楊天鴻，張鋒春，于慶磊，蔡美峰，李海洲

（1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，沈陽 110819；2.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

1 引 言

至上個世紀(jì)以來，國內(nèi)外露天礦開采所占的礦石產(chǎn)量比重相當(dāng)大。對于我國來講[1]，金屬礦山露天開采的鐵礦約占 80%～90%，有色金屬礦約占40%～50%，化工材料占70%，建筑材料占100%，露天煤礦開采比重一直在 5%左右，近年來隨著神華、神東礦區(qū)一些大型露天礦的上馬，表明未來露天開采的發(fā)展?jié)摿κ志薮蟆?/p>

從20世紀(jì)90年代到本世紀(jì)初，隨著資源的不斷開發(fā)利用，深凹露天礦成為世界上露天礦山的發(fā)展趨勢，目前世界上最大的露天礦—美國猶他州賓漢姆銅礦（Bingham Canyon copper mine），寬為4000 m，深為1200 m，面積為7.7 km2；規(guī)模較大的智利丘基卡瑪塔（Chuquicamata）銅礦，目前礦深達(dá)850 m，到2020年將達(dá)到1100 m；俄羅斯的烏達(dá)企納亞（Udachnaya pipe）鉆石礦，開采深度也已超過600 m。我國現(xiàn)有的16座大型冶金露天礦山已全部轉(zhuǎn)入深部凹陷開采，最大凹陷深度將達(dá)到或超過500 m，如首鋼水廠鐵礦最終邊坡垂直高度為760 m、最終凹陷開采深度為540 m。深凹開采過程中，隨著邊坡的加高和開采深度的增加，一方面，邊坡穩(wěn)定性和安全性越來越差；另一方面，對大型露天礦山，提高邊坡角又是充分回收資源、降低生產(chǎn)成本、增加開采效益的重要手段之一。如 1981年6月，攀鋼石灰石礦采場西部發(fā)生1100×104t的大滑坡，迫使該礦山企業(yè)投入巨資進(jìn)行滑坡體處理和重新設(shè)計(jì)、改造。20世紀(jì)90年代撫順西露天礦北幫邊坡大規(guī)模傾倒滑移變形[2]，國內(nèi)外罕見，嚴(yán)重影響地面工業(yè)、民用建筑的安全，國家投資幾個億開展大規(guī)?；轮卫?。據(jù)統(tǒng)計(jì)[3]，一個大型高邊坡總體坡角加陡一度，可節(jié)省剝巖費(fèi)用數(shù)以千萬元乃至億元人民幣。因此，露天礦深部開采過程中確保邊坡安全和提高經(jīng)濟(jì)效益的矛盾日益突出。深入開展礦山高大巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)機(jī)制及預(yù)測預(yù)報的基礎(chǔ)研究，對于推動我國未來的邊坡治理技術(shù)發(fā)展、防治高大巖質(zhì)邊坡誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害、保證礦山安全生產(chǎn)具有重要的理論與實(shí)際意義。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析

露天礦邊坡穩(wěn)定性研究歷來是露天礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)問題，并一直是巖石力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的基本命題?；仡櫄v史，露天礦邊坡穩(wěn)定性研究經(jīng)歷了由經(jīng)驗(yàn)到理論、由定性到定量、由單一評價到綜合評價、由傳統(tǒng)理論和方法到新理論、新方法、新技術(shù)的發(fā)展過程[4]，對確保礦山邊坡穩(wěn)定起到巨大作用。

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析方法研究現(xiàn)狀

2.1.1 工程地質(zhì)分析法

工程地質(zhì)分析法是通過工程地質(zhì)勘察，對影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素、可能的變形破壞方式及力學(xué)機(jī)制、變形地質(zhì)體的成因及其演化史進(jìn)行分析，得到邊坡穩(wěn)定性狀況及其發(fā)展趨勢的定性說明與解釋，其理論基礎(chǔ)是地質(zhì)成因演化論、工程地質(zhì)類比法及巖體結(jié)構(gòu)控制理論[5－7]。對于地質(zhì)條件復(fù)雜的礦山巖質(zhì)邊坡，該法在確定滑坡模式和機(jī)制方面獨(dú)具價值[6,8]，為定量研究邊坡穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)。

2.1.2 極限平衡分析法

極限平衡法是納入設(shè)計(jì)規(guī)程的邊坡穩(wěn)定分析的重要和最常用方法，從廣義上來說，該方法也屬于數(shù)值分析方法的一種，但由于其通用性和實(shí)用性，人們將其作為單獨(dú)的一類方法列出。極限平衡法假設(shè)邊坡出現(xiàn)滑動面且處于極限平衡狀態(tài)，然后將邊坡離散成有垂直邊界的剛體條塊，建立條塊之間的靜力平衡方程，通過求解靜力平衡方程得到邊坡的安全系數(shù)。

早期的極限平衡條分法是1916年由瑞典人彼德森提出，后來Fellenius，Taylor，Bishop，Janbu，Morgenstern和Price，Spencer，Sarma[9－10]，陳祖煜[11]等很多學(xué)者致力于對條分法的改進(jìn)。目前，剛體極限平衡方法已經(jīng)從二維發(fā)展到了三維，我國學(xué)者陳祖煜[12]、朱大勇[13]、鄭宏[14]在理論計(jì)算方面做出了突出的貢獻(xiàn)。

剛體極限平衡法其力學(xué)模型簡單，可對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量評價，但不能考慮坡體中的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，只是給出所有可能的危險滑動范圍，對于均勻土質(zhì)邊坡計(jì)算結(jié)果較好。但該方法需對滑坡邊界條件進(jìn)行簡化，人為假定條塊之間的作用力方向和位置，對于由復(fù)雜介質(zhì)和邊界組成的巖質(zhì)滑坡體，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相比有很大誤差。

2.1.3 極限分析法

塑性極限分析法將滑坡體看作服從流動法則的理想塑性材料，以極限狀態(tài)時自重和外荷載所做的功等于滑裂面上阻力所消耗的功為條件，結(jié)合塑性極限分析的上、下限定理，求得邊坡極限荷載與安全系數(shù)。塑性極限分析最早由Drucker和Prager于1952年提出，70年代潘家錚[15－16]提出了滑坡極限分析的兩條基本原理——極大和極小值原理，Donald[17]和陳祖煜[18]從變形協(xié)調(diào)出發(fā)建立運(yùn)動許可速度場，根據(jù)外力功和內(nèi)能耗散的原理確定安全系數(shù)。塑性極限分析方法得出的是安全系數(shù)的一個范圍，而且只能得出非常理想條件下邊坡穩(wěn)定的解析解；另外，極限分析法很難考慮復(fù)雜荷載及滲流等因素影響。

2.1.4 數(shù)值分析方法

隨著計(jì)算機(jī)的普及和發(fā)展，數(shù)值計(jì)算方法發(fā)展迅速:有限差分法、有限單元法、邊界元法、無單元法、無網(wǎng)格法、離散單元法、不連續(xù)變形分析方法、快速拉格朗日插值方法、流形元方法等方法在邊坡穩(wěn)定性分析中得到普遍應(yīng)用。離散單元法[19]和FLAC-3D（快速拉格朗日法）[20]是美國學(xué)者Cundall教授提出的兩種計(jì)算方法，在解決離散的、非連續(xù)的問題和大變形問題方面有著極其廣泛的應(yīng)用范圍與發(fā)展前途[21－23]，其不足之處是缺乏嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)。一些不連續(xù)變形分析方法[24]、流形元[25]、PFC（particle flow code）[26]、RFPA（realistic failure process analysis）[27]等數(shù)值方法廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析中，促進(jìn)了人們對邊坡破壞失穩(wěn)機(jī)制的認(rèn)識。

有限元法是一種較成熟的數(shù)值方法，在邊坡巖土體的穩(wěn)定性分析中應(yīng)用最早于1967年，也是目前最廣泛使用的一種數(shù)值分析方法。有限元法能夠考慮滑體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，保持了嚴(yán)密的理論體系，能夠模擬滑體與支護(hù)的共同作用，對于滑體變形和滲流作用的耦合計(jì)算有很大的優(yōu)勢。但它還不能很好地求解大變形和位移不連續(xù)等問題。邊坡穩(wěn)定性分析的有限元法大體上可以分為兩類:一是基于滑面應(yīng)力分析的有限元法（slip surface stress analysis，簡稱SSA），它是將極限平衡原理與有限元計(jì)算結(jié)果相結(jié)合的一種方法（Zou等[28]；Duncan[29]），以有限元應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，用不同的優(yōu)化方法確定最危險滑動面，計(jì)算過程簡單，便于實(shí)際應(yīng)用，缺點(diǎn)是在理論上有缺陷，不能反映滑體最容易出現(xiàn)破壞的區(qū)域和破壞演進(jìn)過程。二是基于強(qiáng)度折減的有限元法（strength reduction method，簡稱SRM），是一種直接的方法，最早由Zienkiewice于1975年提出，其基本原理是將強(qiáng)度折減概念、極限平衡原理與有限元原理相結(jié)合，首先對邊坡強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，得到一組新的強(qiáng)度參數(shù)值；然后以這組新值作為輸入?yún)?shù)進(jìn)行有限元計(jì)算，對計(jì)算過程中的某些數(shù)學(xué)特征進(jìn)行分析，直至據(jù)這些數(shù)學(xué)特征認(rèn)為邊坡失穩(wěn)，此時對應(yīng)的折減系數(shù)值就是邊坡的最小安全系數(shù)。許多學(xué)者在這方面做了大量的工作[30－33]。流形元法綜合吸收了有限元法與DDA 法各自的優(yōu)點(diǎn)，可有效地計(jì)算連續(xù)體的小變形到不連續(xù)體大變形的發(fā)展過程。

滑坡演化是一個從聯(lián)系變形到非聯(lián)系破壞乃至分離的過程，把有限元法等連續(xù)介質(zhì)方法和離散單元法等不連續(xù)介質(zhì)方法結(jié)合起來，是數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展趨勢。

2.1.5 可靠性分析方法

由于巖土介質(zhì)的特殊性（巖土體參數(shù)的離散性、隨機(jī)性），在工程設(shè)計(jì)、施工、使用過程中具有種種影響工程安全、使用的不確定性因素，所以在工程設(shè)計(jì)中采用確定性方法進(jìn)行邊坡安全性能評估是不科學(xué)的。邊坡工程的可靠性分析方法正是借鑒了結(jié)構(gòu)工程可靠性分析理論的方法，結(jié)合邊坡工程的特點(diǎn)，把邊坡巖體性質(zhì)、荷載、地下水、破壞模式、計(jì)算模型等視為隨機(jī)變量，結(jié)合某些合理的分布函數(shù)來描述它們，用可靠指標(biāo)和破壞概率評價邊坡的安全度的理論體系。把工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)有工程的安全性評價建立在可靠性分析的基礎(chǔ)上是當(dāng)前的發(fā)展趨勢[34]。

可靠度理論應(yīng)用于邊坡工程是從20世紀(jì)70年代后期開始的[35－36]，許多學(xué)者對邊坡可靠度的研究做出了卓有成效的貢獻(xiàn)[37－42]。尤其是祝玉學(xué)的《邊坡可靠性分析》[35]和王家臣[43]的《邊坡工程隨機(jī)分析原理》專著的出版，標(biāo)志著我國對于邊坡可靠性理論方面的研究進(jìn)入了一個嶄新的階段。

邊坡可靠性分析所常用的方法有[44－47]:蒙特卡洛模擬法（Monte Carlo）、一次二階矩法（又稱rosenblueth法）、統(tǒng)計(jì)矩法、隨機(jī)有限元法。近些年有很多學(xué)者致力于可靠性分析方法的應(yīng)用研究，在大冶鐵礦東露天擴(kuò)幫區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析[46]、黃河山東堤段邊坡穩(wěn)定性分析[48]、三峽庫區(qū)滑坡[49]和小浪底進(jìn)水口邊坡穩(wěn)定性分析[50]中得到成功應(yīng)用。

由于邊坡巖體性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造等多方面的差異，實(shí)際邊坡的漸進(jìn)破壞與理論模型有一定的差距[51]。鄭潁人[52]院士指出:“邊坡的穩(wěn)定分析、參數(shù)選用，至今仍是一大技術(shù)難題，特別是巖質(zhì)邊坡尚沒有實(shí)用的分析方法”。

2.2 邊坡監(jiān)測研究現(xiàn)狀

巖質(zhì)邊坡地質(zhì)條件和影響因素的復(fù)雜性決定了邊坡穩(wěn)定性分析必須依靠邊坡監(jiān)測手段來監(jiān)控和驗(yàn)證。從目前邊坡監(jiān)測分析來看，國內(nèi)外采用的傳統(tǒng)的監(jiān)測儀器和方法有:（1）坡表大地測量（經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、測距儀、全站儀等）；（2）GPS監(jiān)測[53]；（3）位移計(jì)；（4）紅外遙感監(jiān)測法；（5）激光微小位移監(jiān)測[54]；（6）合成孔徑雷達(dá)干涉測量（SAR interferometry，INSAR）[55]；（7）時間域反射測試（TDR）技術(shù)；（8）坡體內(nèi)部的鉆孔傾斜儀、錨索測力計(jì)和水壓監(jiān)測儀等；（9）聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)等。

但這些邊坡監(jiān)測系統(tǒng)中，（1）～（7）主要從邊坡的外表進(jìn)行監(jiān)測，（8）～（9）對于滑坡體地表以下的深部進(jìn)行監(jiān)測。其中目前采用時間域反射測試光纖技術(shù)（TDR），通過監(jiān)測埋入崩滑體監(jiān)測鉆孔內(nèi)同軸電纜的變形狀態(tài)，可獲取崩滑體地表以下的變形信息，具有定位準(zhǔn)確、全孔連續(xù)觀測等優(yōu)點(diǎn)[56－57]。隨著科技水平的日益提高，從坡表變形監(jiān)測到坡體內(nèi)部空間非接觸、全遙控、高智能、高精度的綜合監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用是未來邊坡監(jiān)測的發(fā)展趨勢。

作為一種時空動態(tài)監(jiān)測方法，近年來聲發(fā)射（微震）監(jiān)測技術(shù)[58]能夠及時發(fā)現(xiàn)巖體內(nèi)部破裂，可作為評價巖體穩(wěn)定性的重要監(jiān)測工具。通過運(yùn)用聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，人們己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了聲發(fā)射區(qū)域監(jiān)測、聲發(fā)射源的位置定位，實(shí)時在線監(jiān)測等功能。從而在工程的穩(wěn)定性評價、預(yù)測預(yù)報大面積地質(zhì)災(zāi)害等方面取得了可喜的成就[59－65]。美國、加拿大、澳大利亞、前蘇聯(lián)等國家早在70年代就把微震監(jiān)測方法應(yīng)用于礦山巖爆等災(zāi)害預(yù)測，國內(nèi)徐州礦務(wù)局三河間等煤礦[66]、凡口鉛鋅礦等冶金礦山[67]針對巖爆或沖擊地壓也進(jìn)行了微震監(jiān)測研究。巖石聲發(fā)射技術(shù)在邊坡監(jiān)測方面的應(yīng)用剛剛起步[59－60]，文獻(xiàn)[68－69]用聲發(fā)射和位移樁相結(jié)合監(jiān)測邊坡的穩(wěn)定性，并根據(jù)聲發(fā)射事件密度確定滑坡臨界值。尤其是Cai M[70－71]結(jié)合現(xiàn)場實(shí)例，應(yīng)用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)反分析隧道圍巖體強(qiáng)度分布。研究表明，微震監(jiān)測數(shù)據(jù)不但可以分析圍巖破壞位置，而且可以進(jìn)一步反演分析巖體強(qiáng)度，為圍巖破壞失穩(wěn)預(yù)測預(yù)報提供了科學(xué)理論方法，具有重大的科學(xué)價值。

由于滑坡屬于巖體破裂過程失穩(wěn)問題，經(jīng)歷連續(xù)變形到非連續(xù)破壞的過程。若能把傳統(tǒng)的坡表位移監(jiān)測方法和監(jiān)測坡體內(nèi)部損傷破壞的聲發(fā)射方法有機(jī)結(jié)合起來，從不同角度監(jiān)測邊坡失穩(wěn)全過程，必將對于邊坡穩(wěn)定性評價和失穩(wěn)預(yù)測研究具有重要的指導(dǎo)作用。

2.3 邊坡巖體損傷劣化動態(tài)分析及參數(shù)反演

2.3.1 邊坡漸進(jìn)損傷劣化動態(tài)分析

滑坡是在弱層、結(jié)構(gòu)面等地質(zhì)內(nèi)因條件下，在降雨、爆破震動乃至地震等外因觸發(fā)作用下，漸進(jìn)損傷劣化引起的強(qiáng)度隨時間衰減的結(jié)果。由于邊坡漸進(jìn)損傷劣化機(jī)制和時間演化趨勢十分復(fù)雜，人們提出描述邊坡動態(tài)失穩(wěn)的流變元件模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛽p傷力學(xué)模型[72－78]。Geeralt等[73]采用黏-彈塑性有限元模型描述大型蠕變邊坡的力學(xué)行為。Christopher等[74]提出了滑坡的突變-破裂模型，認(rèn)為災(zāi)難性滑坡是巖石強(qiáng)度從峰值到殘余值快速降低和災(zāi)難所需最小滑動體積兩者綜合的結(jié)果。陳衛(wèi)兵等[75]采用強(qiáng)度折減原理，分析了巖土體流變特性對邊坡變形及穩(wěn)定的影響。鄭東健等[76]在深入分析邊坡變形的影響因素及因子模式的基礎(chǔ)上，通過融合回歸分析和遞推模型的優(yōu)點(diǎn)，建立了邊坡變形的多因素回歸時變預(yù)測模型。張我華等[77]根據(jù)檢測損傷巖石有效彈性模量的統(tǒng)計(jì)值來估計(jì)隨機(jī)損傷變量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，提出用隨機(jī)損傷力學(xué)的觀點(diǎn)和方法分析隨機(jī)損傷巖石邊坡穩(wěn)定性的失效概率與可靠性問題。王家臣等[78]通過對鞍鋼眼前山露天鐵礦南幫邊坡巖體隨采場逐漸下降過程中概率損傷演化規(guī)律的數(shù)值模擬，計(jì)算得出邊坡巖體在不同開采階段的損傷張量的均值與標(biāo)準(zhǔn)差，為評價露天礦邊坡可靠性的動態(tài)變化規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。

邊坡失穩(wěn)的演化過程中，宏觀蠕動變形是坡體內(nèi)部漸進(jìn)損傷劣化的結(jié)果，損傷使得巖體材料的力學(xué)特性不斷劣化。因此，邊坡中巖體的損傷狀態(tài)可通過特性參數(shù)如有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)（c、φ）的時效變化來估計(jì)。據(jù)此，根據(jù)邊坡巖體損傷的時效特性，建立邊坡巖體力學(xué)參數(shù)反演方法和損傷演化動態(tài)穩(wěn)定性評價模型，是認(rèn)清滑坡機(jī)制的關(guān)鍵。

2.3.2 邊坡巖體力學(xué)參數(shù)反演

由于邊坡失穩(wěn)機(jī)制十分復(fù)雜，所以采用反分析法來研究邊坡系統(tǒng)的失穩(wěn)也是發(fā)展的一大趨勢[79]，目前有限元數(shù)值方法和最優(yōu)化方法相結(jié)合，巖土邊坡彈性變形參數(shù)（E、μ）的識別方法比較成熟[80]。而搜索邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)（c、f），其反演的目標(biāo)函數(shù)難以確定。

由于露天礦開挖本身就是一種最有效、最直接的工程巖體揭露與勘察，邊坡巖體揭露的大量結(jié)構(gòu)面為測量統(tǒng)計(jì)提供詳盡的數(shù)據(jù)。所以目前國際上強(qiáng)調(diào)邊坡巖體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)選取嚴(yán)格建立在巖體節(jié)理統(tǒng)計(jì)和質(zhì)量分級的基礎(chǔ)上[81]。無論是各種分級系統(tǒng)還是 Hoek-brown破壞準(zhǔn)則[82]、破壞概率分析[83]，隨機(jī)-模糊分析[84]等方法，都是對室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)的適當(dāng)折減和加權(quán)平均，Lysandros Pantelidis[85]對各種巖體分級系統(tǒng)的進(jìn)行系統(tǒng)回顧，分析各分級系統(tǒng)這間的相似性及其差異，并討論各分級系統(tǒng)的可靠性，認(rèn)為“巖體分級系統(tǒng)只是考慮了巖體破壞的靜態(tài)影響因素（水、地應(yīng)力），而忽略了巖體破壞的動態(tài)觸發(fā)因素”（水壓變化、爆破震動、工程開挖等），該學(xué)者提出今后發(fā)展趨勢:要綜合考慮動態(tài)觸發(fā)因素和巖體破壞程度。作者認(rèn)為，基于巖體質(zhì)量分級得到的抗剪強(qiáng)度只是初步的取值范圍和對巖體初始損傷的粗略估計(jì)，而微震監(jiān)測是巖體損傷演化的有效監(jiān)測方法和手段，需要通過微震等手段進(jìn)一步對邊坡巖體損傷程度進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，才能真實(shí)實(shí)現(xiàn)巖體強(qiáng)度的實(shí)時標(biāo)定。

MS/AE監(jiān)測數(shù)據(jù)可以捕捉到巖體峰前、峰值、峰后的應(yīng)力變化，提供了巖體變形階段性能的有用信息，目標(biāo)函數(shù)可以定義為巖體應(yīng)力階段、峰值強(qiáng)度的聲發(fā)射門檻值，這樣能夠從巖體破壞機(jī)制方面認(rèn)識邊坡巖體失穩(wěn)孕育過程強(qiáng)度演化規(guī)律[68]。

大量的巖石力學(xué)AE試驗(yàn)研究[68]認(rèn)識到聲發(fā)射率和塑性應(yīng)變率有一定的對應(yīng)關(guān)系，聲發(fā)射率可以被用來確定巖石試樣的初始損傷（Kaiser效應(yīng)）和損傷積累。室內(nèi)試驗(yàn)可以建立聲發(fā)射事件及聲發(fā)射門檻值與載荷水平及單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。在巖石介質(zhì)中傳播的聲發(fā)射（AE）信號波絕大部分在1～500 kHz之間。對于工程巖體，信號頻率在 0.1～10 kHz或更低范圍的稱為微震（MS）事件。雖然室內(nèi)巖塊和現(xiàn)場巖體 MS/AE頻率、波速和事件數(shù)量不同，但都客觀反映了其損傷積累，裂紋貫通和微裂隙能量的傳播，所以現(xiàn)場微震信號MS與室內(nèi)試樣聲發(fā)射AE信號規(guī)律具有相似性，都具有MS初始門檻值和損傷臨界門檻值。但由于工程巖體復(fù)雜性和現(xiàn)場監(jiān)測的局限性，微震用于巖體破壞監(jiān)測存在很多技術(shù)問題，在時空方面將產(chǎn)生較大測試誤差，需要進(jìn)行校正工作——反演分析。

2.4 邊坡失穩(wěn)預(yù)測預(yù)報研究現(xiàn)狀

通過邊坡巖體力學(xué)參數(shù)測試反演、穩(wěn)定性評價和變形破壞監(jiān)測，最終目的是進(jìn)行邊坡失穩(wěn)預(yù)測及滑坡預(yù)報，是礦山生產(chǎn)實(shí)踐必須回答的問題，也是巖石力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難題。由于邊坡地質(zhì)條件和變形破壞過程的機(jī)制十分復(fù)雜，且對各種影響因素的交互效應(yīng)和時空效應(yīng)還不能進(jìn)行可靠的定量描述，因此，掌握邊坡破壞規(guī)律和進(jìn)行滑坡預(yù)測預(yù)報的難度較大。雖然有像新灘滑坡等令人鼓舞的成功預(yù)報，但更多地是滑坡災(zāi)害發(fā)生的慘痛教訓(xùn)。目前常用的預(yù)測預(yù)報方法主要有以下幾種。

2.4.1 統(tǒng)計(jì)歸納法

其代表為齋藤法和曲線擬合法，主要以現(xiàn)象預(yù)報和經(jīng)驗(yàn)預(yù)報為主。其中齋騰法，以土體蠕變理論為基礎(chǔ)，以應(yīng)變速率為基本參數(shù)，建立了加速蠕變的微分方程，可對崩塌性滑坡發(fā)生時間進(jìn)行預(yù)測，在滑坡預(yù)測理論研究上是一次突破性進(jìn)展[86]。曲線擬合法，是利用滑坡變形曲線的形態(tài)和趨勢進(jìn)行外延并推求滑動時間的外延法[87]。晏同珍[88]于1989年應(yīng)用二次回歸曲線擬合Vajont水庫滑坡位移速度v隨時間t變化的動態(tài)規(guī)律，得出回歸方程并進(jìn)行反演擬合預(yù)報，得到滿意的結(jié)果。

2.4.2 灰色系統(tǒng)理論

鄧聚龍教授 1980年首次提出灰色系統(tǒng)預(yù)報方法[89]；灰色理論利用較少的或不確切的表示系統(tǒng)行為特征的原始數(shù)據(jù)序列作生成變換后建立微分方程，從而確定系統(tǒng)在未來發(fā)展變化的趨勢，揭示了系統(tǒng)內(nèi)部事物連續(xù)發(fā)展變化的過程。1988年，陳明東、王蘭生教授[90]首次將灰色系統(tǒng)理論中的GM（1，1）模型法引入滑坡位移-時間曲線的擬合外推，提出利用濾波灰色分析法進(jìn)行滑坡預(yù)報；蔣剛，林魯生等考慮了觀測資料的非等間隔性，利用灰色系統(tǒng)理論建立邊坡變形觀測資料的GM（l，1）模型，模型較好地反映了邊坡變形的趨勢[91]。常用的灰色模型GM（1,1）模型描述了一個隨時間t按指數(shù)規(guī)律遞增（0a＜）或衰減（0a＞）的過程，但不排斥由于隨機(jī)干擾所引起的局部波動，對于巖質(zhì)邊坡這種復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)而言，必須不斷補(bǔ)充信息，預(yù)測才有實(shí)際意義。

2.4.3 時序分析法

時間序列分析是概率統(tǒng)計(jì)學(xué)科的一個分支，它是運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)的理論和方法來分析隨機(jī)數(shù)據(jù)序列（或稱動態(tài)數(shù)據(jù)序列），并對其建立數(shù)學(xué)模型，并借助一定規(guī)則來推測未來。郝小員等[92]以滑坡位移時序觀測資料為依據(jù)，引用非平穩(wěn)時間序列理論對邊坡變形位移觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，對邊坡變形發(fā)展趨勢做出預(yù)報。周創(chuàng)兵等[93]根據(jù)邊坡位移時間序列的非線性性質(zhì)，應(yīng)用基于相空間重構(gòu)的實(shí)時預(yù)測方法，充分利用時間序列信息，預(yù)測各種邊坡變形演化趨勢。還有許多學(xué)者也在該領(lǐng)域做出了貢獻(xiàn)[94－97]。該方法要求數(shù)據(jù)序列為平穩(wěn)、正態(tài)的序列，而在邊坡工程的實(shí)測中，測得位移序列一般不可能為平穩(wěn)、正態(tài)的隨機(jī)序列，這些特點(diǎn)大大限制了時間序列模型的應(yīng)用。

2.4.4 非線性理論方法

邊坡作為一個地質(zhì)系統(tǒng)，不僅內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且不斷通過水循環(huán)、熱交換、風(fēng)化、剝蝕卸荷等作用與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，使系統(tǒng)不斷地實(shí)現(xiàn)無序到有序、平衡態(tài)到近平衡態(tài)再到遠(yuǎn)離平衡態(tài)的演化和發(fā)展，是一種復(fù)雜自組織演化過程。隨著系統(tǒng)科學(xué)和非線性科學(xué)的發(fā)展，非線性科學(xué)被引入到地質(zhì)災(zāi)害的研究中，提出了一些基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[98－103]、突變理論[104]、協(xié)同理論[105]、重正化群理論[106]、混沌理論[107]等非線性理論的預(yù)測模型。由于滑坡演變的復(fù)雜性及外界環(huán)境的多變性，要建立滑坡孕育過程的非線性動力學(xué)方程決非易事，但作為觀念上的更新，對今后進(jìn)一步的研究將產(chǎn)生很大影響[108]。

2.4.5 系統(tǒng)理論方法

由于邊坡巖體是一三維空間隨機(jī)介質(zhì)，影響因素十分復(fù)雜，邊坡的破壞具有漸進(jìn)發(fā)展規(guī)律，所以邊坡工程是一個系統(tǒng)工程[109]，這些特點(diǎn)需要應(yīng)用可靠性和隨機(jī)性方法進(jìn)行系統(tǒng)研究。邊坡穩(wěn)定分析的系統(tǒng)方法主要理論依據(jù)是邊坡變形破壞行為所表現(xiàn)出的非線性[110－111]（巖石材料的無序分布，影響邊坡穩(wěn)定的因素很多，巖石破壞的非線性不可逆過程）。現(xiàn)代系統(tǒng)理論作為一種方法論，可以很好地闡釋邊坡系統(tǒng)演化的內(nèi)在規(guī)律與發(fā)展機(jī)制。以系統(tǒng)工程分析方法為指導(dǎo)的邊坡穩(wěn)定性研究途徑正在形成和完善。

2.4.6 多元信息融合法

隨著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在20世紀(jì)70～80年代產(chǎn)生了一個稱為“數(shù)據(jù)融合”的全新概念，即將多傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行所謂的“融合處理”，可以得到比任何單一傳感器所獲得數(shù)據(jù)更多的有用信息。稱為“多源信息融合”[112]。謝謨文、蔡美峰[113]提出了“信息邊坡工程學(xué)”的概念，在文獻(xiàn)中，將最新的GIS等信息技術(shù)與邊坡穩(wěn)定性分析的力學(xué)方法相結(jié)合，將傳統(tǒng)的力學(xué)分析方法向信息化、可視化及時空四維化轉(zhuǎn)換，形成了一個新興的研究領(lǐng)域—信息邊坡工程學(xué)。

對于復(fù)雜的邊坡工程問題，其三維空間穩(wěn)定性取決于復(fù)雜空間分布的地形、地層、巖土力學(xué)參數(shù)及地下水等因素，但這些空間分布的信息很難在一般的邊坡（三維）穩(wěn)定性分析系統(tǒng)中處理；同時考慮到邊坡巖體及其穩(wěn)定性的時間效應(yīng)，邊坡穩(wěn)定性實(shí)質(zhì)上是一個時空四維問題。GIS恰好提供了一個公用的平臺來處理這些復(fù)雜的時空四維信息。信息邊坡工程學(xué)將邊坡工程與信息技術(shù)緊密結(jié)合，以現(xiàn)代高新信息技術(shù)GIS為平臺，研究邊坡的時空四維穩(wěn)定、災(zāi)害控制及環(huán)境影響等穩(wěn)定性相關(guān)問題。利用現(xiàn)代高精尖測量監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行邊坡快速實(shí)時信息獲取及分析處理，為邊坡穩(wěn)定性分析與評價綜合信息和數(shù)據(jù)的實(shí)時、自動采集和更新提供了有力的工具[113－122]。

滑坡孕育過程分不同階段，所以滑坡預(yù)報分中長期預(yù)報、短期預(yù)報和臨滑預(yù)報?；瑒用嫘纬芍蟮念A(yù)報為短期預(yù)報和臨滑預(yù)報，采用統(tǒng)計(jì)歸納法、灰色系統(tǒng)理論、時序分析法和非線性理論方法比較適合。而滑動面未知及影響因素不確定情況下的預(yù)報比較復(fù)雜，采用系統(tǒng)理論方法和多元信息融合法比較合理。

綜上所述，當(dāng)前滑坡綜合預(yù)測預(yù)報的思路為（鄭穎人，2008）:動態(tài)、多手段、全過程、分階段動態(tài)評價預(yù)測，從定性、定量、定勢的角度，通過滑坡宏觀現(xiàn)象觀察，監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與數(shù)值計(jì)算等多種手段，建立全過程標(biāo)準(zhǔn)體系，引進(jìn)穩(wěn)定安全系數(shù)定量標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行持續(xù)、全過程的綜合分析分階段進(jìn)行預(yù)報。

3 露天礦邊坡工程的特點(diǎn)

露天礦邊坡工程有其自身的特點(diǎn)[1]，不同于水利水電工程、公路工程等其他巖體邊坡，只有深刻認(rèn)識這些特點(diǎn)，才能準(zhǔn)確地開展滑坡穩(wěn)定性研究，其特點(diǎn)主要有如下幾個方面:

3.1 工程活動的多樣性和影響因素的復(fù)雜性

露天礦邊坡工程的復(fù)雜性除了表現(xiàn)在地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間分布的隨機(jī)性之外，還突出表現(xiàn)在:（1）工程活動的多樣性，體現(xiàn)在露天開采和井工開采的復(fù)合作用，很多露天礦上部邊坡加陡、到界、閉坑、內(nèi)部排土等，同時下面井工采動或露天轉(zhuǎn)井下開采，使得邊坡幾乎全部處于采礦巖移擾動范圍內(nèi)。（2）影響因素的耦合作用，體現(xiàn)在降雨誘發(fā)的水壓變化和爆破震動引起的巖體損傷破壞。

3.2 邊坡工程的時效性

為了減少初期基建開拓工程量及其費(fèi)用，縮短基建時間，使露天礦盡快投產(chǎn)，以便產(chǎn)生良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，露天礦的邊坡大多屬于臨時性邊坡，服務(wù)年限長短不一，對其穩(wěn)定性評價的要求亦就不盡相同，只要能保證相應(yīng)期間的生產(chǎn)與安全即可。露天礦邊坡工程的時效性決定了其穩(wěn)定性評價也具有時效性。

3.3 邊坡及巖體的可變形性

不但可以允許邊坡巖體產(chǎn)生一定的變形，甚至可以允許產(chǎn)生一定的破壞，只要這種變形及破壞不致影響露天礦的安全生產(chǎn)即可。這樣要求在保證在礦山的服務(wù)年限內(nèi)不至于發(fā)生大滑坡前提下，確定使露天采礦能取得最大技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的、最陡的邊坡角。

3.4 邊坡穩(wěn)定性認(rèn)識的階段性、循環(huán)性和動態(tài)穩(wěn)定性[1]

露天礦開采活動貫穿于礦山服務(wù)期限的始終，而且露天礦開挖本身就是一種最有效、最直接的工程揭露與勘察，隨著露天礦開采，對礦山工程地質(zhì)條件的認(rèn)識可以不斷的深化，具有階段性及循環(huán)性?？梢娺吰路€(wěn)定是一個動態(tài)穩(wěn)定的過程[123]，為此應(yīng)盡可能地調(diào)節(jié)不同階段的工程地質(zhì)勘察、評價工作的內(nèi)容與目標(biāo)，以便與露天礦的生產(chǎn)及露天礦邊坡穩(wěn)定性評價的不同階段相適應(yīng)。

綜上所述，露天礦邊坡工程具有“動態(tài)性”特點(diǎn)，“動態(tài)”穩(wěn)定性的內(nèi)涵包括:（1）客觀對象動態(tài)發(fā)展，必須跟蹤監(jiān)測其穩(wěn)定性；（2）主觀認(rèn)識隨采礦發(fā)展逐步深化，具有階段性，需要不斷修正計(jì)算的條件和參數(shù)，穩(wěn)定性評價也是動態(tài)的；（3）礦山邊坡的時效性（允許一定變形破壞）為“監(jiān)測-計(jì)算互動”提供數(shù)據(jù)采集分析的客觀條件；總之，邊坡動態(tài)評價是一個理論計(jì)算和現(xiàn)場監(jiān)測“互動“的不斷循環(huán)過程，這才符合礦山邊坡特點(diǎn)。

4 露天礦邊坡穩(wěn)定性研究存在問題及研究發(fā)展趨勢

4.1 存在問題

（1）傳統(tǒng)的礦山邊坡穩(wěn)定預(yù)測方法以坡體變形表觀信息為監(jiān)測對象，難以掌握滑坡預(yù)測所必需的坡體內(nèi)部“時空前兆特征”（滑動面位置如何形成發(fā)展）

巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的發(fā)生與其內(nèi)部的微震活動有著必然聯(lián)系，當(dāng)巖質(zhì)邊坡表面發(fā)生了可監(jiān)測到的位移時，實(shí)際上邊坡巖體內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生了微破裂。邊坡坡表位移監(jiān)測預(yù)測預(yù)報的“提前量”不足。作者認(rèn)為，邊坡位移的發(fā)生滯后于微震活動，微震活動是巖質(zhì)邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的前兆。傳統(tǒng)的邊坡表面位移監(jiān)測，依據(jù)變形量、變形速度、變形加速度等指標(biāo)判斷位移曲線的發(fā)展趨勢進(jìn)行“時間”上的滑坡預(yù)測預(yù)報，不能考察邊坡失穩(wěn)前巖體內(nèi)部微震活動的孕育、演化、繁衍對邊坡失穩(wěn)的影響，難以反映巖質(zhì)邊坡漸進(jìn)破裂誘致失穩(wěn)過程中微震活動規(guī)律及失穩(wěn)機(jī)制的本質(zhì)。

需要強(qiáng)調(diào)的是，露天礦開挖其應(yīng)力釋放與轉(zhuǎn)移過程中，單個臺階邊坡表層巖體破壞多是以松動變形破壞為主，露天礦許可小范圍的破壞。但我們更關(guān)心的是多個臺階的整體邊坡破壞，這種破壞規(guī)模大，災(zāi)害性強(qiáng)。目前一些露天礦邊坡高度可達(dá)400～500 m，應(yīng)力集中程度增大，整體破壞過程聲發(fā)射與微震信號更明顯，為微震監(jiān)測設(shè)備應(yīng)用提供廣闊的空間。

（2）缺乏對地質(zhì)環(huán)境劣化（卸荷、滲流、爆破震動載荷等）誘發(fā)滑坡內(nèi)部漸進(jìn)損傷演化過程時空標(biāo)定方法和強(qiáng)度參數(shù)有效的表征分析方法。

露天礦邊坡巖體，開挖卸荷及滲流、動載荷作用下，損傷擾動區(qū)是控制邊坡的變形與失穩(wěn)主要因素[124－126]，該區(qū)定義為開挖面附近由于開挖引起的巖石破裂、應(yīng)力重分布、巖體失水等而使巖石性質(zhì)或狀況發(fā)生改變了的區(qū)域。位移反饋分析在考慮松動區(qū)因素后才能獲得與觀測值基本一致的成果[127－134]。邊坡開挖松動區(qū)的研究目前尚較為欠缺，特別是在理論研究方面需要借鑒新的理論與方法，研究中也特別需要強(qiáng)調(diào)原生結(jié)構(gòu)面在松動區(qū)形成與發(fā)展過程中的作用。由于巖體變形破壞實(shí)質(zhì)上是能量耗散與能量釋放的綜合結(jié)果。能量耗散主要用于巖體誘發(fā)損傷導(dǎo)致材料性質(zhì)劣化和強(qiáng)度損失；能量釋放是引發(fā)巖體突然破壞的內(nèi)在原因[135－139]。深入研究開挖松動區(qū)的形成與損傷力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)表征十分重要。

降雨滲流和爆破振動對巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在以下幾方面[140－141]:首先是“弱化”作用，即水侵蝕和爆破振動荷載的反復(fù)作用會導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低。其次是“附加荷載”作用，即水壓和爆破振動慣性力的作用使坡體整體下滑力增大，可能導(dǎo)致邊坡的動力失穩(wěn)。更復(fù)雜的是上述因素耦合起來作用，如何識別和表征這種巖體強(qiáng)度參數(shù)的弱化演化規(guī)律，目前偏重理論機(jī)制研究，缺乏實(shí)際有效的量化監(jiān)測手段。

不管邊坡巖體的影響因素和機(jī)制多么復(fù)雜，其結(jié)果最終都體現(xiàn)在巖體損傷破壞，由于每一個微震信號都包含著巖體內(nèi)部狀態(tài)變化的豐富信息，對接收到的微震信號進(jìn)行處理、分析，可作為評價巖體穩(wěn)定性的依據(jù)。所以，采用微震手段標(biāo)定和表征巖體損傷演化和強(qiáng)度指標(biāo)具有重要的科學(xué)價值和實(shí)際意義。

4.2 研究發(fā)展趨勢

綜合邊坡穩(wěn)定性研究的發(fā)展趨勢、露天礦邊坡工程的特點(diǎn)和存在的問題，作者認(rèn)為:

（1）從巖體失穩(wěn)的監(jiān)測實(shí)踐角度來看，隨著目前高科技的發(fā)展，從坡表到坡體內(nèi)部的各種遙控、智能、高精度的監(jiān)測技術(shù)日益完善，尤其是微震監(jiān)測的數(shù)據(jù)是邊坡巖體破裂和損傷引起破壞的指示器，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)時觀測和定位邊坡巖體全部加載歷史損傷演化過程，其缺點(diǎn)是提供的數(shù)據(jù)有限，如何處理和解釋這些數(shù)據(jù)需要巖體損傷力學(xué)、波動力學(xué)方面的理論方法支持。

據(jù)此，建立巖體內(nèi)部應(yīng)力積累誘發(fā)巖體破壞演化規(guī)律與微震活動性之間的內(nèi)在聯(lián)系，探求巖體微震活動前兆信息，實(shí)現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的預(yù)測分析。

（2）從巖體失穩(wěn)的損傷理論及穩(wěn)定性角度分析，基于損傷理論的數(shù)值分析手段優(yōu)點(diǎn)是提供邊坡穩(wěn)定性的全面評價數(shù)據(jù)和機(jī)制解釋，但缺點(diǎn)是參數(shù)確定和實(shí)際有一定的距離，目前建立的邊坡巖體松動損傷演化模型及力學(xué)參數(shù)表征方法缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證[142－144]。

據(jù)此，研究邊坡巖體內(nèi)部損傷破壞區(qū)的形成機(jī)制與強(qiáng)度參數(shù)表征方法，建立基于微震監(jiān)測信息反演的巖體損傷演化力學(xué)模型（讓強(qiáng)度折減法具有客觀依據(jù)，讓微震監(jiān)測分析有牢固的力學(xué)基礎(chǔ)）。

（3）從露天礦邊坡工程的特點(diǎn)分析，其邊坡工程具有時效性（允許一定程度的變形破壞），為“客觀監(jiān)測與主觀理論分析計(jì)算”互動提供數(shù)據(jù)采集分析的客觀條件，同時促進(jìn)了理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合?？傊?，邊坡動態(tài)評價預(yù)測是一個理論計(jì)算和現(xiàn)場監(jiān)測不斷循環(huán)升華的過程，這才符合礦山邊坡工程的特點(diǎn)。

作者提出“邊坡巖體破壞（微震活動性）是邊坡巖體失穩(wěn)前兆本質(zhì)特征”這一學(xué)術(shù)思路，認(rèn)為礦山邊坡穩(wěn)定研究的發(fā)展趨勢為:建立基于微震監(jiān)測信息反演的邊坡巖體內(nèi)部損傷演化模型，提出露天礦邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)識別表征方法（讓強(qiáng)度折減法具有客觀依據(jù)，讓微震監(jiān)測分析有牢固的力學(xué)基礎(chǔ)）和動態(tài)穩(wěn)定性評價方法，尋求邊坡失穩(wěn)過程巖體內(nèi)部“空間”損傷劣化的微震活動性、強(qiáng)度弱化與邊坡動態(tài)失穩(wěn)之間的聯(lián)系，以微震前兆信息和邊坡巖體強(qiáng)度儲備系數(shù)為失穩(wěn)判據(jù)，實(shí)現(xiàn)露天礦邊坡穩(wěn)定性動態(tài)分析預(yù)測。

5 結(jié) 論

（1）邊坡失穩(wěn)過程中內(nèi)部漸進(jìn)損傷演化過程時空標(biāo)定方法不準(zhǔn)和強(qiáng)度參數(shù)有效的表征不可靠，是導(dǎo)致理論上嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆€(wěn)定性分析方法和實(shí)際狀況脫節(jié)的原因。

（2）露天礦邊坡客觀對象是動態(tài)發(fā)展，必須跟蹤監(jiān)測其穩(wěn)定性；同時主觀的穩(wěn)定性評價隨采礦發(fā)展也是動態(tài)的。礦山邊坡的時效性（允許一定變形破壞），為“客觀監(jiān)測與主觀理論計(jì)算評價”相互動態(tài)修正提供了客觀條件，促進(jìn)了理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合?？傊?，露天礦邊坡動態(tài)評價是一個理論計(jì)算和現(xiàn)場監(jiān)測“互動”的不斷循環(huán)過程，這才符合礦山邊坡的特點(diǎn)。

（3）提出“邊坡巖體漸進(jìn)損傷破壞（微震活動性）是邊坡巖體失穩(wěn)前兆本質(zhì)特征”這一學(xué)術(shù)思路，認(rèn)為露天礦邊坡預(yù)測預(yù)報研究發(fā)展趨勢為建立基于微震監(jiān)測信息反演的邊坡巖體內(nèi)部損傷演化模型，提出露天礦邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)識別表征方法（讓強(qiáng)度折減法具有客觀依據(jù)，讓微震監(jiān)測分析有牢固的力學(xué)基礎(chǔ)）和動態(tài)穩(wěn)定性評價方法，尋求邊坡失穩(wěn)過程巖體內(nèi)部“空間”損傷劣化的微震活動性、強(qiáng)度弱化與邊坡動態(tài)失穩(wěn)之間的聯(lián)系，以微震前兆信息和邊坡巖體強(qiáng)度儲備系數(shù)為失穩(wěn)判據(jù)，實(shí)現(xiàn)露天礦邊坡穩(wěn)定性動態(tài)分析預(yù)測。

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