李长洪等：高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 ·1375 high-altitude cold area under mining disturbance conditions.The second problem is the aging characteristics and evaluation methods of the instability of a flow-solid-gas multi-phase multi-field coupled slope under freeze-thaw cycles.The future research direction and development trends in the deformation and failure of rock slopes in cold regions with high altitude were also analyzed.Research should be conducted on the following:(1)the damage degradation mechanism of rock masses with different stress paths coupled with freeze-thaw cycles,(2)the structural plane collapse mechanism and instability of rock slopes in high-altitude cold areas under the condition of blast mining,(3)the dynamic response and disaster occurrence law of jointed rock slopes in high-altitude cold areas under earthquake loading.(4)the mechanism of damage deterioration of jointed rock masses under multi-field and multi-phase coupling conditions,and(5)real-time safety monitoring and early-warning technology regarding the instability of multi-parameter cold resistance of mine slopes in high-altitude cold areas.These five research areas constitute the trends of future research. KEY WORDS alpine slope;freeze-thaw cycle;blast mining;dynamic response;multi-phase coupling;failure mechanism 我国低海拔金属矿资源量减少，而其需求量却 岩体边坡失稳问题亟待解决 不断增加，《全国矿产资源规划(2016一2020)》四 1高寒岩质边坡变形和破坏研究现状调研 指出金属矿产资源开发应该逐步向西部地区进 军，将高海拔寒区金属矿产资源开发上升到国家 高寒岩质边坡多数为岩性组合变化多、高陡 战略高度.高海拔高寒地区低温、低气压、冻融循 坡、强卸荷、多裂隙、冻融作用明显的边坡，一旦 环、生态脆弱等特点，导致矿山开采条件差、灾变 出现了变形和失稳，会严重影响工程各方面的进 机理复杂、人机功效低、救援难度大，而现有的开 展，本文从高寒岩体变形破坏室内岩石力学试 采理论与技术不能适用于高海拔寒区金属矿产资 验、相似模型试验、数值模拟、高寒边坡原位监测 源安全开采，迫切需要建立新理论，开发新技术与 以及失稳机理5个方面进行总结 装备 1.1高海拔寒区岩体室内岩石力学试验研究现状 爆破开采、冻融循环、地震等作用引起岩质边 高寒岩体变形破坏室内试验包括冻融循环条 坡地质灾害，致使高寒地区露天矿山岩质边坡的 件下的静态试验、爆破开采等应力扰动下的动态 破坏问题尤为突出.由于露天金属矿的开采致使 试验等 边坡长期暴露在自然环境中，受温度、渗流、采 1.1.1静态试验研究 矿、冻融等因素的影响，随着采动后暴露时间的延 ince和Fenerl)利用卡帕多西亚l0个火山碎 长，岩质边坡结构完整性和强度将逐渐下降，一旦 屑岩样品进行冻融(freeze-thaw简写为FT)循环 诱发灾害，将会给国家经济建设和人民生命财产 试验，建立强度损失百分比统计模型预测出火山 带来巨大损失.例如在2013年，我国西藏甲玛矿 碎屑岩单轴抗压强度损失百分比，具有较高的可 由于冻融循环和爆破开采等动载作用导致岩体劣 靠性.Jia等通过不同饱和度的砂岩试样的冻胀 化失稳，引起200多万方边坡塌方量，83名现场作 变形与单轴拉伸变形对比（如图1），不仅说明砂岩 业人员被埋，“3.29”塌方给人民的生命财产造成巨 冻胀变形与饱和度有关，而且证明超过一定饱和 大损失) 度之后的最大冻胀变形将会存在不可逆的残余变 目前，有关寒区煤矿露天边坡工程和金属矿 形.Han等阿研究砂岩试样在不同化学溶液和快 露天矿山边坡工程岩体在冻融循环条件下岩土体 速FT循环耦合作用下的损伤机理，结果表明砂岩 介质物理力学性质的研究多有报道.露天煤矿边 试样的断裂韧性和强度随着FT循环次数的增加 坡岩体强度较低，主要由沉积岩构成，层理明显且 出现不同程度的劣化.Chen等对软岩材料试件 夹层多，岩体较破碎，而露天金属矿边坡岩体强度 进行了T循环试验，建立冻融边坡稳定性的计算 较高，主要由岩浆岩、变质岩构成，断层、节理发 模型，结果表明含水率和冻融循环次数对软岩的 育，地质条件复杂.有关高寒高海拔地区金属矿露 力学参数有显着影响.Lu0等m采集某寒区铁矿边 天矿山边坡节理岩体在开采扰动条件下的力学响 坡辉绿岩，对比辉绿岩和变质辉绿岩的冻融系数 应、结构面灾变扩展机理的研究较少.随着“一带 (K)和岩石强度损失率(R)等指标，以此研究两 一路”建设的不断深入，确保露天矿山边坡开采边 种岩样冻融损伤劣化规律. 坡安全与提高经济效益之间的矛盾日渐明显，有 Ghobadi和Babazadeh对伊朗西部某地区砂 关高寒高海拔地区露天金属矿山开采相关的节理 岩试样进行了60次T循环试验，结果表明同一high-altitude cold area under mining disturbance conditions. The second problem is the aging characteristics and evaluation methods of the instability of a flow –solid –gas multi-phase multi-field coupled slope under freeze –thaw cycles. The future research direction and development trends in the deformation and failure of rock slopes in cold regions with high altitude were also analyzed. Research should be  conducted  on  the  following:  (1)  the  damage  degradation  mechanism  of  rock  masses  with  different  stress  paths  coupled  with freeze –thaw  cycles,  (2)  the  structural  plane  collapse  mechanism  and  instability  of  rock  slopes  in  high-altitude  cold  areas  under  the condition of blast mining, (3) the dynamic response and disaster occurrence law of jointed rock slopes in high-altitude cold areas under earthquake  loading,  (4)  the  mechanism  of  damage  deterioration  of  jointed  rock  masses  under  multi-field  and  multi-phase  coupling conditions, and (5) real-time safety monitoring and early-warning technology regarding the instability of multi-parameter cold resistance of mine slopes in high-altitude cold areas. These five research areas constitute the trends of future research. KEY WORDS    alpine slope；freeze-thaw cycle；blast mining；dynamic response；multi-phase coupling；failure mechanism 我国低海拔金属矿资源量减少，而其需求量却 不断增加，《全国矿产资源规划（2016—2020）》[1] 指出金属矿产资源开发应该逐步向西部地区进 军，将高海拔寒区金属矿产资源开发上升到国家 战略高度. 高海拔高寒地区低温、低气压、冻融循 环、生态脆弱等特点，导致矿山开采条件差、灾变 机理复杂、人机功效低、救援难度大，而现有的开 采理论与技术不能适用于高海拔寒区金属矿产资 源安全开采，迫切需要建立新理论，开发新技术与 装备. 爆破开采、冻融循环、地震等作用引起岩质边 坡地质灾害，致使高寒地区露天矿山岩质边坡的 破坏问题尤为突出. 由于露天金属矿的开采致使 边坡长期暴露在自然环境中，受温度、渗流、采 矿、冻融等因素的影响，随着采动后暴露时间的延 长，岩质边坡结构完整性和强度将逐渐下降，一旦 诱发灾害，将会给国家经济建设和人民生命财产 带来巨大损失. 例如在 2013 年，我国西藏甲玛矿 由于冻融循环和爆破开采等动载作用导致岩体劣 化失稳，引起 200 多万方边坡塌方量，83 名现场作 业人员被埋，“3.29”塌方给人民的生命财产造成巨 大损失[2] . 目前，有关寒区煤矿露天边坡工程和金属矿 露天矿山边坡工程岩体在冻融循环条件下岩土体 介质物理力学性质的研究多有报道. 露天煤矿边 坡岩体强度较低，主要由沉积岩构成，层理明显且 夹层多，岩体较破碎，而露天金属矿边坡岩体强度 较高，主要由岩浆岩、变质岩构成，断层、节理发 育，地质条件复杂. 有关高寒高海拔地区金属矿露 天矿山边坡节理岩体在开采扰动条件下的力学响 应、结构面灾变扩展机理的研究较少. 随着“一带 一路”建设的不断深入，确保露天矿山边坡开采边 坡安全与提高经济效益之间的矛盾日渐明显，有 关高寒高海拔地区露天金属矿山开釆相关的节理 岩体边坡失稳问题亟待解决. 1    高寒岩质边坡变形和破坏研究现状调研 高寒岩质边坡多数为岩性组合变化多、高陡 坡、强卸荷、多裂隙、冻融作用明显的边坡，一旦 出现了变形和失稳，会严重影响工程各方面的进 展. 本文从高寒岩体变形破坏室内岩石力学试 验、相似模型试验、数值模拟、高寒边坡原位监测 以及失稳机理 5 个方面进行总结. 1.1    高海拔寒区岩体室内岩石力学试验研究现状 高寒岩体变形破坏室内试验包括冻融循环条 件下的静态试验、爆破开采等应力扰动下的动态 试验等. 1.1.1    静态试验研究 İnce 和 Fener[3] 利用卡帕多西亚 10 个火山碎 屑岩样品进行冻融（freeze–thaw 简写为 FT）循环 试验，建立强度损失百分比统计模型预测出火山 碎屑岩单轴抗压强度损失百分比，具有较高的可 靠性. Jia 等[4] 通过不同饱和度的砂岩试样的冻胀 变形与单轴拉伸变形对比（如图 1），不仅说明砂岩 冻胀变形与饱和度有关，而且证明超过一定饱和 度之后的最大冻胀变形将会存在不可逆的残余变 形. Han 等[5] 研究砂岩试样在不同化学溶液和快 速 FT 循环耦合作用下的损伤机理，结果表明砂岩 试样的断裂韧性和强度随着 FT 循环次数的增加 出现不同程度的劣化. Chen 等[6] 对软岩材料试件 进行了 FT 循环试验，建立冻融边坡稳定性的计算 模型，结果表明含水率和冻融循环次数对软岩的 力学参数有显着影响. Luo 等[7] 采集某寒区铁矿边 坡辉绿岩，对比辉绿岩和变质辉绿岩的冻融系数 （Kf）和岩石强度损失率（Rσ）等指标，以此研究两 种岩样冻融损伤劣化规律. Ghobadi 和 Babazadeh[8] 对伊朗西部某地区砂 岩试样进行了 60 次 FT 循环试验，结果表明同一 李长洪等： 高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 · 1375 ·