PAGE1基于slide軟件的某廢棄礦山邊坡穩(wěn)定性研究摘要渭北地區(qū)的礦產(chǎn)資源十分豐富，擁有陜西省儲量最大的石灰?guī)r資源，當(dāng)?shù)氐V山礦區(qū)極多，由于長期高強(qiáng)度開采，礦區(qū)缺乏有效的管理檢測與治理模式，治理恢復(fù)難度比較大。同時，渭北石灰?guī)r礦區(qū)所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，再加上受到外界環(huán)境影響，招致礦區(qū)可能爆發(fā)多種重大的地質(zhì)災(zāi)禍。對渭北地區(qū)礦區(qū)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查與分析，對礦山恢復(fù)與治理都有深遠(yuǎn)的意義。根據(jù)現(xiàn)有調(diào)查資料與查詢文獻(xiàn)，了解邊坡穩(wěn)定性方法國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，得到對渭北地區(qū)石灰?guī)r礦礦區(qū)某邊坡工程的地質(zhì)綜合分析與危險性區(qū)劃研究。本次課題利用Slide5.0軟件對渭北地區(qū)廢棄礦山邊坡進(jìn)行建模、數(shù)值模擬，不同工況對邊坡穩(wěn)定性有不同的影響，本次課題著重考慮降雨、地震、坡頂荷載幾種不同的工況影響，利用畢肖普法、瑞典條分法等方法模擬降雨工況、地震工況、坡頂均布荷載條件、坡頂集中荷載條件幾種不同工況條件下邊坡的安全系數(shù)及穩(wěn)定特征。根據(jù)模擬結(jié)果得到的云圖與安全系數(shù)，對渭北地區(qū)礦山邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。關(guān)鍵詞：礦山邊坡；slide5.0軟件；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性分析；安全系數(shù)目錄TOC\o"1-3"\h\u12391緒論 144361.1選題背景 1207531.2總體研究目標(biāo) 1302521.2.1研究內(nèi)容 1240821.2.2技術(shù)路線 2215502邊坡穩(wěn)定性分析方法研究現(xiàn)狀 336172.1定性分析方法 3231392.1.1歷史成因分析法 3231632.1.2工程地質(zhì)類比法 3291932.1.3圖解法 3206282.2定量分析方法 4161922.2.1確定性分析方法 498572.2.2不確定性分析方法 482903工程背景 619203.1.1自然地理 6268373.1地理氣象特征 65073.1.2氣象水文 6152443.2區(qū)域地質(zhì)特征 726863.2.1地形地貌 7191083.2.2地層巖性 8254603.2.3水文地質(zhì)條件 9114413.2.5工程地質(zhì)條件 10306273.3礦山地質(zhì)環(huán)境問題 10158073.4邊坡露頭巖體完整性區(qū)劃 11260533.4.1分區(qū)標(biāo)準(zhǔn) 11289483.4.2區(qū)劃結(jié)果 12116983.5邊坡巖體危險性區(qū)劃 13251333.5.1邊坡危險性評價因子的選取 13132903.5.2邊坡危險性評價單元的劃分 1498803.5.3不同評價因子的分析與區(qū)劃 15139673.5.4邊坡危險性模糊綜合評價 16121764基于slide的邊坡穩(wěn)定性分析 18263824.1Slide軟件簡介 18167744.2巖石力學(xué)參數(shù)選取 18138154.3軟件建模 18309814.4數(shù)值模擬 19245024.4.1降雨工況條件下邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析 21297784.4.2地震工況條件下邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析 23256744.4.3坡頂均布荷載條件下邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析 25171294.4.4坡頂集中荷載條件下邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析 27132205結(jié)論 3113085參考文獻(xiàn) 321緒論1.1選題背景渭北地區(qū)地處陜北黃土高原和關(guān)中平原之間，該區(qū)域交通便利，礦產(chǎn)資源豐富，存有陜西省儲存量最大的石灰?guī)r資源，也是全省水泥、石灰等建材的重要源頭。由于長期高強(qiáng)度開采，形成大面積的高陡巖質(zhì)邊坡，治理恢復(fù)難度比較大。同時，渭北石灰?guī)r礦區(qū)所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，再加上受到外界環(huán)境影響，招致礦區(qū)可能爆發(fā)多種重大的地質(zhì)災(zāi)禍。近年來礦區(qū)建設(shè)發(fā)展迅速，礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測與治理又比較缺乏，這也導(dǎo)致礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題一直得不到改善，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻繁，嚴(yán)重威脅礦區(qū)人民安全和資源開發(fā)。因此，亟待對渭北地區(qū)石灰?guī)r礦礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查研究，開展專項(xiàng)邊坡穩(wěn)定性評價和破壞模式分析研究工作，為渭北典型石灰?guī)r礦礦山地質(zhì)環(huán)境的研究提供豐富的資料，為渭北石灰?guī)r礦礦區(qū)開采區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的防治，特別是露天開采高陡巖質(zhì)邊坡的監(jiān)測與治理提供智能的、科學(xué)的依據(jù)，對渭北地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境的防治具備非常重要的指導(dǎo)意義。1.2總體研究目標(biāo)1.2.1研究內(nèi)容對渭北地區(qū)石灰?guī)r礦礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查研究，開展專項(xiàng)邊坡穩(wěn)定性評價和破壞模式分析研究工作，通過對渭北地區(qū)地質(zhì)條件的收集分析和現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查，閱讀相關(guān)文獻(xiàn)與書籍，掌握理論基礎(chǔ)，總結(jié)已有成果，完成石灰?guī)r礦礦區(qū)某邊坡工程地質(zhì)綜合分析及危險性區(qū)劃研究。采用巖土工程slide5.0邊坡穩(wěn)定性分析軟件，建立渭北石灰?guī)r廢棄礦山邊坡二維力學(xué)計算模型，對以下幾種工況進(jìn)行分析研究：（1）降雨工況條件下危險邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析；（2）地震工況條件下危險邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析；（3）坡頂均布荷載條件下邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析；（4）坡頂集中荷載條件下邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析，通過軟件數(shù)值模擬分析，揭示出不同工況條件下調(diào)查邊坡的安全系數(shù)及穩(wěn)定特征。1.2.2技術(shù)路線本次課題的總體步驟為根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查信息，對渭北地區(qū)廢棄礦山邊坡工程進(jìn)行地質(zhì)綜合分析以及危險性區(qū)劃研究，隨后結(jié)合地質(zhì)物理特性用slide5.0軟件進(jìn)行模擬，最后根據(jù)軟件運(yùn)行得到的結(jié)果分析邊坡穩(wěn)定性。流程圖如圖1.1。圖1.1邊坡穩(wěn)定性分析步驟2邊坡穩(wěn)定性分析方法研究現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析方法是邊坡穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)。作為邊坡問題研究中重要組成部分之一，邊坡穩(wěn)定性的分析過程一般為以下幾個步驟：通過實(shí)際的邊坡模擬力學(xué)模型，再從力學(xué)模型推導(dǎo)得出數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過計算，最后求得結(jié)論。因此，對于邊坡穩(wěn)定性的分析技術(shù)方法的研究，也就可以分成對其各個組成部分的研究，邊坡計算方法的研究貫徹了整個邊坡穩(wěn)定問題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步也在不斷地發(fā)展與自我完善，近年來邊坡穩(wěn)定性分析技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了發(fā)展迅速，其進(jìn)步情況可大體歸納為以下內(nèi)容:2.1定性分析方法定性分析方法REF_Ref26171\r\h[1]的本質(zhì)就是通過對滑坡形成原因和其歷史變遷過程的分析,從而展開對邊坡穩(wěn)定性的全面性分析，達(dá)到評測邊坡未來發(fā)展?fàn)顩r的目的。定性分析法的核心內(nèi)容就是發(fā)現(xiàn)影響邊坡穩(wěn)定性的因素,并以此推出對于邊坡未來的發(fā)展趨勢和目前的穩(wěn)定情況的估計。在邊坡工程搶險中進(jìn)行定性的評估尤為重要。2.1.1歷史成因分析法歷史成因分析法REF_Ref2263\r\h[2]與地質(zhì)環(huán)境因素密不可分，主要通過邊坡所處的地形地貌環(huán)境，加上對邊坡破壞形式的分析，以此推算出邊坡的形成與變形過程，最終實(shí)現(xiàn)對邊坡綜合性分析與未來評估。歷史成因分析法通常需要經(jīng)驗(yàn)條件，往往依賴人的主觀判斷，多在天然斜坡中比較容易用到。2.1.2工程地質(zhì)類比法該方法的實(shí)質(zhì)是以確定的已知邊坡與需要研究的未知邊坡進(jìn)行對比分析，主要內(nèi)容是對已知邊坡的地質(zhì)地貌條件等因素進(jìn)行調(diào)查研究，分析兩種邊坡之間的相同與差異，以此推導(dǎo)影響穩(wěn)定性因素的相同與差異。REF_Ref26259\r\h[3]這種工程地質(zhì)類比方法是一種實(shí)用經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計方法,在一些小型工程邊坡設(shè)計里非常普遍。2.1.3圖解法基于不同的理論基礎(chǔ)，將邊坡相關(guān)參數(shù)用圖解的形式展現(xiàn)，找到滑坡因素的相互關(guān)系，從而求出需要的信息。圖解法分為兩類，分別以諾模圖和投影圖為理論基礎(chǔ)，評測邊坡穩(wěn)定性與相關(guān)力學(xué)信息REF_Ref26301\r\h[4]。2.2定量分析方法定量評價方法目前都是以定性分析方法為基礎(chǔ)，定量分析方法的結(jié)果一般為確定的數(shù)值。定量分析方法其實(shí)不是一種只依靠數(shù)據(jù)就能推出結(jié)果的方法，往往需要人主觀的判斷來推導(dǎo)，才能得到最后的結(jié)果。下面列出幾種常見的定量分析方法：2.2.1確定性分析方法1）極限平衡分析法極限平衡理論REF_Ref26350\r\h[5]是最常見的研究邊坡穩(wěn)定性問題的分析方法之一，它以mohr-Coulomb理論為基本準(zhǔn)則，其核心內(nèi)容是將整個滑動體看作是剛性體，然后以某種規(guī)定將剛體平均劃分為一個個小剛體，這些小剛體可以將復(fù)雜的滑動體形狀改變成比較簡單易算的形狀，通過對這些小剛體作極限平衡分析，可以推出整個滑動體的極限平衡方程。其中比較著名的有瑞典條分法。數(shù)值分析方法數(shù)值分析方法的實(shí)質(zhì)是通過分析得到邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)以及邊坡變形的現(xiàn)象與規(guī)律，并且考慮巖體內(nèi)部的力的平衡關(guān)系，通過建立數(shù)值模型來模擬邊坡內(nèi)部的這些力的關(guān)系，從而對邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行評評估與預(yù)測。2.2.2不確定性分析方法1）可靠度分析方法可靠度分析方法REF_Ref26416\r\h[6]是將邊坡巖體的各個不確定的隨機(jī)因素統(tǒng)籌考慮，比如巖體的物理特性、地下水的作用等因素，然后將這些不確定因素與實(shí)際邊坡的情況相結(jié)合，達(dá)到對邊坡穩(wěn)定性評估的目的。2）灰色系統(tǒng)方法灰色系統(tǒng)方法REF_Toc1778\r\h[7]REF_Ref26595\r\h[8]的實(shí)質(zhì)是以灰色關(guān)聯(lián)方法原理為基礎(chǔ)，綜合考慮系統(tǒng)中的灰色系統(tǒng)信息，然后將這些灰色量用物理模型進(jìn)行模擬分析，利用他們之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，來判斷邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的程度。灰色系統(tǒng)是指在信息系統(tǒng)中既存在確定的信息，又存在不確定性的信息的系統(tǒng)。模糊綜合評價法模糊綜合評價法的原理是將所有影響邊坡穩(wěn)定性的因素統(tǒng)籌考慮并加以分析，利用最大隸屬度原則對邊坡進(jìn)行分類評價REF_Ref26602\r\h[9]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來看，模糊評判法有利也有弊，優(yōu)點(diǎn)是其可以多方面從更多影響因素來考慮評價邊坡穩(wěn)定性；缺點(diǎn)是最終的結(jié)果往往也要依賴人的自主判斷。3工程背景3.1.1自然地理寶雞市地處陜西關(guān)中平原西部，全市總面積18172km2，市區(qū)面積3630km2。寶雞市自然資源豐富，包括礦產(chǎn)資源，動、植物資源、地?zé)豳Y源等，其中礦產(chǎn)資源最為豐富，各類礦種高達(dá)45種，有一些礦產(chǎn)儲量位居全省總儲量前列；市區(qū)交通網(wǎng)將各縣（區(qū)）相連，各縣（區(qū)）內(nèi)縣道、村道四通八達(dá)，交通便利。咸陽市位于陜西關(guān)中平原中部，與寶雞市接壤，總面積9543km2。咸陽市歷史悠久，礦產(chǎn)資源眾多，其中以煤炭資源為主，預(yù)測儲量150多億噸，年產(chǎn)量達(dá)700萬噸，在陜西省煤炭總儲量和產(chǎn)量的排名里，咸陽高居第二位。全市立體交通網(wǎng)絡(luò)體系四通八達(dá)，交通地理位置極佳。3.1地理氣象特征3.1.2氣象水文寶雞市位于內(nèi)陸腹地，屬于暖溫帶半濕潤性氣候，是典型的季風(fēng)性氣候。年平均降水量在600~800mm，年平均氣溫在7~13度。根據(jù)相關(guān)資料表明，寶雞市的黃河流域水系主要被劃分為兩大黃河流域以及長江流域，根據(jù)地理位置，兩大流域恰好以秦嶺為邊界，因此，秦嶺以北的地理位置廣泛遍布著主要是分屬于黃河流域的渭河與其他主要支流的水系；秦嶺以南位置則以嘉陵江和漢江的部分支流和河源段地區(qū)為主，屬于長江流域REF_Ref26876\r\h[10]。咸陽市因其所處的地理位置，南北氣候特點(diǎn)明顯不同。南部地區(qū)地處平原，氣候溫和，四季分明；北部地區(qū)地處高原，因此氣溫比南部要稍低，春冬季略長。年均降水量約為500~600mm左右。咸陽市內(nèi)涇河從西北入境，向東南流出注入渭河REF_Ref8646\r\h[11]。涇渭全線遍布著不計其數(shù)的河溝。調(diào)查區(qū)地表水系圖見圖3.1。圖3.1地表水系圖3.2區(qū)域地質(zhì)特征3.2.1地形地貌調(diào)查區(qū)的主要地貌單元為一級黃土臺塬，海拔高度750～1600米，地勢趨向總體上大致是由西北方向東南方傾斜，包括寶雞的千河上游隴縣東北部-千陽縣西北部-鳳翔縣東北部-麟游南部一帶，以及咸陽的淳化南部，乾縣、禮泉、涇陽和三原的北山局部。黃土丘陵為土石丘陵，坡頂為薄層黃土覆蓋，坡面基巖出露，區(qū)內(nèi)地形地貌圖見圖3.2。圖3.2調(diào)查區(qū)地形地貌圖3.2.2地層巖性調(diào)查區(qū)內(nèi)石灰?guī)r開采區(qū)主要由寒武系、奧陶系、石炭系地層組成，第四系地層在地表大面積出露。（1）寒武系(∈)出露于咸陽市南部乾縣羊毛灣水庫以南，涇陽口鎮(zhèn)以東等地，以及寶雞隴縣西北部、千陽西南和中北部結(jié)合地帶、鳳翔中東部--岐山北部--扶風(fēng)北部一線，本系含有重要的白云巖和石灰?guī)r地層。（2）奧陶系（O）分布于于麟游、永壽、乾縣、禮泉、淳化、涇陽境內(nèi)，隴縣西北部、千陽西南和中北部結(jié)合地帶、鳳翔中東部--岐山北部--扶風(fēng)北部一線、鳳縣中北部一帶。組成咸陽北山之主體。主要有石灰?guī)r、白云巖和粘土巖等。（3）第四系（Q）廣泛分布于區(qū)內(nèi)，發(fā)育完整，巖性以風(fēng)積黃土為主，夾數(shù)層古土壤層，覆蓋于基巖之上，沉積厚度約70m。礦產(chǎn)主要有粘土巖和建筑砂礫石，并且與下伏地層為不整合接觸。3.2.3水文地質(zhì)條件（1）地下水類型 ①第四系松散層孔隙、裂隙潛水這種地下水包括各類碎屑巖裂隙潛水和孔隙、裂隙潛水，主要存于黃土的大孔隙、垂直節(jié)理裂隙和基巖節(jié)理裂隙、層面、孔隙、細(xì)層間隙及砂巖孔隙等藏水孔隙中，其富集和運(yùn)移主要受地形地貌、巖性及其組合控制。在區(qū)域上還受大氣降水的控制變化較大，其富水性在空間分布上有差異。承壓水含水巖組富水性與渭河北岸斷裂緊密相關(guān)，巖性在斷裂處兩端有較大區(qū)別。斷層以北地層由第四系下更新統(tǒng)洪擊巖層組成，含水層厚度50-100m左右。斷層以南為中更新統(tǒng)沖湖積巖層組成，含水層厚度為50-100m左右。其中承壓水含水巖組底板埋深約為300m，特點(diǎn)是從北向南含水層厚度逐漸增加，富水性增強(qiáng)。②基巖裂隙水咸陽境內(nèi)基巖裂隙水埋深約1000-4000m左右，含水層為泥巖、砂質(zhì)泥巖與砂礫巖互層組成，分布于涇河、黑河、南河及其支流溝谷中。常以泉的形式排泄，泉眼雖多但水量小，泉水受氣候季節(jié)影響，多為間歇性下降泉，涌水量與降水量正相關(guān)。寶雞境內(nèi)的基巖裂隙水主要存于各類巖石的孔隙裂隙中。碎屑巖類露頭較高，碎屑巖類孔隙、裂隙多與外界相連通，調(diào)查區(qū)內(nèi)的碎屑巖孔隙裂隙潛水主要為潛水，其富水性受到是由于對孔隙與裂縫的發(fā)展和滲漏程度的控制，主要特點(diǎn)有富水性較差，埋深相對比較大，透水性能比較差。③碳酸鹽巖類孔隙水主要分布在寶雞市碳酸鹽巖主要分布于隴縣西部、千陽西南和中北部結(jié)合地帶、鳳翔中東部-岐山北部-扶風(fēng)北部一線、鳳縣中北部一帶和陳倉區(qū)西部，巖性為奧陶紀(jì)、寒武紀(jì)、薊縣紀(jì)化學(xué)沉積或生物沉積的石灰?guī)r、白云巖，溶蝕及裂隙發(fā)展程度決定了其富水性的能力。總體上來說，淺層地下水匱乏，富水性極弱；深層地下水豐富REF_Toc6796\r\h[12]，局部有泉水出露，終年不涸。（2）地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件地下水的補(bǔ)給、徑流、和排泄條件的影響因素有很多，例如巖石特性，地形地貌條件等。咸陽市的地下水一般由大氣降水補(bǔ)給。在黃土臺塬處，水流一直垂直向下移動，直到遇到隔水層，受阻后變成沿著地層水平方向移動。地下水主要通過人工開采的河道或者側(cè)向支流排泄。地下水位也是影響邊坡體穩(wěn)定性的重要因素，地表水滲流，在二者的共同作用下，經(jīng)常誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。寶雞市的地下水一般為渭河上游地表水和大氣降水的補(bǔ)給，隴山東坡、千山南麓、秦嶺北麓的地下水由峰嶺向渭河谷地及下游相鄰市縣徑流，最后經(jīng)渭河地下徑流和地表徑流排泄出境；千山北麓的地下水則由南向北向涇河發(fā)生徑流排泄。大氣降水入滲后，均側(cè)向向溝谷徑流或在山體中向山體下游或鄰近山體徑流，局部以泉的方式排泄入谷，排泄入溝谷后逐級匯入渭河各級支流，最終匯入渭河干流。3.2.5工程地質(zhì)條件（1）巖體泥巖、砂巖、礫巖、頁巖、灰?guī)r，大面積分布，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，表層風(fēng)化裂隙密集，遇水易軟化膨脹，力學(xué)強(qiáng)度低，白堊系砂礫巖和砂巖一般可透水，為含水層，泥巖不透水，為隔水層。白云巖灰?guī)r等主要分布于為奧陶紀(jì)、寒武紀(jì)地層，境內(nèi)分散分布在隴縣西部、千陽西南和中北部結(jié)合地帶、鳳翔中東部-岐山北部-扶風(fēng)北部一線、鳳縣中北部一帶和陳倉區(qū)西部,致密堅(jiān)硬，力學(xué)強(qiáng)度高，弱風(fēng)化。（2）土體分布于關(guān)中平原以北的地區(qū)，總體上呈帶狀分布，主要為分布于黃土臺塬~梁峁上第四紀(jì)黃土。主要分布于黃土臺塬、殘塬區(qū)，溝壑丘陵區(qū)也分布甚廣。包括上、中、下更新統(tǒng)午城三門組、離石組、馬蘭組，巖性為粘土、粉質(zhì)粘土夾棕紅色古土壤層及鈣質(zhì)結(jié)核等。坡體構(gòu)造面軟弱，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，當(dāng)受到地表水、地下水侵蝕時易發(fā)生滑坡或崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。3.3礦山地質(zhì)環(huán)境問題礦產(chǎn)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生是在自然和人為的雙重作用下，導(dǎo)致礦山地質(zhì)生態(tài)環(huán)境的惡化，給人類的生存和發(fā)展帶來極大威脅，我國的礦山種類比較多，分布面積比較廣，對于國家發(fā)展和人民生活所造成的影響比較大。近幾年來礦山危害還呈現(xiàn)出了上升的趨勢，其中比較常見的礦山危害包括以下幾種：滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。調(diào)查統(tǒng)計表明，寶雞市礦山共計占用毀壞土地約340公頃，咸陽市礦山共計占用毀壞土地約440公頃。區(qū)內(nèi)礦山共計占用毀壞耕地55公頃、林地240公頃、草地125公頃、其它類型土地360公頃。寶雞市、咸陽市礦山數(shù)量大大小小共100余個，這些礦山基本上都是露天開采，石灰?guī)r露天開采，破壞了原有的地貌景觀，形成了大面積的高陡巖面以及采坑，植被剝離，巖石裸露，大大增加了發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性。3.4邊坡露頭巖體完整性區(qū)劃3.4.1分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)作為決定巖體功能與特性的重要因素之一，巖體的完整程度的影響不容忽視，因此，需要對巖體完整性進(jìn)行分區(qū)。影響巖體完整性的因素有很多，根據(jù)不同的劃分條件，有不同的劃分結(jié)果；比較常見的是根據(jù)結(jié)構(gòu)面的特性來進(jìn)行劃分，例如結(jié)構(gòu)面的幾何形狀與結(jié)構(gòu)面的物理特性REF_Ref27059\r\h[13]。這些影響因素彼此相互聯(lián)系并且數(shù)據(jù)繁多，很難統(tǒng)籌考慮全部用來作為劃分邊坡巖體完整程度的依據(jù)。本次課題以工程巖體的穩(wěn)定性主要考慮方向，主要考慮影響巖體穩(wěn)定的方面，分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)果更容易讓人接受。因此，巖體完整程度的也就以巖體的完整與結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度作為分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。本次區(qū)劃將邊坡巖體完整性劃分為五個等級，如表3.3所示。表3.3邊坡巖體完整性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)序號分類巖體完整性狀態(tài)色譜1A類完整整體狀2B類較完整塊狀3C類較破碎層狀4D類破碎碎裂狀5E類極破碎散體狀跟據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-2001）》，邊坡巖體的完整程度等級定性劃分標(biāo)準(zhǔn)按表3.4所示。表3.4巖體完整程度的定性分類表完整程度結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度主要結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度主要結(jié)構(gòu)面類型相應(yīng)結(jié)構(gòu)類型組數(shù)平均間距（m）完整1-2＞1.0結(jié)合好或結(jié)合一般裂隙、層面整體狀或巨厚層狀結(jié)構(gòu)較完整1-2＞1.0結(jié)合差裂隙、層面塊狀或厚層狀結(jié)構(gòu)2-31.0-0.4結(jié)合好或結(jié)合一般塊狀結(jié)構(gòu)較破碎2-31.0-0.4結(jié)合差裂隙、層面、小斷層裂隙塊狀或中厚層狀結(jié)構(gòu)≥30.4-0.2結(jié)合好鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)結(jié)合一般中、薄層狀結(jié)構(gòu)破碎≥30.4-0.2結(jié)合差各種類型結(jié)構(gòu)面裂隙塊狀結(jié)構(gòu)≤0.2結(jié)合一般或結(jié)合差碎裂狀結(jié)構(gòu)極破碎無序—結(jié)合很差—散體狀結(jié)構(gòu)3.4.2區(qū)劃結(jié)果經(jīng)過對現(xiàn)場調(diào)查，按照表3.3和表3.4的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，主要對采場進(jìn)行完整性的定性描述和分區(qū)，最終區(qū)劃如圖所示。圖3.5邊坡露頭巖體完整性分區(qū)（1）完整分區(qū)（A）按照表3.4的定性分類標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，該區(qū)域邊坡巖體“完整分區(qū)”主要集中在部分區(qū)域，總體上完整巖體較少，僅僅存在于部分區(qū)域，為圖中的綠色部分。（2）較完整分區(qū)（B）按照表3.4的定性分類標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果區(qū)域邊坡出露巖體總體上為較完整區(qū)域，為厚層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合較好，占邊坡露出巖體的大部分面積，表示為圖中的藍(lán)色部分。（3）較破碎分區(qū)（C）按照表3.4的定性分類標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，調(diào)查區(qū)極少部分巖體為層狀構(gòu)造呈較破碎狀態(tài)。該區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)以裂隙塊狀結(jié)構(gòu)為主，主要分布在邊坡出露面的邊緣部位，詳細(xì)分布如圖3.5所示，用黃色標(biāo)識的區(qū)域內(nèi)均為較破碎分區(qū)。（4）極破碎分區(qū)（E）極破碎區(qū)分布在整個巖質(zhì)邊坡底部，為人工治理覆土與巖塊碎屑堆積體，區(qū)域中間邊坡臺階區(qū)域也存在巖塊碎屑堆積，因人為原因這些區(qū)域巖塊極為破碎，在圖中以紅色的部分標(biāo)識。3.5邊坡巖體危險性區(qū)劃3.5.1邊坡危險性評價因子的選?。?）陜西渭北石灰?guī)r礦邊坡危險性影響因素分析渭北石灰?guī)r礦邊坡穩(wěn)定性影響因素繁多,受地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌，外部條件控制，主要分為內(nèi)部因素與外在因素兩部分，下面列出比較重要的幾種影響；內(nèi)部因素：地形地貌條件常見的地形和地貌是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素，有坡高、坡角、坡度等，另外，邊坡本身的大小和形狀也可能會直接影響邊坡的穩(wěn)定性。這些都是屬于大地內(nèi)部力相互作用而導(dǎo)致產(chǎn)生的邊坡形態(tài)原理。所以，邊坡特殊的地形條件和環(huán)境狀況會對其平整程度和穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用。地層巖性巖石巖性直接控制了邊坡的穩(wěn)定性，巖石具有不同的礦物成分，物理特性，這些都是巖石的基本因素。不同巖性的巖石，其破壞的形式也不盡相同。例如一些巖組的某種巖石的親水性、抗風(fēng)化能力會決定其在不同的環(huán)境下會有不同的結(jié)果。地質(zhì)構(gòu)造與巖體結(jié)構(gòu)二者都是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。地質(zhì)構(gòu)造包括一些巖體的斷層，節(jié)理的發(fā)育程度，區(qū)域構(gòu)造，邊坡所處地段的一些形態(tài)等。巖體結(jié)構(gòu)主要與結(jié)構(gòu)面的因素有關(guān)，包括結(jié)構(gòu)面的傾向、走向、組數(shù)與數(shù)量等等，結(jié)構(gòu)面性狀與邊坡穩(wěn)定性密不可分。外部因素：風(fēng)化作用風(fēng)化作用是由于巖體在地表裸露，大氣作用下，巖石產(chǎn)生一系列變形破壞的現(xiàn)象，導(dǎo)致巖石本身的物理形狀與化學(xué)成分都發(fā)生了變化。風(fēng)化作用會造成邊坡巖體結(jié)構(gòu)破壞，物理特性改變，邊坡產(chǎn)生裂隙，最終降低邊坡的穩(wěn)定性。地震作用地震作用是由于地球板塊之間的碰撞引起的一種自然災(zāi)害。地震會產(chǎn)生水平地震力與垂直地震力，地震的強(qiáng)度也就決定了地震力的大小，地震力其實(shí)就是影響邊坡穩(wěn)定性的決定因素，這些力會作用在邊坡上而使邊坡發(fā)生變形破壞現(xiàn)象。以上幾種內(nèi)部與外部因素只是針對礦山邊坡穩(wěn)定性有較大影響的因素，其余還有很多因素在本次課題中不計入研究，并不代表這些因素對邊坡穩(wěn)定性沒有影響，而是影響較小或者在渭北地區(qū)該影響可忽略不計，例如渭北地區(qū)的天然水位很低，在一般情況的穩(wěn)定性分析中可以忽略。3.5.2邊坡危險性評價單元的劃分邊坡危險性模糊綜合評價單元的劃分對評價結(jié)果有著重要的關(guān)系，每個評價單元都相當(dāng)于一個最小計算元素，因此，其選取直接影響著結(jié)果的精準(zhǔn)度。評價單元的選取有不同的劃分方式，現(xiàn)在主要分為以下：（1）按照評價因子的分區(qū)界線劃分，主要用于定性、定性一半定量評價；（2）按照正方形劃分，可按照不同精度要求確定單元的大小，但是，單元越小，評價運(yùn)算量越大。本課題采用第二種方法，將礦區(qū)以10m×10m的單元格作為最小單元進(jìn)行劃分，共計725個小單元，如圖3.6所示REF_Ref16711\r\h[15]。圖3.6主采場邊坡危險性模糊綜合評價單元劃分圖3.5.3不同評價因子的分析與區(qū)劃不同的單項(xiàng)評價指標(biāo)對于邊坡穩(wěn)定性的影響結(jié)果不盡相同，為了考慮不同指標(biāo)對穩(wěn)定性的影響程度，其所占的比重應(yīng)按程度劃分。因此，對各單項(xiàng)指標(biāo)要給予一定的權(quán)重。一般應(yīng)當(dāng)采用反映對邊坡穩(wěn)定性危害大小的加權(quán)法，也就是觀察邊坡是否失穩(wěn)的影響，顯然坡角、坡高、降雨強(qiáng)度、地震強(qiáng)度、地質(zhì)構(gòu)造影響程度、外界影響越大，實(shí)際邊坡失穩(wěn)的可能性也就越大，給人類造成的影響就越大。計算權(quán)重的公式為：式中：——各種指標(biāo)實(shí)測值；——各指標(biāo)等級代表值。本次課題采用的是模糊綜合評價運(yùn)算，因此要將各項(xiàng)權(quán)重值歸一化：表3.7權(quán)重計算表項(xiàng)目坡角邊坡高度降雨強(qiáng)度滑體特征綜合影響指數(shù)地質(zhì)構(gòu)造影響程度礦山開采影響指數(shù)60251.521.50.230.63902.52.52.50.50.420.530.60.80.60.40.130.160.160.220.160.12渭北地區(qū)典型石灰?guī)r煤礦的邊坡地質(zhì)危險性評估采用了對不同地質(zhì)危險性影響的因素，根據(jù)對于邊坡地質(zhì)穩(wěn)定性影響的實(shí)際水平和程度進(jìn)行了分類打分。因此，雖然每個因子的實(shí)際情況并非完全相同，但其對于邊坡穩(wěn)定性的影響很大程度都是從各自的平均得分中體現(xiàn)出來。3.5.4邊坡危險性模糊綜合評價將渭北地區(qū)廢棄礦山邊坡危險性的模糊綜合評價等級定為I穩(wěn)定，II次穩(wěn)定，III危險，IV極危險。而對應(yīng)這個分類等級的隸屬函數(shù)一般表示為梯型分布和三角分布。圖3.8隸屬函數(shù)的梯形和三角形分布評價結(jié)果視隸屬函數(shù)的分析結(jié)果而定，主要取決于隸屬度的大小，邊坡危險等級通常定為隸屬度最大的那一級。按照上述模糊數(shù)學(xué)綜合評價方法，對整個石灰?guī)r礦主采場725個待評單元逐一進(jìn)行評判，便可完成對整個研究區(qū)礦山邊坡危險性的評價REF_Ref25441\r\h[16]。圖3.9邊坡危險性模糊綜合評價結(jié)果圖4基于slide的邊坡穩(wěn)定性分析4.1Slide軟件簡介Slide是加拿大Rocscience公司的產(chǎn)品，是一款常見的巖土工程方面的邊坡穩(wěn)定性分析軟件。其主要功能包括二維數(shù)值建模，能向模型賦值各類巖體的物理特性，以垂直條塊極限平衡分析方法為理論基礎(chǔ)，用于分析邊坡穩(wěn)定性，其中包括常見的畢肖普（Bishop）法和瑞典條分法(Fellenius)等，還包含有限元與地下水模塊，涉及邊坡穩(wěn)定性分析的各個面面REF_Ref7784\r\h[14]。Slide可以分析給定的某個滑動面，并且可以通過柵格自動算出臨界滑動面的位置與相應(yīng)的最小安全系數(shù)。4.2巖石力學(xué)參數(shù)選取經(jīng)過對渭北地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境調(diào)查，調(diào)查邊坡巖體主要成分為石灰?guī)r，偶見泥巖。采集邊坡巖石樣品，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)測量得到邊坡主要組成成分的物理特性如表4.1所示。表4.1灰?guī)r與泥巖的物理特性巖石天然容重kN/m3抗壓強(qiáng)度mPa內(nèi)聚力ckPa摩擦角泥巖24.184.40.523灰?guī)r27.710020354.3軟件建模根據(jù)邊坡巖土力學(xué)參數(shù)、邊坡幾何參數(shù)，調(diào)查邊坡邊坡類型為石質(zhì)陡傾反傾邊坡，邊坡巖體成分主要為石灰?guī)r，并含少量泥巖分布。坡腳為石灰?guī)r開采碎屑堆積體，東側(cè)臺階坡面主要被碎石及礦山恢復(fù)治理覆土堆積覆蓋。利用Slide5.0軟件建立二維邊坡數(shù)值模型，得到模擬模型如圖4.2所示。圖4.2廢棄礦山邊坡數(shù)值模型4.4數(shù)值模擬以《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB50330-2013中的邊坡安全系數(shù)要求作為規(guī)范，得到邊坡等級安全系數(shù)表4.3。已知調(diào)查的廢棄礦山邊坡等級為二級邊坡，參考對照表4.3，一般工況下，當(dāng)slide5.0軟件模擬得到的最小安全系數(shù)大于或等于規(guī)范要求時，說明調(diào)查邊坡處于安全穩(wěn)定狀態(tài)；否則，說明邊坡不穩(wěn)定。本次模擬采用畢肖普法、簡布法、瑞典條分法和Spencer法進(jìn)行對比分析，模擬結(jié)果見圖4.4。表4.3邊坡等級安全系數(shù)表安全等級一級邊坡二級邊坡三級邊坡一般工況安全系數(shù)1.351.301.25地震工況安全系數(shù)1.151.101.05（a）bishop法分析邊坡穩(wěn)定性（b）簡布法分析邊坡穩(wěn)定性（c）瑞典條分法分析邊坡穩(wěn)定性（d）Spencer法分析邊坡穩(wěn)定性圖4.4不同方法分析邊坡穩(wěn)定性云圖將不同方法得到的最小安全系數(shù)整理，得到表4.5.表4.5極限平衡不同分析方法計算出的最小安全系數(shù)穩(wěn)定性分析方法畢肖普法簡布法瑞典條分法Spencer法最小安全系數(shù)F1.5201.4981.5031.518由表4.5可以看出，通過slide5.0軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到了不同分析方法計算下調(diào)查邊坡臨界滑動面的位置以及最小安全系數(shù)。經(jīng)過對比，畢肖普法下計算得到的最小安全系數(shù)在相同條件下最大；簡布法則反之，為最小。一般工況下，最小安全系數(shù)均大于《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中的邊坡安全系數(shù)要求1.30，因此，調(diào)查邊坡處于為穩(wěn)定狀態(tài)。4.4.1降雨工況條件下邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析根據(jù)中國天氣網(wǎng)氣象資料記錄，查詢得到渭北地區(qū)降雨量數(shù)據(jù)，現(xiàn)將渭北地區(qū)一年的降雨量數(shù)據(jù)整理如圖所示圖4.6渭北地區(qū)年均降雨量統(tǒng)計圖渭北地區(qū)年平均降雨量為620mm左右，為了體現(xiàn)降雨工況的時間影響，現(xiàn)按照季度劃分，將降雨工況分為四種情況分別進(jìn)行模擬。根據(jù)渭北地區(qū)年均降雨量統(tǒng)計圖，第一季度的平均總降雨量約為40mm；第二季度的平均總降雨量約為180mm；第三季度的平均總降雨量約為330mm；第四季度的平均總降雨量約為100mm。將數(shù)據(jù)代入軟件下面分別對這四種情況進(jìn)行模擬分析。（a）第一季度降雨工況邊坡穩(wěn)定性分析（b）第二季度降雨工況邊坡穩(wěn)定性分析（c）第三季度降雨工況邊坡穩(wěn)定性分析（d）第四季度降雨工況邊坡穩(wěn)定性分析圖4.7降雨工況下的邊坡穩(wěn)定性分析根據(jù)云圖，降雨確實(shí)降低了邊坡的穩(wěn)定性，可以清晰的看到隨著降雨量的增大，對邊坡穩(wěn)定性的影響也越來越大，邊坡最小安全系數(shù)隨之減小，因?yàn)殡S著降雨強(qiáng)度的提高，雨水入滲也會變多，孔隙水壓力也會變化，這就導(dǎo)致安全系數(shù)的變化。第一季度的降雨量最少，因此對邊坡穩(wěn)定性的影響也相對最小，邊坡最小安全系數(shù)的變化不大；第二季度、第三季度降雨量有大幅提高，因此，邊坡安全系數(shù)有大幅降低。各個方法得到的安全系數(shù)如表4.8所示。表4.8不同季度降雨工況下的最小安全系數(shù)運(yùn)行工況畢肖普法簡布法瑞典條分法Spencer法第一季度1.5071.4781.4841.505第二季度1.4211.3961.4021.420第三季度1.3171.2901.2941.314第四季度1.4771.4511.4561.475圖4.9降雨工況下的邊坡安全系數(shù)曲線將這四個季度的邊坡安全系數(shù)曲線整合到一個圖中，見圖4.9?？梢郧逦目吹降谌径扔捎诮涤炅孔疃啵虼俗钚“踩禂?shù)相較于其他三個季度也是最小的；第二季度與第四季度的曲線線型極為接近，但總體上第二季度安全系數(shù)都要低于第四季度的數(shù)值；第一季度降雨量最少，曲線最低點(diǎn)值最大，邊坡最穩(wěn)定。4.4.2地震工況條件下邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析根據(jù)《建筑抗震設(shè)計》規(guī)范，經(jīng)過查詢，得到渭北地區(qū)抗震設(shè)防系數(shù)為7級，設(shè)計基本地震加速度為0.15g，根據(jù)規(guī)范，查表得到最大水平地震影響系數(shù)以及地震加速度峰值表。表4.10小震，中震，大震的最大水平地震影響系數(shù)抗震設(shè)防烈度6（0.05g）7(0.10g)7(0.15g)8(0.20g)8(0.30g)9(0.40g)小震0.040.080.120.160.240.32中震0.120.230.340.450.680.90大震-0.500.720.901.201.40表4.11地震加速度峰值（單位g）抗震設(shè)防烈度6度7度（0.15g）8度（0.30g）9度多遇地震0.0180.035(0.055)0.070(0.110)0.140罕遇地震0.1250.220(0.310)0.400(0.510)0.620據(jù)資料表明，Slide軟件的地震荷載模擬采用的是擬靜力法計算，水平地震系數(shù)應(yīng)為地震動加速度與放大系數(shù)以及修正系數(shù)的乘積，該修正系數(shù)一般取0.25。由表4.11可得，將數(shù)據(jù)輸入slide軟件，利用軟件的地震荷載模塊進(jìn)行模擬，得到的結(jié)果云圖如圖所示。（a）多遇地震工況下bishop法邊坡穩(wěn)定性（b）罕遇地震工況下bishop法邊坡穩(wěn)定性圖4.12地震工況下邊坡穩(wěn)定性分析云圖表4.13不同地震荷載工況下的最小安全系數(shù)運(yùn)行工況畢肖普法簡布法瑞典條分法Spencer法多遇地震1.4161.3941.3991.414罕遇地震1.0401.0211.0261.036根據(jù)表4.3邊坡等級安全系數(shù)表與表4.13，經(jīng)過對比，多遇地震與罕遇地震工況下的臨界滑動面位置沒有改變，僅僅改變了其安全系數(shù)，并且在多遇地震下，各種分析方法得出的安全系數(shù)均大于地震工況下要求的最小安全系數(shù)1.10，邊坡符合地震工況要求；罕遇地震工況下安全系數(shù)比多遇地震有大幅降低，安全系數(shù)未滿足要求，因此，邊坡在多遇地震工況下可以自穩(wěn)，在罕遇地震工況下不能自穩(wěn)。為此，對該邊坡進(jìn)行加固，使其在罕遇地震工況下滿足安全系數(shù)要求。支護(hù)方式選為NPR錨索加固，入射角度20度，間距3.5m，長度6m，錨定能力300kN。支護(hù)后的邊坡穩(wěn)定性結(jié)果如下圖。（a）加固后的安全系數(shù)（b）加固后的安全系數(shù)曲線圖4.14加固后的罕遇地震工況下邊坡穩(wěn)定性分析由圖4.14可以看到加固后的邊坡臨界滑動面位置發(fā)生了變化，并且此時的最小安全系數(shù)為1.217，滿足地震工況下的邊坡安全系數(shù)要求，安全系數(shù)曲線也表明原臨界滑動面位置的安全系數(shù)均大于1.6，加固后效果顯著，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。4.4.3坡頂均布荷載條件下邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析對于坡頂均布荷載工況，應(yīng)考慮坡頂均布荷載的大小不同對邊坡穩(wěn)定性的影響，本次課題模擬幾種大小不同的坡頂均布荷載對邊坡穩(wěn)定性的影響，分別討論這幾種不同情況下的邊坡穩(wěn)定性分析，現(xiàn)將坡頂均布荷載依次取為25kN/m2，50kN/m2，100kN/m2三種情況進(jìn)行討論。在slide軟件中模擬坡頂均布荷載，并將得到的云圖列出。（a）25kN/m2的均布荷載下邊坡穩(wěn)定性分析（b）25kN/m2的均布荷載下邊坡安全系數(shù)曲線（c）50kN/m2的均布荷載下邊坡穩(wěn)定性分析（d）50kN/m2的均布荷載下邊坡安全系數(shù)曲線（e）100kN/m2的均布荷載下邊坡穩(wěn)定性分析（f）100kN/m2的均布荷載下邊坡安全系數(shù)曲線圖4.15坡頂均布荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性分析將實(shí)驗(yàn)?zāi)M得到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計入表4.16。表4.16不同坡頂均布荷載工況下的最小安全系數(shù)運(yùn)行工況畢肖普法簡布法瑞典條分法Spencer法25kN/m21.3561.2791.2951.35650kN/m21.1891.0261.0381.184100kN/m20.9360.8760.8660.943由表4.16可知，隨著坡頂均布荷載的增大，邊坡最小安全系數(shù)就隨之減小，邊坡越危險。由云圖可知，不同的坡頂均布荷載改變了邊坡的臨界滑動面位置，并且在坡頂均布荷載工況下，畢肖普法得到的最小安全系數(shù)與spencer法相近，簡布法與瑞典條分法得到的結(jié)果相近；前者與后者的最小安全系數(shù)有較大差異，考慮到畢肖普法涉及到條塊之間的相互作用力，而瑞典條分法沒有，因此以畢肖普法得到的最小安全系數(shù)為準(zhǔn)。邊坡安全系數(shù)曲線體現(xiàn)了安全系數(shù)與坡長位置的關(guān)系，更方便觀察到其余位置滑動面的安全系數(shù)。安全系數(shù)較小的部分大都分布在第二級臺階位置，說明該位置更容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象；第一級臺階安全系數(shù)平均值都高于安全要求。4.4.4坡頂集中荷載條件下邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析對于坡頂集中荷載工況，集中荷載作用位置以及集中荷載大小的不同，都會導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)的改變。為了考慮坡頂集中荷載大小不同對邊坡穩(wěn)定性的影響，現(xiàn)取坡頂中點(diǎn)位置進(jìn)行控制變量分析。取坡頂集中荷載200kN/m2，300kN/m2，400kN/m2，500kN/m2四種情況進(jìn)行討論。（a）200kN/m2的集中荷載下邊坡穩(wěn)定性分析（b）200kN/m2的集中荷載下邊坡安全系數(shù)曲線（c）300kN/m2的集中荷載下邊坡穩(wěn)定性分析（d）300kN/m2的集中荷載下邊坡安全系數(shù)曲線由圖可知，200kN