露天高陡边坡三维固流耦合稳定性

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2006.01.002 第28卷第1期 北京科技大学学报 Vol.28 No.1 2006年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2006 露天高陡边坡三维固流耦合稳定性 蔡美峰冯锦艳王金安 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要为了研究地下水对露天高陡边坡稳定性的影响，采用三维有限差分数值计算方法对露天 高陡边坡的稳定性进行了固-流耦合研究.通过与无地下水影响时的边坡稳定状况进行比较，阐 述了地下水对边坡应力场、破坏场以及位移场的具体影响结果，计算结果表明，地下水在一定程度 上降低了边坡的稳定性，成为边坡失稳的隐患，在判断边坡的稳定性时提出了一种新的判断方法， 即运用边坡移动速度的变化趋势结合边坡的位移量以及破坏场范围判断边坡的稳定性，提高了数 值计算分析的可靠性 关键词高陡边坡；地下水；固-流耦合；移动速度 分类号TD802 边坡工程中由于降水、河流等的存在，边坡岩 目前尚不多见.因此本文将采用有限差分计算程 体中常赋存有水.水在岩体中的赋存形式不同， 序FLAC对地下水作用下边坡的稳定性进行研 常表现出不同的力学状态和力学作用.归结起 究.这主要是由于FLAC有限差分程序可解算岩 来，水对岩体具有两方面的作用：其一是各种作用 土类材料孔隙介质的固-流耦合问题；另外FLAC 导致岩体强度降低：其二是所加渗透力使岩体的 程序采用显式算法来获得模型全部运动方程（包 变形以及变形速度发生变化，这种作用往往对边 括内变量)的时间步长解，从而可以追踪边坡的渐 坡的稳定性产生十分不利的影响1]，实际上地表 进破坏和变形，为综合判断边坡的稳定性提供了 水的渗入和地下水的活动往往是导致露天矿滑坡 丰富的理论依据 的重要原因，许多滑坡具有“大雨大滑，小雨小滑、 无雨不滑”的特点.据加拿大有关资料介绍，一般 1工程概况[9] 地下水压作用可降低边坡稳定程度的20%~ 首钢水厂铁矿位于河北迁安，是北京地区最 30%2].因此，研究地下水对边坡稳定性的影响大的露天开采铁矿，也是首钢重要的钢铁原材料 至关重要. 基地之一.为了研究方便，根据地质勘查结果将 目前，关于渗流场的分析存在许多方法[3) 首钢水厂铁矿边坡划分为5个区（图1），即I区、 理论分析方法主要包括解析法、数值方法和图解 Ⅱ区、Ⅲ区、N区和V区.其中I区中由于I-2剖 法.其中解析法又可分为直接解法、复变函数法、 面边坡最高，【-3剖面边坡上覆第四系人工堆积 组合法和水力学法；数值方法又可分为有限单元 物范围较大，因此在水厂铁矿边坡的稳定性分析 法和差分法两种，虽然解析法计算结果较精确， 中有很强的代表性，在考虑地表水以及地下水共 但计算较复杂；图解法是采用绘制渗流区流线和 同作用的基础上，分析I区边坡的稳定性，并与无 等势线的网状图形，并计算渗流要素的方法，也比 水作用下边坡的稳定性进行比较，得出水对边坡 较复杂.数值计算方法更能符合和满足工程的需 稳定性的影响程度.由于岩体中的裂隙分布是三 要.其中采用有限元法计算已经进行了大量的工 维的，只有在三维空间下才能准确地描述裂隙间 作48)，也得到了比较丰富的理论成果；但采用差 的相互位置和交叉连接情况，因此本研究采用三 分法对高陡露天边坡进行固-流耦合计算的研究 维有限差分方法进行模拟计算 收稿日期：2004-11-22修回日期：2004-12-27 2计算模型及相关参数 基金项目：国家科技“十五”科技攻关项目资助(No.2001BA609A -08) 2.1计算模型 作者简介：菜美峰(1943一)，男，教投，博士 计算模型X方向为1000m,Y方向为900m

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 劝 。 露天 高陡边坡三维固流棍合稳定性 蔡美峰 冯 锦艳 王 金安 北京科技大学土木与环境工程学 院 ， 北京 摘 要 为 了研究地下水对露天高 陡边坡 稳定性的影 响 ， 采用三维有限差分数值计算方法对露天 高 陡边坡 的稳定性进行 了 固一 流藕合研 究 通过 与无地 下水 影 响时 的边坡 稳 定 状况 进行 比 较 ， 阐 述 了地下水对边坡应力场 、 破坏场 以及 位移场的具体影 响结果 计算结果表 明 ， 地 下水在一定程度 上 降低 了边坡 的稳定性 ， 成为边坡失稳的隐患 在判断边坡的稳定性时提 出了一种新的判断方法 ， 即运用边坡 移动速度 的变化趋势结合边坡 的位移量 以及破坏场 范 围判断边坡 的稳定性 ， 提 高 了数 值计算分析 的可靠性 关键词 高陡边坡 地下水 固一 流祸合 移动速度 分类号 边坡工程 中由于 降水 、 河流等的存在 ， 边坡 岩 体 中常赋存 有水 水 在 岩体 中的赋 存形 式 不 同 ， 常表 现 出不 同的 力 学 状 态 和 力 学 作 用 归 结 起 来 ， 水对岩体具有两方面 的作用 其一是各种作用 导致岩体强度 降低 其 二 是 所 加渗透 力 使岩 体 的 变形 以及变形 速 度发 生 变化 ， 这 种作用 往 往 对 边 坡 的稳定性产生十分不 利的影 响〔 ’ 〕 实 际上地 表 水的渗入和地下水 的活动往往是导致露天矿滑坡 的重要原 因 ， 许多滑坡具有 “ 大雨大滑 ， 小雨 小滑 、 无雨不滑 ” 的特点 据加拿大有关 资料介绍 ， 一般 地 下 水 压 作 用 可 降低 边 坡 稳 定 程 度 的 一 因此 ， 研 究地 下 水 对 边 坡 稳 定 性 的 影 响 至关重要 目前 ， 关 于 渗 流 场 的分析 存 在 许 多 方 法 理论分析方法 主 要 包 括解析法 、 数值方 法 和 图解 法 其 中解析法 又 可分为直接解法 、 复变函数法 、 组合法和水力学 法 数值方 法 又 可分 为有 限单元 法 和 差 分法 两 种 ， 虽 然 解 析 法 计算结果 较 精 确 ， 但计算较复 杂 图解法是 采 用 绘 制 渗流 区 流 线和 等势线的 网状 图形 ， 并计算渗流要 素的方法 ， 也 比 较复杂 数值计算方法更能符合 和 满足 工 程 的需 要 其 中采用有 限元法计算 已 经进行 了大量 的工 作〔 一“ ， 也得 到 了 比较 丰富的理论 成果 但采用 差 分法对高陡露天边 坡进行 固一 流 藕合计 算 的研 究 收稿 日期 一 一 修回 日期 一 一 基金项 目 国家科技 “ 十五 ” 科技攻关项 目资助 一 作者简介 蔡美峰 一 ， 男 ， 教授 ， 博士 目前 尚不 多见 因此本文将采 用有 限差分计算 程 序 对 地 下 水 作 用 下 边 坡 的 稳 定性 进 行 研 究 这主要是 由于 有限差分程 序可解算岩 土类材料孔 隙介质的固一 流藕合 问题 另外 程序采用显式算法 来获得 模 型 全 部运 动方 程 包 括 内变量 的时间步长解 ， 从而 可 以追踪边坡 的渐 进破坏和变形 ， 为综 合 判 断边 坡 的稳 定性 提 供 了 丰富的理论 依据 工程概况 首钢水厂铁 矿 位于 河北 迁 安 ， 是 北 京地 区 最 大的露天开采 铁矿 ， 也 是 首 钢重 要 的钢铁原 材料 基地 之 一 为 了研 究方便 ， 根 据地 质 勘查 结 果 将 首钢水厂铁矿边坡划分 为 个 区 图 ， 即 工区 、 区 、 区 、 区和 区 其 中 区 中 由于卜 剖 面边坡最高 ， 工一 剖面 边 坡 上 覆第 四 系人 工 堆积 物范 围较大 ， 因此 在 水厂铁矿 边坡 的稳 定性 分析 中有很强 的代表性 在考虑地 表水 以及地 下 水共 同作用 的基础 上 ， 分析 区边坡 的稳定性 ， 并 与无 水作用下边坡 的稳 定性进行 比 较 ， 得 出水对 边 坡 稳定性 的影 响程度 由于岩体 中的裂 隙分布是三 维 的 ， 只有在三 维空 间下 才能准 确 地 描述 裂 隙间 的相互位置和 交 叉 连 接情况 ， 因此 本研 究 采 用 三 维有限差分方法进行模拟计算 计算模型及相关参数 计算模型 计算模型 方 向为 一 ， 方 向为 ， DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2006．01．002

Vol.28 No.I 蔡美峰等：露天高陡边坡三维固流耦合稳定性 ·7· 4446000504000 4447000505000 506000 模拟区域 4445000 2 504000 507000 4447000 4444000 V 5050004444000 5060004445000 5070004446000 图1首钢水厂铁矿边坡工程地质分区 Fig.1 Engineering geological divided zones of the slope in ShuiChang 高度约795m(自地表至-500m),包括了I区的 结果进行完全定量判断.针对这一弱点，对采用 主要范围，其中包括重点研究的I-2剖面边坡和 数值模拟计算方法判断边坡的稳定性提出了弥补 I-3剖面边坡.-2剖面边坡上部边坡角为43°，下 方法，从而可以提高数值计算分析的可靠性：通过 部边坡角为45°，上下部分界在水平标高+50m 边坡移动速度的变化趋势确定边坡的稳定性，即 的位置，分界台阶宽40m,坡底在水平标高-276 边坡的移动速度保持增加或恒定的变化趋势，边 m的位置.模型中I-2剖面边坡和X-Z平面所成 坡的位移量将继续增加，边坡易失稳；边坡的移动 的夹角为57.4°.I-3剖面边坡上部边坡角为43°， 速度保持减小直至趋于零的变化趋势，虽然边坡 下部边坡角为49°，上下部分界在水平标高+10m 的位移量仍在增加，但增加幅度逐渐减小，边坡趋 的位置处，分界平面台阶宽10m,坡底在水平标 于稳定，本研究在I-2剖面边坡和[-3剖面边坡 高-324m的位置处.I-3剖面边坡(X=960m) 上的关键位置设置了8个数值监测点（图3），主 和Y-Z所成平面平行.图2是三维模型的总体 要监测边坡的移动速度和位移量，对系统全面地 简图 判断边坡的稳定性提供了基础， 一一水位线 40 45 1000 图3边坡最终开挖形态及监测点整体布局 图2三维边坡计算简图（单位：m) Fig.3 Fnal shape of the slopeand distribution of the track point Fig.2 Sketch of the 3D slope (unit:m) 2.2水文地质条件 以往对边坡进行稳定性分析时，主要是结合 滦河从矿区的北部和东部经过，为矿区内最 边坡的破坏范围和位移量进行判断，其中以监测 大的地表水系，矿床处于滦河中游，河床宽度一 到的边坡位移量为主要判断依据[1012]，目前，由 般在1000m以上，水位标高一般在67m左右，最 于数值模拟计算方法受到参数的影响，尚不能对 高洪水位达94m.矿区属温带大陆性气候，年平

蔡美峰等 露天 高陡边坡三维固流祸合稳定性 现 、‘ 黔匙二 几走 卜人 一 一 孤 而 一 偿 乙叭 址 一 、， 斗 》 ‘ 衷 瓦 叔 图 首钢水厂铁矿边坡工程地质分区 址 高度约 自地表 至 一 ， 包括 了 工区 的 主要范 围 ， 其 中包 括 重 点研 究 的 一 剖 面 边 坡 和 卜 剖面边坡 剖面边坡上部边坡 角为 。 ， 下 部边坡角 为 。 ， 上 下 部 分界 在 水平 标 高 的位置 ， 分界 台阶宽 ， 坡底 在水平标高 一 的位置 模型 中卜 剖面 边坡 和 一 平面所成 的夹角为 卜 剖面边坡上部边坡 角为 。 ， 下部边坡 角为 ’ ， 上下部分界在水平标高 的位置处 ， 分 界 平面 台阶宽 ， 坡 底 在 水 平 标 高 一 的位置处 一 剖 面边 坡 二 和 一 所 成 平 面 平 行 图 是三 维 模 型 的总 体 简图 结果进行 完 全 定 量判 断 针对这 一 弱点 ， 对 采用 数值模拟计算方法判断边坡 的稳定性提 出了弥补 方法 ， 从而可 以 提高数值计算分析 的可靠性 通过 边坡移动速 度 的变化趋 势确 定边 坡 的稳 定性 ， 即 边坡 的移动速 度保持增 加或恒 定 的变化趋 势 ， 边 坡 的位 移量将继 续增加 ， 边坡 易失稳 边坡 的移动 速度保持减 小直 至 趋 于 零 的变化 趋 势 ， 虽 然 边坡 的位移量 仍在增加 ， 但增 加幅度逐渐减小 ， 边坡趋 于稳 定 本研 究在卜 剖面 边坡 和 一 剖面 边 坡 上 的关 键位置 设 置 了 个数值监测 点 图 ， 主 要监测边坡 的移动速度和位移量 ， 对 系统全 面 地 判断边坡 的稳定性提供了基础 一 水位线 蔗 曰 才 护 ，， … 〕 一 一 阵 ， －－ 一坦坦 一 一 图 三维边坡计算简 －图 单 一 位 犷 〕 衅 图 边坡最终开挖形态及监测点整体布局 口 碑 讲 团 山 州 触 改 训恤 以往对边坡 进行稳 定性 分析 时 ， 主 要 是 结合 边坡 的破坏范 围和 位 移量 进行 判 断 ， 其 中以监测 到 的边坡位移量 为主要 判断依据 ‘ 一 目前 ， 由 于数值模拟 计算方法 受到 参数 的影 响 ， 尚不能 对 水文地质条件 滦河从矿 区 的北 部和 东部 经过 ， 为矿 区 内最 大的地 表 水 系 矿 床处 于 滦河 中游 ， 河 床宽度 一 般在 以上 ， 水位标高一般在 左右 ， 最 高洪水位达 矿 区属 温 带大陆性 气候 ， 年平

·8· 北京科技大学学报 2006年第1期 均降水量605.5mm,最大年降水量1152.0mm, 床地下水天然储量不大 最大日降水量344.8mm,最大时降水量172mm, 2.3力学参数 多集中在7月，约占降水量的80%.矿区水文地 运用三维有限差分计算程序FLAC3D进行计 质条件属中等类型，地下水主要为基岩裂隙潜水. 算.边坡岩体采用莫尔-库仑屈服准则，岩体力学 矿区岩层含水层的富水性多属弱-微弱型，因而矿 参数见表1，水的密度为1000kgm3. 表1边坡采用的力学参数 Table 1 Mechanical parameters used in the slope 密度，d/弹性模量， 泊松比， 粘聚力、内摩擦角，抗拉强度， 孔隙率， 渗透率， 代号 岩类 (kg'm-3) E/MPa c/MPa /() at/MPa 7/% k/(cm3.s-) Q 第四系人工堆积物 2000 15 0.30 0.125 18 0.0125 30 3.0×10-7 ArS2-s 照云母斜长片麻岩 2630 4600 0.21 3.825 36 0.765 20 2.0×107 Fe 磁铁矿 2850 12500 0.23 2.000 36 0.901 5.0×10-8 E2X 火山岩溶岩、角砾岩 2477 2687 0.23 0.524 22 0.510 25 2.5×107 ZC长石石英砂岩、角砾岩 2700 9625 0.26 0.617 37 1.675 10 1.0×10-7 2.4地应力场 坡的破坏场.其中I-2剖面边坡主要发生了剪切 本计算根据现场地应力测试结果构建研究区 破坏，且上部边坡破坏范围较大，容易造成局部岩 内的地应力场.实测结果，最大水平主应力、最小 体脱落；I-3剖面边坡顶部的第四系人工堆积物 水平主应力和垂直主应力随深度变化规律为： 和火山岩溶岩、角砾岩几乎全部脱落，影响到边坡 (1)最大水平主应力 开采的正常进行 oh,max=0.93+0.0438H(MPa) (1) 式中，H为测点埋深，m.最大水平主应力平均方 向为85° (2)最小水平主应力 oh.mim=0.61+0.0269H(MPa) (2) (3)垂直主应力 o,=0.12+0.0259H(MPa) (3) 3水对边坡稳定性的影响 图4无水作用时1-2割面边坡破坏场 3.1应力场分析 Fig.4 Failure zones of the I-2 slope under no water 边坡开采过程中，坡面的浅层部位出现了拉 应力区，边坡岩体在拉应力的作用下发生局部破 坏，但不影响边坡的整体稳定性.剪应力在坡脚 以及坡脚上延100m的浅层坡面内产生了应力集 中，容易诱发岩体脱落，对边坡的稳定性有一定的 影响， 计算结果表明，在地下水作用的影响下，边坡 的应力值普遍大于没有地下水作用时的数值.地 下水作用下的最大主应力值是没有地下水作用时 的1.6倍，最大拉应力为2.5倍，剪应力为1.5 图5水作用时1-2剖面边玻破坏场 倍.从这些数字可以看出，地下水的存在直接影 Fig.5 Failure zones of the I-2 slope under water 响着边坡应力场分布，进而影响到边坡的破坏性 从图中可以得出，地下水的存在很大程度地 质和破坏范围， 影响了边坡的稳定性，主要表现为在地下水的作 3.2破坏场分析 用下，下部边坡的破坏范围明显增加，破坏区域明 图4~图7给出了1-2剖面边坡和-3剖面边 显向边坡内部延伸，而对边坡上部的破坏范围基

北 京 科 技 大 学 学 报 年第 期 均 降水 量 ， 最 大 年 降水 量 ， 最大 日降水量 ， 最大时降水 量 ， 多集 中在 月 ， 约 占降水量 的 矿 区 水文 地 质条件属 中等类型 ， 地 下水主要 为基岩裂 隙潜水 矿 区岩层 含水层 的富水性 多属 弱 一微弱型 ， 因而 矿 床地 下水天然储量不大 力学参数 运用三维有 限差 分 计 算程 序 进 行计 算 边坡岩体采用莫尔一库仑屈 服准 则 ， 岩体 力学 参数见表 ， 水 的密度为 ’ 一 ’ 表 边坡采用的 力学参数 的 代号 岩类 密度 ， 弹性模量 ， 泊松 比 ， 吨 · 一 石 内摩擦角 ， 华 ‘ 抗拉强度 ， ‘ 孔隙率 ， 甲 渗透率 ， 第四系人工堆积物 黑云母斜长片麻岩 磁铁矿 火 山岩溶岩 、 角砾岩 长石石英砂岩 、 角砾岩 粘聚 力 ， 走 。 · 。 一 又 一 一 一 一 一 凡 地应力场 本计算根据现场地应力测试结果构 建研究区 内的地应力场 实测结果 ， 最大水平主应力 、 最 小 水平主应力和垂直主应力随深度变化规律为 最 大水平主应力 。 ， 式 中 ， 为测 点埋深 ， 最大水平主应力平均方 向为 最小水平主应力 ， ， ‘ · 垂直主应力 。 水对边坡稳定性的影响 应力场分析 边坡开 采过 程 中 ， 坡 面 的浅层 部位 出现 了拉 应力 区 ， 边坡 岩体在 拉应 力 的作用 下 发 生 局 部 破 坏 ， 但不 影 响边坡 的整 体稳 定性 剪应 力 在 坡 脚 以及坡脚上 延 的浅层坡面 内产 生 了应力集 中 ， 容易诱发岩体脱落 ， 对边坡 的稳定性有一定的 影 响 计算结果表 明 ， 在地 下水作用 的影 响下 ， 边坡 的应力值普遍大于没有地 下 水作用 时 的数值 地 下 水作用下 的最大主应力值是没有地下水作用时 的 倍 ， 最 大拉 应 力 为 倍 ， 剪 应 力 为 倍 从这 些 数字可 以看 出 ， 地 下 水 的存在直接影 响着边坡应力场分 布 ， 进 而 影 响到 边坡 的破 坏性 质和 破坏范围 破坏场分析 图 一 图 给 出了卜 剖面边坡和 一 剖 面边 坡的破坏场 其中 一 剖 面 边 坡 主 要 发 生 了剪切 破坏 ， 且上部边坡破坏范围较大 ， 容易造成局部岩 体脱落 剖 面 边 坡顶 部 的第 四 系 人 工 堆 积 物 和火 山岩溶岩 、 角砾岩几乎全部脱落 ， 影响到边坡 开采 的正 常进行 图 水作用 盯 一 剖 回 边破吸坏功 毗 一 碑 从 图中可 以 得 出 ， 地 下水 的存在 很 大 程 度 地 影响 了边坡 的稳 定性 ， 主要 表现 为在 地 下水 的作 用 下 ， 下部边坡 的破坏范 围 明显增 加 ， 破坏 区域 明 显 向边坡 内部 延 伸 ， 而 对 边坡 上 部 的破 坏 范 围基

Vol.28 No.1 萘美峰等：露天高陡边坡三维固流耦合稳定性 ·9… 25 20 ★一3 15 图6无水作用时打-3剖面边坡破坏场 2000 400060008000.10000 Fig.6 Fallure zones of the I-3 slope under no water 计算步数 图9有水作用时-2剖面边坡X方向水平位移曲线 Fig.9 Horizontal displacement in the X direction of the I-2 stope under water -5 -10 -15 图7水作用时1-3剖面边坡破坏场 -20 ■一2 Fig.7 Fallure zones of the I-3 slope under water 本没有影响. -306 3.3位移量以及移动速度分析 2000 40006000800010000 计算步数 I-2剖面边坡由于在模型中所处的位置，需 图10无水作用时12剖面边坡Y方向水平位移曲线 要综合考虑X方向和Y方向水平位移以及水平 Fig,10 Horizontal displacement in the y direction of the I-2 速度来判断边坡的稳定性；I-3剖面只需考虑Y slope under no water 方向水平位移以及水平移动速度对边坡稳定性的 影响.图8~图13分别给出了有水作用和无水作 A4gR03K9831qxccccaceareceracadcacecce 用两种情况下监测点的水平位移追踪曲线.通过 -5 比较可以看出，地下水的存在使边坡典型位置以 -10 及边坡整体位移量普遍了增加了5%~20%.表 -15 2中的统计数据显示边坡的移动速度在地下水的 一◆一1 -20 0-2 作用下明显增加，比无地下水作用时基本提高了 ★3 25 -0-4 一个数量级 -30 通过对典型剖面上监测点的水平位移和水平 2000 40006000800010000 计算步数 速度进行分析比较可以得出：在水的作用下，1一2 图11有水作用时1-2剖面边坡Y方向水平位移曲线 1 Fig.11 Horizontal displacement in the Y direction of the I-2 20 slope under water ☆一3 -0-4 剖面边坡坡脚处的移动速度在边坡开采结束后仍 10 保持一定的数值（表2），属于蠕动滑动.这主要是 8000070030300 由于剪应力集中的影响，局部岩体发生脱落.但 随着边坡移动速度的逐渐减小，边坡位移量的增 40006000800010000 加幅度逐渐减小，边坡趋于稳定，而在无地下水 计算步数 作用时，I-2剖面边坡典型位置处的移动速度都 图8无水作用时1-2剖面边坡X方向水平位移曲线 保持趋于零的变化趋势，边坡基本保证整体稳定， Fig.8 Horizontal displacement in the X direction of the 1-2 slope under no water 比有地下水作用时边坡的稳定性明显提高

蔡美峰等 露天高陡边坡三维固流糊合稳定性 本没有影 响 位移盘以 及移动速度分析 剖 面 边 坡 由于 在模 型 中所 处 的位 置 ， 需 要综合考虑 方 向和 方 向水平 位 移 以及 水平 速度来判断边坡 的稳 定 性 工一 剖 面 只 需考虑 方 向水平位移 以及水平移动速度对边坡稳定性 的 影响 图 一 图 分别给出了有水作用和无水作 用两种情况 下监测 点的水平位 移追踪 曲线 通过 比较可 以看出 ， 地 下 水 的存在使边坡 典 型 位置 以 及边坡整体位移量普遍 了增加 了 一 表 中的统计数据显示边坡 的移动速 度在 地 下 水 的 作用 下 明显增 加 ， 比无地 下 水作用 时基本 提 高 了 一个数量级 通过对典型剖面上监测点的水平位移和水平 图 目。 碑 有水作用时 一 剖面边坡 方向水平位移曲线 姐招 切 应 佣 址 一 剖面边坡坡脚处 的移动速度在边坡开采结束后仍 保持一 定的数值 表 ， 属 于蠕动滑动 这 主要是 由于 剪应 力集 中的影 响 ， 局 部岩体发 生 脱落 但 随着边坡移动速度 的逐渐减 小 ， 边坡 位移量 的增 加幅度逐渐减小 ， 边 坡 趋 于 稳 定 而 在无地 下水 作用时 ， 剖面 边坡典 型 位 置 处 的移 动速 度都 保持趋 于零 的变化趋势 ， 边坡基本保证整体稳 定 ， 比有地 下水作用时边坡 的稳定性 明显提高

·10· 北京科技大学学报 2006年第1期 -10 -10 -20 -20 -30 -30 的 -40 0 -50 -50 单单单 2000 40006000 800010000 600 2000 40006000800010000 计算步数 计算步数 图12无水作用时I-3剖面边坡Y方向水平位移曲线 图13有水作用时I-3剖面边坡Y方向水平位移曲线 Fig.12 Horizontal displacement in the Y direction of the I-3 Fig.13 Horizontal displacement in the Y direction of the I-3 slope under no water slope under water 表2开采结束后I-2剖面监测点位移和速度统计表 Table 2 Displacement and velocity of the track point on the I-2 section slope after excavation 有水作用 无水作用 变量 1# 2# 2 罗0 7举 2* 2# X方向最大水平位移/cm 8,26 18.9 22.8 13.5 8.86 17.9 20.3 11.6 X方向速度/(cms) 5.2×10-33.0×10-32.7×10-31.8×1024.5×1042.6×1041.3×1043.0×10-3 X方向速度变化趋势 趋于零 趋于零 趋于零 减小 趋于零 趋于零 趋于零 趋于零 Y方向最大水平位移/cm 7.90 23.90 28.80 8.60 7.79 22.20 24.20 7.76 Y方向速度/(cms) 1.4×10-37.9×1049.9×10-47.2×10-31.5×1043.4×1042.9×1047.9×10-4 Y方向速度变化趋势 趋于零 趋于零 趋于零 减小 趋于零 趋于零 趋于零 趋于零 注：有水作用时边坡最大水平位移为32cm,无水作用时边坡最大水平位移为28cm I3剖面边坡顶部的第四系人工堆积物和火 取有力的加固措施.从其他各监测点的跟踪数据 山岩溶岩、角砾岩在有地下水作用和无地下水作 可以看出，边坡在无地下水情况下的稳定性要好 用两种情况下都发生了慢速滑动（表3），这主要 于有地下水作用下的稳定性，主要表现在边坡坡 由岩性本身的力学性质决定.边坡顶部岩体发生 脚处移动速度的变化趋势， 脱落直接影响着边坡的整体稳定性，因此必须采 表3开采结束后-3剖面监测点位移和速度统计表 Table 3 Displacement and velocity of the track point on the I-3 section slope after excavation 有水作用 无水作用 变量 5# 6# 7# 8# 5# 6 7# 8# 最大水平位移/cm 脱落 57.9 59.6 14.2 脱落 48.8 49.8 13.8 移动速度/(cms1) 6.3×10-15.1×1056.8×1058.6×10-34.2×1013.9×10-56.1×1054.0×10-4 移动速度变化趋势 增加 趋于零 趋于零 减小 增加 趋于零 趋于零 趋于零 注：有水作用时边坡最大水平位移为53cm,无水作用时边坡最大水平位移为46cm 结论 (3)地下水的存在加速了边坡的移动速度， 4 使边坡的位移量增加了5%~20%左右，严重影 (1)和许多研究的成果相同，地下水的存在 响了边坡的稳定性. 降低了边坡的稳定性，容易诱发滑坡事件的发生 (4)采用边坡移动速度变化趋势与边坡位移 (2)地下水的存在使边坡下部破坏范围增 量、破坏场相结合的方法判定边坡稳定性，提高了 大，但对边坡上部破坏范围影响较小.这主要是 数值计算方法在定量判断上的可靠性. 由于边坡上部高于地下水位线的原因

北 京 科 技 大 学 学 报 年第 期 计算步数 无水作用时 一 剖面边坡 方向水平位移曲线 枪划谊长喇从之日 但长泌划啊人之日 图 盖 阮 代 址 一 计算步数 图 有水作用时 一 剖面边坡 方向水平位移曲线 代 一 变量 表 开采结束后 一 剖面监测点位移和速度统计表 一 有水作用 无水作用 材材 特 方 向最大水平位移 方 向速度 · 一 ‘ 方 向速度变化趋势 方 向最大水平位移 方 向速度 。 · 一 ‘ 方 向速度变化趋势 一 趋于零 一 趋于零 一 趋于零 一 减小 一 趋于零 一 趋于零 趋于零 趋于零 一 趋于零 一 趋于零 火 一 趋于零 又 减小 一 趋于零 一 趋于零 一 趋于零 一 趋于零 注 有水作用时边坡最大水平位移为 咒 。 ， 无水作用时边坡最大水平位移为 。 剖面边坡顶 部 的第 四 系人工 堆 积 物 和 火 山岩溶岩 、 角砾 岩在有地 下 水 作用和 无 地 下 水 作 用两种情况 下 都发 生 了慢速 滑 动 表 ， 这 主 要 由岩性本身 的力学性质决定 边坡 顶 部 岩体发 生 脱落直接影 响着边坡 的整 体稳 定性 ， 因此 必 须 采 取有力 的加 固措施 从其他各监 测 点 的跟踪数据 可以看出 ， 边坡 在无 地 下 水情况 下 的稳 定性 要 好 于有地 下水作 用 下 的稳 定性 ， 主要 表 现 在 边 坡 坡 脚处 移动速度 的变化趋 势 表 开采结束后 一 剖面监测点位移和速度统计表 一 既 有水作用 无水作用 变量 井 最大水平位移 移动速度 。 · 一 ‘ 移动速度变化趋势 脱落 一 增加 ， 又 一 趋于零 趋于零 一 减小 脱落 增 加 一 趋于零 趋于零 一 趋于零 注 有水作用时边坡 最大水平位移为 。 ， 无水作用时边坡最大水平位移为 结论 和 许 多研 究 的成 果 相 同 ， 地 下 水 的 存 在 降低了边坡 的稳定性 ， 容易诱发滑坡事件的发生 地 下 水 的 存在 使 边 坡 下 部 破 坏 范 围增 大 ， 但对 边 坡 上 部破 坏 范 围影 响较 小 这 主 要 是 由于边坡上部高于地下水位线的原 因 地 下 水 的存在 加速 了边坡 的 移动速 度 ， 使边坡 的位 移 量 增 加 了 一 左 右 ， 严重 影 响 了边坡 的稳定性 采用边坡 移动速度变化趋 势与边坡 位移 量 、 破坏场相 结合的方法判 定边坡稳定性 ， 提高 了 数值计算方法 在定量判断上 的可靠性

Vol.28 No.I 蔡美峰等：露天高陡边坡三维固流耦合稳定性 ·11· 参考文献 [7】姜立春，吴爱祥，陈嘉生，高陡边坡地下水渗流场三维有限 元分析及其实例研究.湘潭矿业学院学报，2003,18(3)：24 [1]谭文辉，蔡美蜂，周牧弟，节理边坡渗流离散元模拟及边坡 可靠性分析.北京科技大学学报，2003,25(4)：295 [8]汪益敏，陈页开，韩大建，等.降雨入渗对边坡稳定影响的 [2]劳动部矿山安全卫生监察局.驾天矿场边坡稳定检测.北 实例分析.岩石力学与工程学报，2004,23(6)：920 [9】蔡美峰，乔兰，李长洪，等.深凹露天矿高等边坡稳定性分 京：中国劳工出版社，1992 析与设计优化.北京科技大学学报，2004,26(5)：465 [3]顾慰慈.海流计算原理及应用.北京：中国建材工业出版 [10]云庆夏，露天开采设计原理.北京：冶金工业出版杜，1995： 杜，2000：1 38 [4]Maubai D E.Flow-deformation response of dual-porosity [11]罗国煜，王培清，陈华生.岩坡优势面分析理论与方法.北 medic.Geotechnique,1992,118(1):123 京：北京科技大学，1992：3 [5]Griffiths D V,Lane P A.Slope stability analysis by finite ele- [12]孙世国，王思敬.边坡岩体动态监测技术与破坏模式分析 ment.Geotechnique,1999,49(3):387 [6]陈鸿凯.裂隙岩体港流研究现状（Ⅱ）.重庆交通学院学报， 中国矿业，2000,49(9)：55 1996,15(2):29 Three-dimensional hydraulic coupled stability of a high steep open pit slope CAI Meifeng,FENG Jinyan,WANG Jinan Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT In order to study the effect of ground water on high and steep open pit slopes,FLACSD was employed to simulate and analyze the stability of a high and steep open pit slope.The comparison was made on the effect of the stress,failure zone and displacement in the slope under the condition of ground water or not.The result indicated that ground water reduces the stability of the high and steep open pit slope.A new method for stability assessment of the slope was proposed so as to give rise to reliability of the numeri- cal simulation,which estimated the stability of the slope through the comprehensive analysis of the move- ment trend of velocity at the tracing points in the model,the failure zone as well as the displacement. KEY WORDS high and steep slope;ground water;hydraulic coupled;movement velocity

蔡美峰等 露天高陡边坡三维固流祸合稳定性 参 考 文 献 〔 〕 谭文辉 ， 蔡美峰 ， 周长弟 节理边坡渗流离散元模拟及边坡 可靠性分析 北京科技大学学报 ， ， 【 劳动部矿 山安全卫生监察局 露天矿 场边坡稳定检 测 北 京 中国劳工 出版社 ， 〔 顾慰慈 渗流计算原理及 应用 北京 中国建材 工 业 出版 社 ， 苗 一 ‘ 掩 ， ， 至〕 ， 因叩 。 衡 即 川 ， ， 【 陈鸿凯 裂隙岩体渗流研究现 状 且 贡庆交通学院学报 ， ， 〕 姜立春 ， 吴爱祥 ， 陈嘉 生 高陡边坡地下 水渗流场三维有限 元分析及其实例研究 湘潭矿业学院学报 ， ， 汪益敏 ， 陈页 开 ， 韩大建 ， 等 降雨 入渗对边坡稳定影 响的 实例分析 岩石力学与工程学报 ， ， 【 〕 蔡美峰 ， 乔兰 ， 李长洪 ， 等 深 凹 露天 矿高等边 坡 稳定性分 析与设计优化 北京科技大学学报 ， ， 〔 」云 庆夏 露夭开采设计原理 北京 冶金工业出版社 ， 〔 罗 国煌 ， 王培清 ， 陈华生 岩 坡 优势面分析理论与方法 北 京 北京科技大学 ， 〔 孙世国 ， 王思敬 边坡岩体动态监测技术与破坏模式分析 ， 中国矿业 ， ， 一 几 七 ， 石卫 ， 欲 ， ， ， ， 认 ， ，