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