了非常广泛的应用。二、边坡稳定性分析方法第33页/共138页1.4节理边坡的岩体结构分析与关键块体分析 岩体是由岩块和节理、断层等结构面共同组成的地质体，结构面对边坡的稳定性起着重要的控制作用。边坡的岩体结构分析通过结构面的地质统计分组，求得优势结构面，结合开挖面的方位，用赤平极射投影与实体比例投影相结合的方法，确定边坡岩块的稳定性。这种分析法适合于块裂结构岩体。二、边坡稳定性分析方法第34页/共138页1.5滑移线理论 传统的塑性力学滑移线理论用于确定平面滑移线，适合于摩尔-库仑强度准则和平面应变问题。滑移线理论比极限平衡理论严密，假定岩土为刚

15、塑性体和所有点都达到破坏，破坏以后可以无限地流动。滑移线理论只对岩土最后破坏状态进行研究，由静力平衡微分方程和强度准则联合求解岩土应力及特征线，没有考虑岩土的实际应力应变关系。除个别情况外，一般难以通过特征线得出理论解，大部分问题只能用差分法求解，目前尚无通用的差分法程序，只能针对具体问题编制相应程序。在分析实际问题时，较少用差分法按传统的滑移线理论求解。二、边坡稳定性分析方法第35页/共138页2、边坡稳定性的变形体分析方法 岩石是一种特殊的介质，具有裂隙等特征，其应力应变关系复杂且具有各向异性和非均匀性。边坡稳定性的刚体极限平衡分析方法没有考虑岩土的变形，对于弹性变形、塑性变形或流变变形较

16、大的土质及软弱岩体边坡，一般需计及变形的影响，这样刚体假设下的分析方法难以适用，而广泛采用有限单元法、边界单元法、离散元法和FLAC等模拟边坡的变形与破坏。二、边坡稳定性分析方法第36页/共138页2.1有限元单元法与边界单元法 有限单元法和边界单元法都是通用数值分析方法。有限单元法的基本思想是将连续介质离散为仅在节点铰结的有限个单元，荷载移植于节点，利用插值函数考虑连续条件，由力法或位移法求解应力场和位移场。二、边坡稳定性分析方法第37页/共138页 边界单元法将连续介质的边界离散为有限个单元，通过建立积分方程，求解介质内的应力场和位移场。在分析连续介质力学问题时，有限单元法和边界单元法必须

17、满足平衡方程、变形协调方程、本构方程和边界条件。该二种方法分析边坡稳定性问题，首先建立边坡数学模型，然后进行离散和求解得到满足控制方程和屈服条件的数值解。二、边坡稳定性分析方法第38页/共138页 经分析得到边坡计算范围内的位移和应力分布后，可确定边坡各单元局部安全系数。通过校核安全系数确定边坡破损区，根据破损区的位置和范围可以对边坡的稳定性进行评价。通过计算和比较指定潜在滑动面的总体安全系数，确定边坡最小安全系数和有最小安全系数的滑动面-最危险潜在滑移面。有限元单元法与边界单元法除可以考虑介质的变形外，还可考虑渗流效应、孔隙水压力、岩土流变、塑性屈服、材料硬化与软化等力学性态，可满足边坡稳定

18、性的精确分析。二、边坡稳定性分析方法第39页/共138页2.2 离散单元法 离散单元法是模拟非连续介质和离散介质受力、位移和破坏的一种数值分析方法，适用于非连续介质和大变形问题，可有效地分析节理裂隙发育岩体边坡的稳定性与滑动规律。二、边坡稳定性分析方法第40页/共138页 根据节理裂隙和结构面的产状，离散单元法将区域划分成有限个刚性的或非刚性的块体单元，单元之间满足角一角接触、角一边接触或边一边接触。随着单元的平移和转动，单元之间的接触关系可以发生变化甚至相互脱离。在相互接触的情况下，假设单元之间的相互作用力与它们的相对位移成正比，这种位移和力的作用规律相当于物理方程，有线性或非线性关系。二、

19、边坡稳定性分析方法第41页/共138页 如单元的合力和合力矩不等于零，则不平衡力和不平衡力矩使单元根据牛顿第二定律和的规律运动。块体的运动不是自由的，它会遇到邻接块体的阻力，块体单元可能最终达到平衡状态，也可能一直运动下去。计算按照时步迭代并遍历整个块体集合，直到对每一个块体都不再出现不平衡力和不平衡力矩为止。二、边坡稳定性分析方法第42页/共138页2.3快速拉格朗日分析(FLAC)或FLAC3D 数值模拟中的有限元和边界元方法都有小变形假设，近年来发展起来的快速拉格朗日分析（Fast Lagrangian Analysis of Continua 简称FLAC)，较好地吸取了上述方法的优点

20、和克服其缺点。FLAC 首先由Cundall在80年代提出并将其程序化、实用化。FLAC基本原理类同于离散单元法，却能像有限单元法那样对多种材料模式和有复杂边界条件的连续介质问题求解。二、边坡稳定性分析方法第43页/共138页 求解过程中FLAC采用动态松弛法，不需求解大型联立方程组，便于在微机上实现。同以往的差分分析相比，FLAC不但能处理一般的大变形问题，而且能模拟岩体沿某一弱面产生的滑动变形。FLAC还能针对不同材料特性，采用相应的本构方程来较真实地反映实际材料的力学行为。此外，该数值分析方法还可考虑锚杆、挡土墙等支护结构与围岩的相互作用，对不同岩性边坡的稳定性分析有很好的适应性。快速拉

21、格朗日分析在我国已有相当多的成功应用的实例。二、边坡稳定性分析方法第44页/共138页3、最危险滑动面随机模拟和边坡可靠性分析 边坡稳定性分析的最危险滑动面随机模拟理论也称之为Monte-Carlo或统计试验方法，它是一种通过对滑动面的随机模拟和统计试验，得到数学、物理和工程技术问题近似解的方法。最危险滑动面随机模拟应用随机模拟或随机搜索法，首先建立与所要解决问题有相似性的概率模型，然后对这种相似概率模型进行随机抽样模拟，使随机过程得以实现。边坡可靠性分析方法，考虑了众多影响边坡安全的不确定因素带来计算参数的离散分布,在边坡工程中，可靠度评价指标为边坡稳定概率和破坏概率。二、边坡稳定性分析方法

22、第45页/共138页4、边坡滑动面的自动搜索技术4.1 圆弧滑动面的自动搜索 通过对不同半径的滑动圆弧进行稳定性分析，对得到的有限个安全系数的计算比较，然后确定最小安全系数和有最小安全系数的危险滑面。4.2 滑动面搜索的变分法 边坡最危险滑动面搜索的变分法首先对滑体进行平衡分析，建立平衡方程，然后对建立的方程变分方程求解，求得边坡安全系数泛函的最小值，同时满足极限平衡方程。滑动面搜索。4.3 运动单元技术二、边坡稳定性分析方法第46页/共138页5、边坡稳定性分析的新理论与新方法 随着研究的不断深入，边坡稳定性分析的新理论和新方法不断出现，如滑坡系如滑坡系统非线性动力学，滑坡系统的自组织过程统

23、非线性动力学，滑坡系统的自组织过程分析，滑坡预测中的分形分维理论，岩质分析，滑坡预测中的分形分维理论，岩质边坡稳态灰色统计判别法，边坡稳态分析边坡稳态灰色统计判别法，边坡稳态分析的模糊极值理论，节理化边坡的失稳突变的模糊极值理论，节理化边坡的失稳突变分析，神经网络法，分析，神经网络法，信息优化处理法，信息优化处理法，边坡稳定性的智能岩石力学分析边坡稳定性的智能岩石力学分析等。二、边坡稳定性分析方法第47页/共138页三、边坡工程地质、水文地质建模（一）场区工程地质测绘1.岩土力学性能差异及原因岩体与土（矿物的凝聚体与岩石碎屑的集合体）岩体与岩块不同岩体之间：岩体作为种材料，其物理力学性能与它所

24、含的矿物成分、结晶程度和颗粒大小以及矿物的排列和充填方式有关。粒状和柱状矿物如石英、长石、角闪石及辉石等属于硬矿物，此类矿物含量愈多则岩石强度愈高，刚度愈大。片状和针状矿物如云母、粘土类矿物等属于软矿物，岩石中这类矿物含量愈高则强度愈低，刚度愈小。如果岩石所含矿物颗粒紧密嵌布且排列无定向，则其力学强度高且各向异性不显著。若所含片状矿物多且定向排列从而构成片理、板理成千枚理，就会显示强烈的各向异性。片状软矿物风化后可能形成极细微的片状粘粒。土体中细微粘粒含量高的就会构成粘土。粘土类土具有比粘粒含量低的砂土类土复杂得多的物理力学性能。第48页/共138页2.地质间断面及其分类（1）按成因：原生间断

25、它们是在岩体成生过程中形成的，如沉积岩中的层理，不整合及假整合、原生软弱夹层；岩浆岩中的接触面、岩脉、冷凝节理；变质岩中的片理、板理、片麻理及片状软弱矿物的富集带等。构造间断 它们是地壳构造运动的产物，如断层、节理、破碎带等。次生间断 如岩溶、原生和构造间断的泥化和弱化，风化裂隙、卸荷节理、爆破造成的破裂和裂隙等。(2)按延伸范围或规模大型地质间断其延展范围超过三个台阶。属于这类的地质间断的有：断层、破碎带、软弱夹层和泥化夹层、层间错动带、不整合面、岩层界面、破碎或软弱的接触面、风化蚀变岩脉等等。断层是这类地质间断的代表，故可称这类大型间断为断层级地质间断。小型地质间断其延展范围不超过三个台阶

26、，如节理、层理、片理和片麻理等等，以节理为代表，故可称为节理级的地质问断。节理这种地质间断还具有另一个特点，即它们在一段边坡中是成组地重复出现的，同组的节理大致平行。同时出现的节理群在几何上可以有两组甚至三组，岩体受多组节理切割后，运动自由度显著增加，破坏模式也将增加，但节理只能构成小型滑塌体。第49页/共138页3.原始地质资料的收集和现场踏勘需要收集的资料：（1）矿床勘探的综合地质报告及附图（获取方式，前期已经完成，可调用）、（2）矿区及其周边的地形、地物、水系、岩石露头等，并将它们与今后可能形成的矿坑联系起来（获取方式，现场踏勘）现场踏勘是家掌握和消化综合地质报告不可缺少的工作，更是为制

27、定服务于边坡研究的补充地质测绘工作计划不可缺少的，应该十分重视这项工作，而且这类工作往往需要反复进行多次。三、边坡工程地质、水文地质建模第50页/共138页4、露头测绘(1）断层级地质间断的追索要求将所有断层级地质间断都填入11000地质平面及剖面图中而不得遗漏，遗漏这类大型地质间断可能产生严重的后果。最易遗漏的断层是不穿过矿体的隐蔽断层。为追索这类断层应访问负贵矿区勘探的地质师。根据他们提供的线索再次进行踏勘，必要时可布置槽井探甚至钻探。(2)节理的测绘对一个矿坑而言断层级的间断为数有限，个别情况下甚至末发现断层，然而几乎没有无节理级间断的矿山。在节理级间断较为发育的矿山，节理间距可能只有十

28、几或几十厘米，幸而它们在几何上是成组出现的，同组的节理面近乎平行。对于这种总体很大的对象可通过抽样来了解。采样点通常布置在坡顶地面的露头上，如有地下坑洞也应在其中布置采样。抽样测量时需加观测和记录的内容为：测点或测线的位置和坐标 间断面的倾向和倾角 相邻间断面的间距 间断面的延展长度 间断面的开口宽度 间断面两壁间的充填物 间断面两壁的粗糙度 间断面的弯曲程度或平直度 间断面的干湿度间断面两壁的岩性第51页/共138页5.节理抽样测绘的方法第52页/共138页三、边坡工程地质、水文地质建模6.深部的补充钻探第53页/共138页三、边坡工程地质、水文地质建模7.地质间断面的图形展示（1）断层级地

29、质间断的填图断层级地质间断延展长度大，工程意义重要，必须全部填入工程地质图件，平面及剖面图（2）节理统计节理通常成组出现，它们的“平均”产状和分布规律可以用节理极点密度等值线图展示出来第54页/共138页1.地下水在岩土体中的赋存和运动（1）赋存水在土体中赋存于孔隙内，在岩体内赋存于裂隙之中，即各种地质间断之中，水在地表下的赋存情况如下图所示：三、边坡工程地质、水文地质建模（二）岩土体中的地下水第55页/共138页三、边坡工程地质、水文地质建模（2）运动（补给关系）第56页/共138页三、边坡工程地质、水文地质建模2.达西定律和流网（1）渗流现象：水流所在空间称为流场。一微小流团在流场中的流动

30、轨迹称为流迹。流场中的流动还常用流线描述，流线是一条由流场空间的几何点构成的曲线，微流团经过曲线上的点时，其流速矢量与流线在该点的切线方向一致。流动图案不随时间而改变的流动称为稳定流(或定常流)，随时间改变的为非稳定流。在稳定流条件下流迹与流线重合。流场中单位重量的流体具有的机械能称为水力势（总水头），记为H且以上公式中三项为别为高度头、压头和速度头，地下水在岩土体相互贯通的孔隙中流动，就渗流速度而言，每分钟0.6m已属相当大，这时的速度头项为0.006mm,这样的小值在工程上影响很小，可忽略。第57页/共138页三、边坡工程地质、水文地质建模（2）达西定律第58页/共138页流线与等势线的关

31、系：三、边坡工程地质、水文地质建模在等势线上在各向同性介质中，流线与等势线相互正交第59页/共138页三、边坡工程地质、水文地质建模（3）流网第60页/共138页三、边坡工程地质、水文地质建模手绘流网的方法和步骤分为4步，首先是绘出浸润线，其次是等势线，再次是流线，最后对所绘图案作适当调整，以使网元高宽比保持不变。第61页/共138页三、边坡工程地质、水文地质建模开挖边坡流网绘制实例第62页/共138页三、边坡工程地质、水文地质建模（4）流网在边坡分析中的应用：流网在边坡工程的下述三个重要方面有用。水压分布第63页/共138页三、边坡工程地质、水文地质建模渗透力第64页/共138页三、边坡工程

32、地质、水文地质建模涌水量估算第65页/共138页3.场区水文地质条件的识别(1)场区水源的调查场区的富水性取决于水源及泄水条件，水源有三：大气降水：应通过收集附近气象台站的降水资料加以了解。其中包括年降雨量、最大月降雨量，最大小时降雨量、10min雨强、暴雨持续时间等。这类资料不仅对坑坡而且对废石堆的稳定性和暴发矿山泥石流都有重要意义。许多滑坡均是在降水后发生的，值得十分重视。大型矿山企业应建立自己的气象站对降雨量作长期观测和统计。地面水：场区附近的水体如河川、湖塘、尾矿库、沟渠等有可能向矿坑渗水，应加以注意。地下水：富水岩层也有可能向矿坑补给水，在卡斯特发育区尤其如此，此时补给源可能运离矿区

33、。三、边坡工程地质、水文地质建模第66页/共138页三、边坡工程地质、水文地质建模(2)地层渗透性的识别地层的渗透性可用渗透系数表示，岩土体按其渗透性能的不同，可分为三大类，如表21所示，几种岩石材料和岩体的渗透系数如表22。第67页/共138页第68页/共138页上面所列的渗透系数值可供作边坡概念性设计时参考，但在岩体的水文地质环境复杂的场合，为较为精确地确定岩体的渗透性能，则需进行分层渗透系数的现场测量。分层渗透系数可通过钻孔逐段进行测定，通常用孔底段作为测试段，其布置方式如下图所示。测段以上可用套管或用竖管封闭，管下端接有栓塞，栓塞充气后即可将测试段与上部孔段隔离。常用的测试方法有降水头

34、测试法和常用头测试法两种，其它方法此处不作介绍。降水头法：试验孔到位后应首先冲洗，直至循环水中没有沉积物为止，然后监测管中水位直到它稳定，记此水位为HW，再安装栓塞并充气使隔出的试验段长度不小于3m，进而向孔中注水，使有逾量压头为he,然后停止注水并每分钟记录两次水位降落直至回到原始水位，这一过程通常历时1530min。三、边坡工程地质、水文地质建模第69页/共138页常水头法：准备工作与降水头法相同，只是达到逾量压头he后，继续向孔中注水，并调整注水量直到使逾量压头he保持恒定，使之保持恒定的流量记为q。降水头测验迅速简单费用低，但精度较差，如水位下降太快，就需要用常水头试验法。第70页/共

35、138页(3)承压含水层的识别如果坡体中存在着未经查明的承压含水层，一旦开采下延至使承压含水层与边坡之间的隔水地带受到扰动、损伤甚至破杯时，就有可能突发滑坡和突水事故。这类事实并不罕见。为提早发现这类隐患需要仔细研究外围的地质和水文地质环境，特别注意上升泉的出露和分布，如需钻探则需要首先拟定出钻探计划，长期观测可通过水压测量来进行。三、边坡工程地质、水文地质建模第71页/共138页三、边坡工程地质、水文地质建模（三）边坡滑塌模式的识别1.常见的边坡滑塌模式边坡分析力学方法，通常从微元的应力、应变及屈服、破裂开始，进而发展为全域性的破断。正在解决岩体力学问题中寻求应用，但没未成为定型。目前判别边

36、坡的稳定性广泛应用的仍然是古老的刚体极限平衡计算方法，此法易于为工程技术人员掌握，并允许他们在应用中充分考虑自己的工程经验和将更多的暂时尚不能理想化的因素纳入计算之中，由于此法巳为人们长期应用，故积累的经验和数据及判据也比较丰富，因此相对地比较成熟。采用极限平衡法分析边坡稳定性，要求事先确定可能失去平衡的潜在滑塌体及其滑动方式，然后确定驱使潜在滑体运动和阻止发生这种运动的力，如果后者大于前者，则潜滑体尽管存在但滑塌却不会发生，如果抗滑力小于致活力则潜滑体就会滑塌而成为实际滑体。识别潜滑体及其滑塌运动特征的工作称为滑扇模式识别，确定潜滑体是否发生滑塌的工作称为稳定性分析。第72页/共138页三、

37、边坡工程地质、水文地质建模（三）边坡滑塌模式的识别边坡破坏模式主要分为四种：平面滑坡、楔体滑塌、倾倒破坏及圆弧滑坡。不同的模式是由于开挖面与岩体中的地质间断面有不同的特定几何组合关系造成的。典型的平面滑坡的滑面通常是由沉积间断面或软弱夹层之类的地质间断面构成的。滑体的滑动方向与滑面倾向矢指向一致，故亦称为顺层滑坡。要发生这类滑动则滑体侧部还应有“释放面”，地质间断面及开挖面均可构成这种释放面，如图212所示。第73页/共138页楔体滑坡的滑面由两个相交切的地质间断面构成，它们与被面及坡顶面组合将岩体切割成为四面楔体，楔体的滑动方向与两滑面交线的倾向指向一致，前章所述里伯蒂铜矿的滑坡就是典型的楔

38、体滑坡。如果岩体具有薄层状结构或如玄武岩那样的柱状结构，倾角陡且倾向与边坡倾向相反，就可能产生所谓的倾倒破坏。常见的倾倒破坏有两种类型，即块体倾倒和弯曲倾倒，图213清楚地展示了这两类倾倒。发生倾倒破坏时，在坡顶面上常常出现一些大致平行于坡眉线的倒坎状张裂缝，颇具特色，小规模的倾倒破坏是岩坡破坏的常见类型之一。第74页/共138页土坡与岩坡不同，土坡中无控制性的地质间断，滑面的形成完全取决于土的力学性能。瑞典国在本世纪20年代末的钻探表，均质土中的滑面在剖面上接近圆弧形图a，这一成果已经得到公认。如底板较上覆材料坚固且起伏不平，则滑体可能分为数决，各块的滑面也为弧形b。强烈破碎的岩坡的滑塌模式

39、与土坡相似。第75页/共138页三、边坡工程地质、水文地质建模（三）边坡滑塌模式的识别几种破坏模式组合在一起构成复合破坏模式。如倾倒滑动复合破坏，图中边坡上段为土体，下段为倾向岩体内且倾角较陡的岩体，上段可能发生弧形滑坡而下段可能倾倒，二者相互制约或促进，这由具体条件决定。第76页/共138页（三）边坡滑塌模式的识别2.2.露天矿五种典型的位移模式露天矿五种典型的位移模式 变形过程变形过程 变形破坏模变形破坏模式式金川模型金川模型 反倾边坡的倾倒破坏反倾边坡的倾倒破坏葛洲坝模型葛洲坝模型 沿水平软弱层面的整体性滑动沿水平软弱层面的整体性滑动第77页/共138页 变形过程变形过程 变形破坏模变形

40、破坏模式式塘岩光模型塘岩光模型 顺层边坡的快速滑动破坏顺层边坡的快速滑动破坏白灰厂模型白灰厂模型 座落式平推滑动座落式平推滑动第78页/共138页 变形过程变形过程 变形破坏变形破坏模式模式盐池河模型盐池河模型 具有滑移倒塌特点的山崩具有滑移倒塌特点的山崩第79页/共138页（三）边坡滑塌模式的识别3.霍克布朗滑坡模式识别法利用赤平投影方法识别斜坡滑塌模式的步骤如下：1）任选适当半径作赤平圆，在圆上表明正北N的指向2）将断层及节理极点等值线图绘于赤平圆中，并绘出与这类地质间断面平均产状对应的大圆，在图中这些太圆弧用虚线表示并以D标明。3）用大圆弧绘出坡面F的产状，在图中这种弧以实线表示，联F弧

41、与赤平圆两交点的直径线可视为坡肩线B的示意。第80页/共138页（三）边坡滑塌模式的识别3.霍克布朗滑坡模式识别法第81页/共138页（三）边坡滑塌模式的识别3.霍克布朗滑坡模式识别法第82页/共138页建模的意义：掌握中国露天矿边坡工程地质模型，为新露天矿提供借鉴建模的依据：50余座大中型露天矿综合分析结果 块状岩体1、岩类 层状岩体 组合岩体2、结构面：发育程度、空间分布（三）边坡滑塌模式的识别4.中国露天矿边坡工程地质模型第83页/共138页4.1 块状岩体工程地质模型 断续块体工程地质模型 攀枝花矿区白马露天矿结构特点断层零星分布，主控结构不太发育，形 不成真正块体失稳形式某一结构面控

42、制的块体滑移或平面滑动主控结构面主控结构面第84页/共138页 单一软弱结构面控制的块体工程地质模型单一软弱结构面控制的块体工程地质模型 攀枝花矿区兰家火山露天矿结构特点断裂不太发育，主控结构面（节理）贯通性好，岩 体切割成块状，有一软弱断层或接触破碎带发育失稳形式单一软弱结构面构成滑体的后缘滑面，形成座落式 滑坡有一主控软弱有一主控软弱结构面结构面第85页/共138页单一软弱结构面的另一种破坏形式单一软弱结构面的另一种破坏形式如海州、大冶矿如海州、大冶矿第86页/共138页 双结构面组合块体工程地质模型双结构面组合块体工程地质模型 金川矿上盘西段结构特点有两组相交的结构面，交线倾向坡 外，倾

43、角小于3边坡角失稳形式楔形体滑动 如金川、如金川、大冶与大冶与平庄矿平庄矿第87页/共138页多组硬性结构面组合碎块体工程地质模型多组硬性结构面组合碎块体工程地质模型结构特点结构面发育硬性岩体，成碎块状失稳形式（1）追踪或滑移 （2）外动力作用下，呈碎屑或圆弧形滑动 如峨口、如峨口、德兴矿德兴矿第88页/共138页多组软弱结构面组合碎裂块体工程地质模型多组软弱结构面组合碎裂块体工程地质模型 金川矿碎裂结构结构特点受多组软弱结构面影响，岩体碎裂失稳形式（1）局部滑移或追踪滑移 （2）软弱结构面密集，易发生圆弧形滑移 如峨口、如峨口、德兴矿德兴矿结构面密集时结构面密集时发生圆弧滑移发生圆弧滑移组组

44、组组组组组组第89页/共138页4.2 层状岩体工程地质模型上硬下软层状岩体工程地质模型结构特点上硬下软形成危岩体，常见于上古生界、煤系等地层失稳形式上层覆岩作用下，软弱岩层变形，上部硬岩沿结构面开 裂，导致硬层崩滑 如如 平平 庄庄 矿矿上层硬岩沿上层硬岩沿 结构面开裂结构面开裂不均匀压缩不均匀压缩第90页/共138页顺坡层状岩体或顺坡层状碎裂岩体工程地质模型顺坡层状岩体或顺坡层状碎裂岩体工程地质模型结构特点层面发育并光滑，层间错动并有软弱夹层失稳形式构成边坡时会发生顺层滑动第91页/共138页顺坡陡倾片状岩体工程地质模型顺坡陡倾片状岩体工程地质模型结构特点岩层陡倾与边坡接近，常见于千枚岩、

45、片 岩及薄层板岩失稳形式在重力作用下，岩层变形与破坏顺坡顺坡如如峨峨口口矿矿第92页/共138页反坡陡倾层状碎裂工程地质模型反坡陡倾层状碎裂工程地质模型结构特点层间错动且软弱夹层发育，与边坡形成反 倾关系，常见于沉积岩和变质岩区失稳形式倾倒反坡反坡金金川川矿矿第93页/共138页4.3 组合岩体工程地质模型块状岩体与层状碎裂岩体组合工程地质模型 金川矿结构特点原层岩与层状碎裂带与片岩共生，常见于 变质岩区失稳形式一点破坏造成整个边坡变形破坏块状结构组合块状结构组合反倾层状反倾层状 碎裂结构碎裂结构第94页/共138页层状岩体叠加反坡陡倾状碎裂岩体工程地质模型层状岩体叠加反坡陡倾状碎裂岩体工程地

46、质模型 红旗岭镍矿红旗岭镍矿结构特点原层状碎裂结构，叠加更为软弱的反坡向 断层岩组失稳形式倾倒变形层状结构层状结构反坡陡倾状反坡陡倾状碎裂结构碎裂结构倾倒变形倾倒变形第95页/共138页（三）边坡滑塌模式的识别5.矿坑地质特征及边坡工程综合平面图结束矿床勘探式作后绘制的矿区综合地质平面图是研究矿坑边坡问题的基本起点之一。边坡研究所得成果将对此图作出补充修改，补充完毕后的图件就成为了“矿坑地质特征及边坡工程综合平面图”，修改补充工作包含的内容大致如下：(1)将边坡的轮廓绘入此图之中，主要是坡顶的边界、坑底的边界。坡顶边界以外一定宽度范围内不应有地质空白，若有空白则应在研究边坡问题时予以补填。(2

47、)断层级的大型地质间断应填人此图之内；踏勘和测绘过程中布置的钻孔和坑、槽探及详细线位置应加绘在图上，新发现的重要地质现象亦应加绘在图中。(3)整个边坡应划分为若干扇形区，对各扇形区进行地质间断测绘的结果应整理为赤平投影极点集中图摆在此图上，各扇形区的富水及透水性也应予以标明。(4)各扇形区的潜在滑塌模式可用霍克图解法加以标明。(5)上述图件可作为稳定分析的基础，分析的结果将对上述图体的边坡轮廓作出修改，于是需要新绘轮廓。(6)修改后的加固段、排水工程、边坡监测点等也应加绘于上述图件之中。第96页/共138页第97页/共138页6露天边坡稳定性初步评价（可行性阶段）第98页/共138页第99页/

48、共138页四、边坡的稳定性计算第一节、岩土体的抗剪强度1.问题的提出识别潜滑塌体（滑塌体的几何构成和滑塌运动模式）潜滑塌体是否发生滑塌及如何防止滑塌矿山边坡岩质边坡土质边坡砂质土边坡粘性土边坡第100页/共138页为了完成边坡稳定性计算，需重点探讨由地质间断的抗剪强度节理化岩体的抗剪强度砂质土及粘性土的抗剪强度提供的阻抗力的定量问题。第101页/共138页2.剪切试验（一）室内试验（1）直剪第102页/共138页第103页/共138页（2）三轴剪第104页/共138页（二）野外试验岩体的原位试验第105页/共138页土体的原位试验，十字板剪切试验第106页/共138页3.库伦定律砂性土粘性土第

49、107页/共138页第108页/共138页4.太沙基有效应力定律第109页/共138页5.节理的抗剪强度（一）帕通(Patton)模型第110页/共138页第111页/共138页(二）巴顿(Barton)的经验公式第112页/共138页第113页/共138页（三）充填物对节理抗剪强度的影响第114页/共138页第115页/共138页第116页/共138页6.节理岩体的强度（一）霍克布朗强度准则第117页/共138页（一）霍克布朗强度准则在边坡工程中的应用第118页/共138页第119页/共138页第120页/共138页第121页/共138页第二节极限平衡分析与安全系数1两种主要的安全系数定义：

50、（1）抗滑力（矩）与致滑力（矩）的比值（2）折减系数法，使剪切强度参数降低的系数以便使潜在的滑体保持极限平衡状态。2.安全系数的取值问题第122页/共138页第三节平面坡稳定性计算边坡几何要素第123页/共138页潜滑体受力分析第124页/共138页安全系数图解法第125页/共138页第126页/共138页第127页/共138页第四节圆弧滑坡稳定性计算一、瑞典法问题的关键在于如何确定剪应力的分布！第128页/共138页费伦纽斯提出用条分法来考虑滑面上的应力分布问题，建议将滑体划分为有限个竖直的计算条块。不计水的作用：考虑水的作用：第129页/共138页二、毕肖普法及简化毕肖普法（Bishop)