D0I:10.13374/1.issm100103.2008.03.004 第30卷第3期 北京科技大学学报 Vol.30 No.3 2008年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar,2008 高陡边坡滑坡的潜在影响因素分析及安全评价 余伟健高谦张延凯翟淑花 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要针对厂坝露天矿高陡边坡滑坡的可能性和影响因素的不确定性，根据现场调查资料及监测数据，首先分析了影响边 坡滑坡的五个潜在影响因素，并通过正交实验找出了关键影响因素，分析了影响滑坡的关键作用路径：然后进行回归分析，获 得了影响因素与位移矢量间的拟合函数，并在极限状态下数值计算得出一系列岩体强度参数及其对应的位移和安全系数·最 终获得了岩体参数和位移矢量之间以及安全系数和位移矢量之间的拟合函数.研究表明，该边坡安全系数在1左右，处于较 不稳定状态，应加强监测 关键词高陡边坡：滑坡：作用因素：安全评价：正交实验 分类号TD164+.2:TD854.6 Potential influencing factors analysis and safety evaluation on the landslide of high and steep slope YU Weijian,GAO Qian,ZHA NG Yankai,ZHAI Shuhua School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT Aimed at the landslide possibility and influencing factors'uncertainty of high and steep slope in Changba Opencast Mine of China,five potential influencing factors of slope landslide were firstly investigated based on field investigation and monitoring data.The key factors were analyzed by means of orthogonal experiment and the key mechanism paths acting on the slope were dis- cussed.Then the fitting function between the influencing factors and displacement was obtained by regress method.A series of rock strength parameters,their corresponding displacements and safety coefficients were computed out in limit state.In the end,the fit- ting functions between rock strength parameters and displacement and between safety coefficients and displacement were presented. The results show that the safety coefficients approach 1.which indicates that the slope is in unstable state and the monitoring should be enhanced. KEY WORDS high and steep slope:landslide:effect factor:safety assessment:orthogonal experiment 高陡边坡存在滑坡的可能性比一般边坡大，一 潜在影响因素进行针对性地分析·评价岩体影响因 旦发生滑坡，其危害性很严重，规模性非常大·为了 素一般依据监测手段，但是由于影响岩体的因素是 避免灾害的发生或减轻损失，事先对影响边坡稳定 复杂多变的，事实上也不可能完全依据监测手段就 性的关键影响因素和作用机理做出正确的评价是非 能准确测定各个参数和影响因素，目前正交设计已 常必要的，目前边坡稳定性一般采用极限平衡法、 经广泛应用于各种工业技术当中，表现出了越来越 可靠度理论及弹塑性理论等方法，这些方法都适用 突出的优点，它是一种解决多因素实验的方案，其优 于分析滑坡的长期预报，并能较准确地分析边坡的 点在于仅通过少量的实验就能获得大量的信息，做 稳定性)]，但是应用这些方法分析边坡的稳定性 出正确的决策[]，因此，正交实验为分析边坡的主 时，很难确切地评价和确定各种影响因素，导致所建 要潜在影响因素提供了一种有效的手段，另外，为 立的平衡方程并不十分精确，因此有必要对滑坡的 分析边坡滑坡的形成机理，Hudson提出的RES理 收稿日期：2006-12-24修回日期：2007-04-05 论的关键机理路径分析[91提供了可靠有效的评 基金项目：白银集团公司资助项目(N。,200602) 价手段 作者简介：余伟健(1978-)，男，博士研究生：高谦(1956一)，男， 因此，本文在现有监测数据的基础之上，应用正 教授，博士生导师 交实验和机理路径分析方法找出主要影响因素及关
高陡边坡滑坡的潜在影响因素分析及安全评价 余伟健 高 谦 张延凯 翟淑花 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 摘 要 针对厂坝露天矿高陡边坡滑坡的可能性和影响因素的不确定性根据现场调查资料及监测数据首先分析了影响边 坡滑坡的五个潜在影响因素并通过正交实验找出了关键影响因素分析了影响滑坡的关键作用路径；然后进行回归分析获 得了影响因素与位移矢量间的拟合函数并在极限状态下数值计算得出一系列岩体强度参数及其对应的位移和安全系数．最 终获得了岩体参数和位移矢量之间以及安全系数和位移矢量之间的拟合函数．研究表明该边坡安全系数在1左右处于较 不稳定状态应加强监测． 关键词 高陡边坡；滑坡；作用因素；安全评价；正交实验 分类号 TD164＋∙2；TD854∙6 Potential influencing factors analysis and safety evaluation on the landslide of high and steep slope Y U WeijianGA O QianZHA NG Y ankaiZHAI Shuhua School of Civil and Environmental EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT Aimed at the landslide possibility and influencing factors’uncertainty of high and steep slope in Changba Opencast Mine of Chinafive potential influencing factors of slope landslide were firstly investigated based on field investigation and monitoring data．T he key factors were analyzed by means of orthogonal experiment and the key mechanism paths acting on the slope were discussed．T hen the fitting function between the influencing factors and displacement was obtained by regress method．A series of rock strength parameterstheir corresponding displacements and safety coefficients were computed out in limit state．In the endthe fitting functions between rock strength parameters and displacement and between safety coefficients and displacement were presented． T he results show that the safety coefficients approach1which indicates that the slope is in unstable state and the monitoring should be enhanced． KEY WORDS high and steep slope；landslide；effect factor；safety assessment；orthogonal experiment 收稿日期：2006-12-24 修回日期：2007-04-05 基金项目：白银集团公司资助项目（No．200602） 作者简介：余伟健（1978—）男博士研究生；高 谦（1956—）男 教授博士生导师 高陡边坡存在滑坡的可能性比一般边坡大一 旦发生滑坡其危害性很严重规模性非常大．为了 避免灾害的发生或减轻损失事先对影响边坡稳定 性的关键影响因素和作用机理做出正确的评价是非 常必要的．目前边坡稳定性一般采用极限平衡法、 可靠度理论及弹塑性理论等方法这些方法都适用 于分析滑坡的长期预报并能较准确地分析边坡的 稳定性［1—7］．但是应用这些方法分析边坡的稳定性 时很难确切地评价和确定各种影响因素导致所建 立的平衡方程并不十分精确因此有必要对滑坡的 潜在影响因素进行针对性地分析．评价岩体影响因 素一般依据监测手段但是由于影响岩体的因素是 复杂多变的事实上也不可能完全依据监测手段就 能准确测定各个参数和影响因素．目前正交设计已 经广泛应用于各种工业技术当中表现出了越来越 突出的优点它是一种解决多因素实验的方案其优 点在于仅通过少量的实验就能获得大量的信息做 出正确的决策［8］．因此正交实验为分析边坡的主 要潜在影响因素提供了一种有效的手段．另外为 分析边坡滑坡的形成机理Hudson 提出的 RES 理 论的关键机理路径分析［9—10］ 提供了可靠有效的评 价手段． 因此本文在现有监测数据的基础之上应用正 交实验和机理路径分析方法找出主要影响因素及关 第30卷 第3期 2008年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．3 Mar．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．03．004
228 北京科技大学学报 第30卷 键影响机理路径，通过数值模拟方法对厂坝铅锌矿 矿区地形复杂，山势陡峭，山高沟深，露天采场四周 边坡在极限状态下进行数值计算分析，由多元回归 为高陡边坡环绕.露天采场最终标高为1058m,地 方法得出了稳定状态拟合函数，从而达到准确评价 下采深为602m,北帮边坡1610m以上台阶面坡角 滑坡的主要潜在影响因素和安全性， 为50°，1610~1586m之间为56°，1574m以下为 63°，边帮最终平均坡角为48°.在1502m有个平 1工程地质概况 台，已经出现较显著的张裂缝，此边坡为我国目前 厂坝铅锌矿是一座大型铅锌矿床，过去20多年 最高的露天矿山边坡之一，边坡岩体参数见表1，边 来一直采用露天开采，目前正由露天转向地下开采. 坡剖面见图1所示. 表1北帮边坡岩体计算参数 Table 1 Rock parameters of north side slope 标高/ 岩层 粘聚力， 内摩擦角 抗拉强度， 抗压强度， 弹性模量： 泊松比， 岩性 C/MPa /( G/MPa G/MPa E/GPa 1702-1622 风化大理岩 0.309 31.3 0.022 2.77 2.00 0.15 1702-1536 中粒大理岩 0.721 33.3 0.059 5.30 4.09 0.24 1536~1322 石英片岩 0.910 34.5 0.080 9.75 6.27 0.28 1322-1268 黑云母片岩 1.020 28.9 0.054 6.66 4.36 0.23 1268-1058 矿体 0.745 40.1 0.014 16.20 10.14 0.22 (1)张剪性节理组：其优势面产状为300°~ 风化大理岩 330°/SW∠75°∠88°，与北坡岩层面产状(236°~ 中粒大理岩 240°/SW∠75°~∠88)成锐角相交，节理表现有两 1502平台 类节理性质，既有剪切滑动性质，又有张应力特点， 石英片岩 黑云母片岩 此类节理出现频率为3~10m/条 矿体、 (2)剪性节理组：优势面产状为20°~30°/SE 采场 ∠60°~84°，在黑云母石英片岩及石英片岩组中发 育，将岩体切割成许多小块，岩块之间容易产生相对 图1北帮边坡剂面示意图 滑移，主要表现为滑动性质，此类节理组出现频率 Fig.1 Section sketch map of north side slope 为5~30m/条. (3)张性节理组：优势面产状0°~20°/NW 2潜在因素分析 ∠70°~80°，节理极发育，产状与坡体岩层近于垂 直，节理内有泥质充填物，并表现为张拉特性，该组 2.1边坡坡面产状 节理出现频率为每5~15m/条 高陡边坡的主要特点就是边坡高度高，倾角大 (4)小型压扭性断层组：边坡岩体还包含着一 而陡，有的岩体呈垂直甚至临空状态，具有自重惯性 些小型压扭性断层，一般产状为30°~60°/NW∠60° 力的作用，沿着原有的不连续面发生拉张开裂和错 85°，出现频率平均为30~50m/条，这些断层对 动，具有下滑的趋势，如果区域最大构造应力方向 岩体主要起着切割作用，将坡面岩体切割成一些楔 与边坡走向近于平行的条件下，构造应力相对集中 形滑体 区将会引起深部断层等破裂带的张裂变形，导致边 综上所述，岩体构造对边坡的主要影响作用表 坡岩体产生深部拉裂破坏，另外，在上部坡体的压 明在以下三个方面：①张剪性节理、张性节理和小型 力下，坡脚岩性相对软弱的岩层产生较大的流变并 压扭性断层都和边坡岩层形成一定角度，将岩体切 向坡面产生一定的挤出，从而使坡脚产生压密和坡 割成楔形滑体，这种滑体易沿平面滑动，使边坡失 体上部产生拉张变形 稳；②剪性节理和张剪性节理将岩体切割成小岩块， 2.2岩体构造 而各岩体之间容易产生相对滑移；③节理和小断层 在北帮边坡，对边坡稳定性影响比较大的主要 的充水性都较强，致使边坡的岩体风化、泥化严重， 有三组节理裂隙组和一些小断层，具体如下， 并有泥质充填物，弱化了岩体强度，因此，复杂的地
键影响机理路径通过数值模拟方法对厂坝铅锌矿 边坡在极限状态下进行数值计算分析由多元回归 方法得出了稳定状态拟合函数从而达到准确评价 滑坡的主要潜在影响因素和安全性． 1 工程地质概况 厂坝铅锌矿是一座大型铅锌矿床过去20多年 来一直采用露天开采目前正由露天转向地下开采． 矿区地形复杂山势陡峭山高沟深露天采场四周 为高陡边坡环绕．露天采场最终标高为1058m地 下采深为602m．北帮边坡1610m 以上台阶面坡角 为50°1610～1586m 之间为56°1574m 以下为 63°边帮最终平均坡角为48°．在1502m 有个平 台已经出现较显著的张裂缝．此边坡为我国目前 最高的露天矿山边坡之一边坡岩体参数见表1边 坡剖面见图1所示． 表1 北帮边坡岩体计算参数 Table1 Rock parameters of north side slope 标高／ m 岩层 岩性 粘聚力 C／MPa 内摩擦角 ●／（°） 抗拉强度 σc／MPa 抗压强度 σt／MPa 弹性模量 E／GPa 泊松比 μ 1702～1622 风化大理岩 0∙309 31∙3 0∙022 2∙77 2∙00 0∙15 1702～1536 中粒大理岩 0∙721 33∙3 0∙059 5∙30 4∙09 0∙24 1536～1322 石英片岩 0∙910 34∙5 0∙080 9∙75 6∙27 0∙28 1322～1268 黑云母片岩 1∙020 28∙9 0∙054 6∙66 4∙36 0∙23 1268～1058 矿体 0∙745 40∙1 0∙014 16∙20 10∙14 0∙22 图1 北帮边坡剖面示意图 Fig．1 Section sketch map of north side slope 2 潜在因素分析 2∙1 边坡坡面产状 高陡边坡的主要特点就是边坡高度高倾角大 而陡有的岩体呈垂直甚至临空状态具有自重惯性 力的作用沿着原有的不连续面发生拉张开裂和错 动具有下滑的趋势．如果区域最大构造应力方向 与边坡走向近于平行的条件下构造应力相对集中 区将会引起深部断层等破裂带的张裂变形导致边 坡岩体产生深部拉裂破坏．另外在上部坡体的压 力下坡脚岩性相对软弱的岩层产生较大的流变并 向坡面产生一定的挤出从而使坡脚产生压密和坡 体上部产生拉张变形． 2∙2 岩体构造 在北帮边坡对边坡稳定性影响比较大的主要 有三组节理裂隙组和一些小断层具体如下． （1） 张剪性节理组：其优势面产状为300°～ 330°／SW∠75°～∠88°与北坡岩层面产状（236°～ 240°／SW∠75°～∠88°）成锐角相交节理表现有两 类节理性质既有剪切滑动性质又有张应力特点． 此类节理出现频率为3～10m／条． （2） 剪性节理组：优势面产状为20°～30°／SE ∠60°～84°在黑云母石英片岩及石英片岩组中发 育将岩体切割成许多小块岩块之间容易产生相对 滑移主要表现为滑动性质．此类节理组出现频率 为5～30m／条． （3） 张性节理组：优势面产状 0°～20°／NW ∠70°～80°节理极发育产状与坡体岩层近于垂 直节理内有泥质充填物并表现为张拉特性．该组 节理出现频率为每5～15m／条． （4） 小型压扭性断层组：边坡岩体还包含着一 些小型压扭性断层一般产状为30°～60°／NW∠60° ～85°出现频率平均为30～50m／条．这些断层对 岩体主要起着切割作用将坡面岩体切割成一些楔 形滑体． 综上所述岩体构造对边坡的主要影响作用表 明在以下三个方面：①张剪性节理、张性节理和小型 压扭性断层都和边坡岩层形成一定角度将岩体切 割成楔形滑体这种滑体易沿平面滑动使边坡失 稳；②剪性节理和张剪性节理将岩体切割成小岩块 而各岩体之间容易产生相对滑移；③节理和小断层 的充水性都较强致使边坡的岩体风化、泥化严重 并有泥质充填物弱化了岩体强度．因此复杂的地 ·228· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第3期 余伟健等：高陡边坡滑坡的潜在影响因素分析及安全评价 .229 质构造对边坡失稳是直接作用之一， 计算值基本上接近于实际监测值，最大误差不超过 2.3爆破动压 0.04,因此此计算能反映边坡的实际变形情况， 矿体矿柱回收采用上盘拉槽方式，逐步向下盘 表2数值分析的计算参数及水平 回采的顺序形成大空场，使空区上部应力逐步释放， Table 2 Computing parameters and levels for numerical analysis 大爆破一次完成，暴露顶板面积达2000m2以上， 影响因素 影响程度 参数水平 大爆破已经对边坡造成不同程度的影响，如坡顶张 构造简单 1 裂缝加大，不断有小块石头滑下等.由于爆破采动 岩体构造(A) 小节理组 2 影响，边坡的稳定性大大降低，局部台阶发生了滑 大张拉结构面 塌，采用收敛计监测表，当发生大爆破时，日位移达 很小或无 1 到5mmd,张裂缝达到45~55m,滑体延展深度 爆破动压(B) 工作面小爆破 2 100~120m,因此，爆破动压是直接诱导边坡滑坡 放顶强爆破 3 的内在动力 干 2.4水的渗透 渗透情况(C) 下小雨 2 边坡石英片岩体属弱含水岩系，根据钻孔揭露， 下大或暴雨 3 未见地下水，水文地质条件属简单类型，也未见有 无 1 发育承压水，但是由于裂隙极为发育，导水性很强， 风化程度(D) 风化成块体 钻机钻进时，注水不返水，水顺坡体渗出，该地区为 风化成松散泥 湿润多雨气候，七、八月份为阴雨连绵季节。由于雨 水的渗透，产生渗透压力并弱化岩体强度，也对滑坡 表3正交实验方案表 起到了直接引诱作用，曾多次发生滑坡，因此，水的 Table 3 Orthogonal experiment projects 渗透加剧了处于极限平衡状态的坡体向不平衡状态 最大位移速率/(mmd一) 方案 A B D 发展，导致了坡体的稳定性降低 计算值实际监测值 2.5风化岩体 1 1 11 1 0.91 0.89 风化对边坡的影响主要发生在边坡的上部及构 2 122 2 2.35 2.32 造带周围，风化后的原岩强度大大降低，局部成松散 3 13 3 8.26 8.30 体.在边坡开挖使原有的自然平衡破坏后，类似于 21 2.12 2.08 土体成圆柱体滑下，规模不大.但是在一定程度上 22 3 1 5.16 5.10 也是影响边坡稳定的重要因素 2 3 5.09 5.12 3滑坡的潜在作用路径分析 3 3 5.87 5.84 3 2 3 5.45 5.55 3.1正交实验及关键影响因素 3 3 2 1 6.78 6.75 针对一些起关键作用的因素进行研究，需要找 出关键影响因素，采用正交实验进行数值分析，据 四极差R的绝对值 现场调查及分析，边坡坡面产状为一确定值，因此只 ☑调整R'的绝对值 考虑潜在因素中的四个因素，即岩体构造(A)、爆破 采动动压(B)、雨水的渗透情况(C)、岩体风化程度 B D (D)·各因素的计算参数如表2. 影响因子 本次实验采用四因素三水平正交分析，即每个 影响因素有三个可选取的值进行研究，并至少要进 图2各因素的极差绝对值及调整绝对值（调整R'为实际监测值 与其加权平均值的极差) 行九次正交实验，即为L9(34)正交实验表（见表3）， Fig.2 Absolute values of R and R of factors 当进行正交实验时，应用表2中的计算参数，并根据 表3中的九个方案分别进行数值分析计算，同时对 从图2中可以看出，爆破采动动压(B)和雨水 比现场监测数据，可得到各方案的最大位移速率、各 的渗透情况(C)的极差R和调整R的绝对值较大， 因素的极差值和影响总和，实验结果见表3和 因此这两个因素是影响边坡稳定性的关键性因素， 图2一4所示，从表3中可以看出，最大位移速率的 其次是岩体构造，而风化程度不是关键的因素，再
质构造对边坡失稳是直接作用之一． 2∙3 爆破动压 矿体矿柱回收采用上盘拉槽方式逐步向下盘 回采的顺序形成大空场使空区上部应力逐步释放 大爆破一次完成暴露顶板面积达2000m 2 以上． 大爆破已经对边坡造成不同程度的影响如坡顶张 裂缝加大不断有小块石头滑下等．由于爆破采动 影响边坡的稳定性大大降低局部台阶发生了滑 塌．采用收敛计监测表当发生大爆破时日位移达 到5mm·d —1张裂缝达到45～55m滑体延展深度 100～120m．因此爆破动压是直接诱导边坡滑坡 的内在动力． 2∙4 水的渗透 边坡石英片岩体属弱含水岩系根据钻孔揭露 未见地下水．水文地质条件属简单类型也未见有 发育承压水．但是由于裂隙极为发育导水性很强 钻机钻进时注水不返水水顺坡体渗出．该地区为 湿润多雨气候七、八月份为阴雨连绵季节．由于雨 水的渗透产生渗透压力并弱化岩体强度也对滑坡 起到了直接引诱作用曾多次发生滑坡．因此水的 渗透加剧了处于极限平衡状态的坡体向不平衡状态 发展导致了坡体的稳定性降低． 2∙5 风化岩体 风化对边坡的影响主要发生在边坡的上部及构 造带周围风化后的原岩强度大大降低局部成松散 体．在边坡开挖使原有的自然平衡破坏后类似于 土体成圆柱体滑下规模不大．但是在一定程度上 也是影响边坡稳定的重要因素． 3 滑坡的潜在作用路径分析 3∙1 正交实验及关键影响因素 针对一些起关键作用的因素进行研究需要找 出关键影响因素．采用正交实验进行数值分析．据 现场调查及分析边坡坡面产状为一确定值因此只 考虑潜在因素中的四个因素即岩体构造（A）、爆破 采动动压（B）、雨水的渗透情况（C）、岩体风化程度 （D）．各因素的计算参数如表2． 本次实验采用四因素三水平正交分析即每个 影响因素有三个可选取的值进行研究并至少要进 行九次正交实验即为 L9（34）正交实验表（见表3）． 当进行正交实验时应用表2中的计算参数并根据 表3中的九个方案分别进行数值分析计算同时对 比现场监测数据可得到各方案的最大位移速率、各 因素的极差值和影响总和实验结果见表 3 和 图2～4所示．从表3中可以看出最大位移速率的 计算值基本上接近于实际监测值最大误差不超过 0∙04因此此计算能反映边坡的实际变形情况． 表2 数值分析的计算参数及水平 Table2 Computing parameters and levels for numerical analysis 影响因素 影响程度 参数水平 构造简单 1 岩体构造（A） 小节理组 2 大张拉结构面 3 很小或无 1 爆破动压（B） 工作面小爆破 2 放顶强爆破 3 干 1 渗透情况（C） 下小雨 2 下大或暴雨 3 无 1 风化程度（D） 风化成块体 2 风化成松散泥 3 表3 正交实验方案表 Table3 Orthogonal experiment projects 方案 A B C D 最大位移速率／（mm·d —1） 计算值 实际监测值 1 1 1 1 1 0∙91 0∙89 2 1 2 2 2 2∙35 2∙32 3 1 3 3 3 8∙26 8∙30 4 2 1 2 3 2∙12 2∙08 5 2 2 3 1 5∙16 5∙10 6 2 3 1 2 5∙09 5∙12 7 3 1 3 2 5∙87 5∙84 8 3 2 1 3 5∙45 5∙55 9 3 3 2 1 6∙78 6∙75 图2 各因素的极差绝对值及调整绝对值（调整 R′为实际监测值 与其加权平均值的极差） Fig．2 Absolute values of R and R′of factors 从图2中可以看出爆破采动动压（B）和雨水 的渗透情况（C）的极差 R 和调整 R′的绝对值较大 因此这两个因素是影响边坡稳定性的关键性因素 其次是岩体构造而风化程度不是关键的因素．再 第3期 余伟健等： 高陡边坡滑坡的潜在影响因素分析及安全评价 ·229·
.230 北京科技大学学报 第30卷 25r 此外，较远处坡体本身也或多或少地受到一些爆破 ◆一岩体构造(A) 20 动压作用，因此，爆破动压也是如此连续而并行地 -士·渗透情况(C) 作用，影响着岩体的强度，并引起坡面位移的变化 综上所述，可以把作用机理路径表示为图5， 量一爆玻动压(B 5 “一风化程度D) 坡面位移 增大 整体岩体强度 参数水平 减弱 增大 岩体张拉结构 增大 图3影响因素的各参数水平的影响总和 Fig.3 Effect summation of parameters levels of factors 不连续面 不连续面] 张开 1张开 根据实验结果中的影响总和（各参数水平对边坡稳 爆破动压 水的渗透 定性的综合影响结果值，见图3)可以看出，爆破动 图5作用机理路径 压、渗透情况和岩体构造的第3参数水平值依次最 Fig.5 Effect mechanism paths 大，这说明当进行大爆破、大雨或中雨的天气，在大 张拉结构面的岩体中发生滑坡的可能性最大，也是 4边坡安全评价 最危险的，需加强监测并及时采取支护或防预措施， 3.2作用路径分析 4.1影响因素与位移的拟合函数分析 导致边坡滑坡的各个因素是一种连续的作用过 为了量化影响因素与位移的关系，借助于现有 程，而这种连续作用过程又是通过机理路径发生的， 的监测数据（部分数据见表3）进行拟合分析得出的 即一个变量（动因变量）与另一变量（效果变量）联系 拟合函数为： 的一系列机理.一旦进行了扰动，路径中全部机理 D=1.17A+1.87B+1.23C+0.5D-4.93(1) 将连续起作用，并引起效果变量的响应，而且可能有 式中，D为边坡面在一天中的最大位移，mm;A、 许多这样机理路径并行作用，如图4可以说明这样 B、C和D分别为岩体构造、爆破采动动压、雨水渗 一个机理路径：在岩体构造很发育的情况下，首先， 透情况、岩体风化程度的影响程度（各量取值见 大量的水渗透到岩体裂隙中，降低了不连续面强度， 表2)· 从而也大大降低了岩体自身的强度；然后，较低强度 从式(1)也可以看出B和C变量的系数最大， 又引起不连续面的较大剪切作用，较大剪切作用又 足以证明它们对位移量起到了关键性的作用，经过 引起了边坡向外产生大的位移；最后导致滑坡的产 几个月的现场监测，收录了大量数据，这和计算数据 生·另外，由于该地下采矿工作是采用大爆破一次 基本上是相符的·部分数值对比见拟合曲线（如 完成，一次崩落矿体的范围非常大，导致爆破动压向 图6) 周边岩体传递，并对岩体产生震动作用，继而引起裂 9 ·实测值 隙张开度增大，最终降低了岩体的整体性，这种爆 。拟合值 破动压作用又是不断地向较远处岩体传播能量，距 采场较近的坡面首先受到影响而产生较大的位移， 6 连锁作用的效果使得较远坡面也产生相应的位移： 水渗透 45 6 7 位移增大 监测时间d 图6实测数据与计算值对比图 Fig.6 Contrast of calculating results with monitoring data 及度岩体× 爆破动压》 4.2边坡安全系数评价及岩体参数与位移的拟合 函数分析 图4各因素作用机理 根据正交实验结果，进行了考虑在最不利状态 Fig.4 Effect mechanism of influencing factors 下岩体的数值模拟分析，影响边坡稳定性的关键因
图3 影响因素的各参数水平的影响总和 Fig．3 Effect summation of parameters levels of factors 根据实验结果中的影响总和（各参数水平对边坡稳 定性的综合影响结果值见图3）可以看出爆破动 压、渗透情况和岩体构造的第3参数水平值依次最 大这说明当进行大爆破、大雨或中雨的天气在大 张拉结构面的岩体中发生滑坡的可能性最大也是 最危险的需加强监测并及时采取支护或防预措施． 图4 各因素作用机理 Fig．4 Effect mechanism of influencing factors 3∙2 作用路径分析 导致边坡滑坡的各个因素是一种连续的作用过 程而这种连续作用过程又是通过机理路径发生的 即一个变量（动因变量）与另一变量（效果变量）联系 的一系列机理．一旦进行了扰动路径中全部机理 将连续起作用并引起效果变量的响应而且可能有 许多这样机理路径并行作用．如图4可以说明这样 一个机理路径：在岩体构造很发育的情况下首先 大量的水渗透到岩体裂隙中降低了不连续面强度 从而也大大降低了岩体自身的强度；然后较低强度 又引起不连续面的较大剪切作用较大剪切作用又 引起了边坡向外产生大的位移；最后导致滑坡的产 生．另外由于该地下采矿工作是采用大爆破一次 完成一次崩落矿体的范围非常大导致爆破动压向 周边岩体传递并对岩体产生震动作用继而引起裂 隙张开度增大最终降低了岩体的整体性．这种爆 破动压作用又是不断地向较远处岩体传播能量距 采场较近的坡面首先受到影响而产生较大的位移 连锁作用的效果使得较远坡面也产生相应的位移． 此外较远处坡体本身也或多或少地受到一些爆破 动压作用．因此爆破动压也是如此连续而并行地 作用影响着岩体的强度并引起坡面位移的变化． 综上所述可以把作用机理路径表示为图5． 图5 作用机理路径 Fig．5 Effect mechanism paths 4 边坡安全评价 4∙1 影响因素与位移的拟合函数分析 为了量化影响因素与位移的关系借助于现有 的监测数据（部分数据见表3）进行拟合分析得出的 拟合函数为： Df＝1∙17A＋1∙87B＋1∙23C＋0∙5D—4∙93（1） 式中Df 为边坡面在一天中的最大位移mm；A、 B、C 和 D 分别为岩体构造、爆破采动动压、雨水渗 透情况、岩体风化程度的影响程度（各量取值见 表2）． 从式（1）也可以看出 B 和 C 变量的系数最大 足以证明它们对位移量起到了关键性的作用．经过 几个月的现场监测收录了大量数据这和计算数据 基本上是相符的．部分数值对比见拟合曲线（如 图6）． 图6 实测数据与计算值对比图 Fig．6 Contrast of calculating results with monitoring data 4∙2 边坡安全系数评价及岩体参数与位移的拟合 函数分析 根据正交实验结果进行了考虑在最不利状态 下岩体的数值模拟分析．影响边坡稳定性的关键因 ·230· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第3期 余伟健等：高陡边坡滑坡的潜在影响因素分析及安全评价 .231. 素是爆破动荷载和参透压力，这两个因素必将引起 由于FLAC能准确地模拟材料的塑性破坏和流 岩体的强度的降低，岩体强度的降低与岩体参数有 动，以及动态失稳过程，因此本文采用FLAC进行数 关.为了计算该边坡的安全系数，本文考虑实际岩 值模拟. 体强度参数与极限强度参数的强度折减系数来 根据现场调查已经滑坡的数据以及相关资料进 评价： 行模拟分析（此参数只对1502平台计算），得出一系 Frock=Ft/Fu (2) 列破坏时的岩体参数见表4.对这些强度的岩体进 式中，Fok为边坡的安全系数，F:为实际岩体强度 行数值模拟分析，得到的最大位移量见表4，并认为 参数，F。为岩体的极限强度参数， 当发生滑坡时，边坡的安全系数为1. 表4滑坡时岩体各参数 Table 4 Rock parameters when landslide happened 弹性模量， 泊松比， 粘聚力， 内摩擦角， 抗拉强度， 最大位移量， 组别 E/GPa C/MPa /( C/MPa D/mm 16.21 0.22 0.75 36.7 0.05 35.68 2 15.45 0.23 0.83 39.8 0.06 23.65 14.32 0.25 0.86 35.5 0.05 47.55 11.90 0.26 0.64 43.6 0.06 45.35 5 9.64 0.28 0.71 40.4 0.05 64.70 6 8.02 0.30 0.67 39.8 0.08 66.10 根据式(2)和参照表1，随机将表4中各组中的 结论 参数用一定的折减系数进行增加及减少岩体强度参 (1)影响厂坝边坡稳定性的潜在关键因素是渗 数，形成一系列更多的参数值，并用这些参数进行 透压力和爆破动载荷，岩体构造是首要条件和重要 1502平台的FLAC数值模拟，得出一系列最大位移 中介物质，使水的渗透和爆破采矿最容易在岩体构 值.根据这些强度参数及计算结果，采用回归分析， 造发育的地方产生强剪切作用，导致岩体自身强度 可以获得位移拟合函数以及安全系数的拟合系 大为减弱，在自重力及剪切力的共同作用下，坡面位 数为： 移增大，容易发生滑坡，因此，须提高整个岩体的强 D4=73.12+578.9u-72.38C- 度，避免因节理发育而又被强剪切作用进一步成为 2.379-476.176。 (3) 极破碎岩体， 式中，Dok为最大位移，mm;以、C、P和。分别为岩 (②)边坡位移和潜在影响因素、岩体强度参数 体的泊松比、粘聚力、内摩擦角和抗拉强度 呈多线性关系，安全系数与位移量呈线性关系，虽 Fo4=1.35-0.0075Dock (4) 然边坡稳定性与影响因素和岩体参数的关系复杂， 由公式和表1中各强度参数可以计算出各岩层 但是关键的机理路径起着主导作用，边坡的安全系 的最大位移量及安全系数，见表5.安全系数都在1 数一般在临界状态，即接近1.在不利条件下，边坡 左右，表明1502平台边坡较不稳定，具有潜在滑坡 会处于危险状态，因此应防止这种机理路径的产生， 危险，特别是连续暴雨或大爆破时安全系数明显 减少直接引起的边坡变形位移. 降低 参考文献 表5边坡各层岩体最大位移量及安全系数 Table 5 Maximum displacements and safety coefficients of terranes [1]Li X Z,Xu Q.Huang R Q.et al.Research on prediction criteri- 最大位移量，D/mm安全系数，F4 on for temporary prediction of landslide.Chin J Geol Haard 岩性 Control,2003,14(4):5 风化大理岩 53.05 0.95 (李秀珍，许强，黄润秋，等，滑坡预报判据研究，中国地质灾 中粒大理岩 53.13 0.94 害与防治学报，2003,14(4)：5) 石英片岩 49.83 0.98 [2] Wen B.The state of the art and trend of the landslide predictions 38.62 1.06 Earth Sci Frontiers.1996.3(2):86 黑云母片岩 (文宝萍.滑坡预测预报研究现状及发展趋势，地学前缘 矿体 45.28 1.01 1996,3(2):86)
素是爆破动荷载和参透压力这两个因素必将引起 岩体的强度的降低岩体强度的降低与岩体参数有 关．为了计算该边坡的安全系数本文考虑实际岩 体强度参数与极限强度参数的强度折减系数来 评价： Frock＝Ff／Fu （2） 式中Frock为边坡的安全系数Ff 为实际岩体强度 参数Fu 为岩体的极限强度参数． 由于FLAC 能准确地模拟材料的塑性破坏和流 动以及动态失稳过程因此本文采用FLAC 进行数 值模拟． 根据现场调查已经滑坡的数据以及相关资料进 行模拟分析（此参数只对1502平台计算）得出一系 列破坏时的岩体参数见表4．对这些强度的岩体进 行数值模拟分析得到的最大位移量见表4并认为 当发生滑坡时边坡的安全系数为1． 表4 滑坡时岩体各参数 Table4 Rock parameters when landslide happened 组别 弹性模量 E／GPa 泊松比 μ 粘聚力 C／MPa 内摩擦角 ●／（°） 抗拉强度 σc／MPa 最大位移量 Drock／mm 1 16∙21 0∙22 0∙75 36∙7 0∙05 35∙68 2 15∙45 0∙23 0∙83 39∙8 0∙06 23∙65 3 14∙32 0∙25 0∙86 35∙5 0∙05 47∙55 4 11∙90 0∙26 0∙64 43∙6 0∙06 45∙35 5 9∙64 0∙28 0∙71 40∙4 0∙05 64∙70 6 8∙02 0∙30 0∙67 39∙8 0∙08 66∙10 根据式（2）和参照表1随机将表4中各组中的 参数用一定的折减系数进行增加及减少岩体强度参 数形成一系列更多的参数值并用这些参数进行 1502平台的 FLAC 数值模拟得出一系列最大位移 值．根据这些强度参数及计算结果采用回归分析 可以获得位移拟合函数以及安全系数的拟合系 数为： Drock＝73∙12＋578∙9μ—72∙38C— 2∙37φ—476∙17σc （3） 式中Drock为最大位移mm；μ、C、φ和σc 分别为岩 体的泊松比、粘聚力、内摩擦角和抗拉强度． Frock＝1∙35—0∙0075Drock （4） 由公式和表1中各强度参数可以计算出各岩层 的最大位移量及安全系数见表5．安全系数都在1 左右表明1502平台边坡较不稳定具有潜在滑坡 危险特别是连续暴雨或大爆破时安全系数明显 降低． 表5 边坡各层岩体最大位移量及安全系数 Table5 Maximum displacements and safety coefficients of terranes 岩性 最大位移量Drock／mm 安全系数Frock 风化大理岩 53∙05 0∙95 中粒大理岩 53∙13 0∙94 石英片岩 49∙83 0∙98 黑云母片岩 38∙62 1∙06 矿体 45∙28 1∙01 5 结论 （1） 影响厂坝边坡稳定性的潜在关键因素是渗 透压力和爆破动载荷．岩体构造是首要条件和重要 中介物质使水的渗透和爆破采矿最容易在岩体构 造发育的地方产生强剪切作用导致岩体自身强度 大为减弱在自重力及剪切力的共同作用下坡面位 移增大容易发生滑坡．因此须提高整个岩体的强 度避免因节理发育而又被强剪切作用进一步成为 极破碎岩体． （2） 边坡位移和潜在影响因素、岩体强度参数 呈多线性关系安全系数与位移量呈线性关系．虽 然边坡稳定性与影响因素和岩体参数的关系复杂 但是关键的机理路径起着主导作用边坡的安全系 数一般在临界状态即接近1．在不利条件下边坡 会处于危险状态因此应防止这种机理路径的产生 减少直接引起的边坡变形位移． 参 考 文 献 ［1］ Li X ZXu QHuang R Qet al．Research on prediction criterion for temporary prediction of landslide． Chin J Geol Haz ard Control200314（4）：5 （李秀珍许强黄润秋等．滑坡预报判据研究．中国地质灾 害与防治学报200314（4）：5） ［2］ Wen B．The state of the art and trend of the landslide predictions． Earth Sci Frontiers19963（2）：86 （文宝萍．滑坡预测预报研究现状及发展趋势．地学前缘 19963（2）：86） 第3期 余伟健等： 高陡边坡滑坡的潜在影响因素分析及安全评价 ·231·
,232 北京科技大学学报 第30卷 [3]Ling R H.Chen Y E.Slope sliding eriteria considering plastic (张治强，蔡嗣经，马平波。数据挖掘在岩质边坡稳定性预测中 strain and plastic strain rate.J Eng Geol.1997,5(4):346 的应用.北京科技大学学报，2003,25(2)：103) (凌荣华，陈月娥.塑性应变与塑性应变率意义下的滑坡判据 [7]Shen L,Wang JG.Ji YS.et al.Safety analysis and application 研究.工程地质学报，1997,5(4)：346) of rock deformation for high slope.Coal Sci Technol,2005.33 [4]Monitoring of Stage Slide and Research of Its Effect on Under- (11):64 ground Mining and Countermeasure in Changba Opencast Mine (申力，王建国，纪玉石，等.高边坡岩体变形安全性分析及其 of China.Beijing:University of Science and Technology Beijing. 应用.煤炭科学技术，2005,33(11)：64) 2005,14 [8]Tang Q Y,Feng M G.DPS Data Processing System for Practi- (厂坝露天转井下阶段滑坡监测及对井下开采影响与对策研 cal Statistics.Beijing:Science Press.2002 究北京：北京科技大学，2005：14) (唐启义，冯明光：实用统计分析及其DPS数据处理系统.北 [5]Gao Y T.Zhang Y P,Wu S C.Mechanism analysis of anti-slid- 京：科学出版社，2002) ing piles in soil slope.JUniv Sci Technol Beijing.2003.25(2): [9]Yang X H.Zhu Y X,Meng L J.Theory and practice for rock 117 engineering system:introduction.Met Mine.2000(7):1 (高永涛，张友葩，吴顺川，土质边坡抗滑桩机理分析.北京科 (杨效华，祝玉学，蒙立军.岩石工程系统理论与应用：岩石工 技大学学报.2003,25(2)：117) 程系统概论.金属矿山，2000(7)：1) [6]Zhang Z Q.Cai J.Ma P B.Application of data mining to pre- [10]Hudson JA.Rock Engineering Systems:Theory and Practice. dicting the stability of rock slope.J Univ Sci Technol Beijing Horwood Chicester,1992:20 2003,25(2):103 (上接第226页) 661 [13]Zhang Y G.Xie K H.He F L.et al.Study on surrounding rock [16]Xie H P.Zhou H W,Wang J A.et al.Application of FLAC to stability of working face supported by bolt"mesh anchor in soft predict ground surface displacements due to coal extraction and and thick coal seam.Chin J Rock Mech Eng.2004.23(19): its comparative analysis.Chin J Rock Mech Eng.1999.18(4): 3298 397 (张玉国，谢康和，何富连，等。锚网索支护软煤综放面开切眼 (谢和平，周宏伟，王金安，等.FLAC在煤矿开采沉陷预测中 围岩稳定性研究岩石力学与工程学报，2004,23(19)：3298) 的应用及对比分析，岩石力学与工程学报，1999,18(4)： [14]Hu X R.Tang C A.Spatial variation analysis on the random 397) field of mechanical parameters for rock and soil and the parame- [17]Wang J A.Xie H P.Kwasniewski M A,et al.3D numerical ter estimation of elements.Chin J Rock Mech Eng.2000.19 analysis on thick coal seam extraction by special mining method (1):59 under buildings.Chin J Rock Mech Eng.1999.18 (1):12 (胡小荣，唐春安，岩土力学参数随机场的空间变异性分析及 (王金安，谢和平，Kwasniewski M A,等.建筑物下厚煤层特 单元体力学参数赋值研究.岩石力学与工程学报，2000,19 殊开采的三维数值分析.岩石力学与工程学报，1999,18(1)： (1):59) 12) [15]Moosavi M.Grayeli R.A model for cable bolt rock mass inter- [18]Xie H P.Chen Z H.Wang J C.Three-dimensional numerical action:integration with discontinuous deformation analysis analysis of deformation and failure during top coal cavingIn (DDA)algorithm.Int J Rock Mech Min Sci,2006.43(4): Rock Mech Min Sci,1999,36(5):651
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