孙世国，贾欣欣，肖 剑

（1.北方工业大学 土木工程学院，北京 100144；2.中冶交通建设集团有限责任公司，河北 三河 065200）

西露天矿位于辽宁省抚顺市望花区东南部，地质资源储量约为3819万t，开采作业始于1914年，为露天矿与井工矿联合开采，因露天开采规模的不断扩大以及边坡岩体受到风化、水侵等作用导致地表变形加剧并持续发展且发生多次滑坡事故，严重威胁到人员、设备和地表建筑物的安全。受地貌条件、矿山规模、地质条件、开采技术条件、气候条件及周边环境的多重限制，于2013年开始对西露天矿边坡的变形防治采用回填压脚技术，即通过堆载反压的方式增大边坡的整体阻滑力，以使滑坡体保持稳定[1]，提高资源回收率，确保人员和工程安全。

稳定性分析与评价作为研究边坡的核心内容，一直都是滑坡、崩塌等地质灾害的预测预防和治理方案研究方面重要的环节[2]，其分析评价的结果是作为判断边坡稳定性最重要的参考指标，对准确判断边坡稳定性具有重要意义[3-5]。为此，借用有限元方法的单元划分理念，应用极限平衡理论和线性规划原理，通过有限次数值组合计算方法，利用全局临界滑移场原理[6]搜索并确定危险滑面，建立了西露天矿边坡稳定全局精细化评价体系，用来对内排压脚前后的边坡稳定进行分析和评价，并根据西露天矿实际发展情况证明该评价体系对其评价结果的可靠性。

1 工程地质条件

西露天矿矿坑东西长6.6km，南北宽2.2km，矿坑面积10.8593km2，开采垂直深度为418m。煤资源丰富，可采煤层厚度为9.19～145m，平均厚度为35.5m；煤层倾角一般在15°～45°之间，平均30°左右，局部可达60°以上，煤层发育较稳定。地层分布由上到下依次为：太古界（Ara）鞍山群、下白垩统龙凤坎组（K1l）、古近系古新统抚顺群（E1f）和第四系（Q），岩石物理力学参数见表1。

表1 岩石物理力学参数Table1 Rock physical and mechanical parameters

该矿田地质构造复杂，有许多较大的断层、褶皱和小褶曲存在。整个矿田为一轴向N80E的倾伏向斜；北翼较陡倾角48°～55°，南翼较缓倾角23°～48°，西北帮形成直立倒转。

2 边坡稳定全局精细化评价体系

边坡稳定全局精细化评价体系可以同时求解出整体边坡和局部边坡稳定状态、最危险滑面位置及其形态分布[7]。只要单元体划分尺度足够小，其对应的滑面用全局临界滑移场法求解更方便可靠，所得精准滑面更加逼近真值。此方法不仅解决了边坡稳定性评价结果的可靠性问题，而且提高了边坡稳定性评价结果的精度[8-9]。

2.1 广义剩余推力基本概念

边坡稳定极限平衡理论的计算方法很多，各种方法不同之处是条块间作用力方式假设不同，但无论何种计算方法都可以转化为广义的剩余推力法，即假定分子为抗滑力总和N2、分母为下滑力总和N1，二者之比为稳定系数Fs，简略为：Fs=N2/N1；那么经过最简的数学转换:△N=FsN1-N2，△N就可以称为广义的剩余推力。

以简化Janbu法为例，就边坡稳定性评价的精细化数值计算方法的体系与实现过程作一简要介绍。假定：①不考虑各块滑移体自身相互挤压作用；②不考虑各分块两侧面上的摩擦力；③各段滑体上的推力作用方向水平。边坡受力机制分析图如图1。

图1 边坡受力机制分析图Fig.1 Analysis diagram of slope force mechanism

对任意土条，取垂直与平行土条底面方向力的平衡，得出式（1）：

根据安全系数定义和摩尔-库伦破坏准则，得出式（2）。

联合解式（1）和式（2），消除Ti和Ni，得式（3）：

式中：αi、bi分别为第i条块底面倾角和条块宽度；ci、φi为第i条块底面黏聚力、内摩擦角；wi为第i条块重力；pi、pi＋1为条块间推力；Ni、Ti为土条底部的法向反力和切向力。

如式（3），在危险滑面出口处pi＋1称为广义剩余推力。利用最优控制原理求最大剩余推力pmax，当pmax=0时，对应的滑移曲线便成为最危险面，其对应的边坡稳定系数就是边坡体的实际最危险的稳定状态。但不一定是整体的稳定状态，有可能是局部的，也有可能是整体，需要根据滑面的出口位置确定。运用广义剩余推力更能把握精细化评价体系中的力学机理，更能体现节理裂隙、软弱夹层等特殊地质特性的影响属性，物理意义也更明确。

2.2 边坡全局临界滑移场技术

边坡全局临界滑移场是临界滑移场的延伸和发展，它是所有出口的局部临界滑移面组成的安全系数极值曲线场，在一定程度上解决了边坡整体和局部稳定性同步计算问题。临界滑移场是以最大的剩余推力等于0为目标求出边坡整体临界状态下的安全系数；全局临界滑移场依次从每个出口出发，调整安全储备Fs，不断进行循环搜索，使其对应的最大广义剩余推力均等于0。因此要解某出口的局部临界滑移面，只须先求解该出口广义剩余推力为0的危险滑移场即可。如果当安全系数取某个定值时，边坡达到极限状态，边坡体内刚好出现临界滑动面，则该安全系数取值即为边坡的实际安全系数[10-11]。对于滑体体积与高度均接近的危险滑面而言，广义剩余推力值的大小可以准确反映危险滑面的稳定性程度。

3 抚顺西露天矿内排压脚前后边坡稳定性

采用边坡全局临界滑移场技术搜寻并确定抚顺西露天矿内排前后边坡上的最危险滑面,再应用Ordinary、Bishop、Janbu、Morgenstern-price4种 边 坡稳定性极限平衡方法对其稳定性进行计算与分析。以E400剖面北帮为例进行分析。

3.1 E400剖面临界滑动面搜寻与稳定性评价

E400剖面北帮内排压脚前、后的危险滑面搜寻与确定如图2和图3，E400剖面北帮稳定系数见表2。

表2 E400剖面北帮稳定系数Table2 Stability coefficient of north side of E400profile

图2 E400剖面北帮内排压脚前最危险滑面搜寻与确定Fig.2 Searching and determining the most dangerous sliding surface in front of the presser foot in the north side of the E400section

图3 E400剖面北帮内排压脚后最危险滑面搜寻与确定Fig.3 Searching and determining the most dangerous sliding surface after the presser foot in the north side of the E400section

根据图2（a）搜寻出的临界滑动面并最终确定图2（b）危险滑移面，图2（b）危险滑移面显示该边坡的临界滑动面是折线形的，而并非圆弧滑面。比较4种计算方法，结果表明内排压脚前利用Janbu法计算的安全系数最小，即当Fs取值为1.04 时，最大的剩余推力为0，此时边坡达到极限状态。内排压脚后的安全系数按Ordinary法计算的Fs=1.39 ，可以看出此时边坡处于稳定状态。

露天矿边坡安全系数一般为1.1～1.5[5]，从表2可知该剖面实施内排压脚前后边坡稳定性差别很大。未实施内排压脚处理的边坡稳定性系数最小值为1.04 ，边坡处于不稳定状态，内排压脚后边坡稳定性系数最大为1.45 ，满足了规范要求。且无论采用哪一种边坡稳定性精细化评价体系下的极限平衡方法计算，后者边坡稳定性系数均比前者提高1.4 倍左右，说明实施内排压脚对控制高陡边坡滑移变形、稳定性提升和减小开采对环境影响效果十分显著。

3.2 边坡稳定性综合评价

通过相关资料分析,西露天矿滑坡易出现范围在W600测线～E1000测线之间。因此对西露天矿西部采区选取W600、W400、W200、EW04个剖面；东部采区选取E200、E600、E800、E10004个剖面，共8个边坡进行稳定性分析与评价。分析方法同上述E400剖面，西露天矿边坡稳定性计算结果见表3。

表3 西露天矿边坡稳定性计算结果Table3 Slope stability calculation results of West Open-pit Mine

综合分析，不同方法计算边坡内排压脚前的稳定性系数介于0.82～1.31 之间，其中W600、W200、EW0、E200、E8005个剖面稳定性系数均不满足规范要求，稳定性差，坡体处于不稳定状态，当外部条件发生改变时，很容易发生破坏失稳的可能。实施内排压脚技术后，在对其稳定性进行分析，均处在安全范围内，边坡稳定性系数最高达到2.14 ，远大于规范要求，也再次说明了内排压脚使得边坡稳定性大大提高。

3.3 评价结果的可靠性分析

利用边坡稳定全局精细化评价体系对西露天矿进行分析与评价，4种方法下的模拟结果表明对边坡进行回填压脚后均显著提高了边坡稳定性。结合前期勘察钻探资料，分析其回填效果。

根据孙世国教授著《矿山复合开采边坡岩体变形规律》一书的数据资料显示，西露天矿北帮W200剖面境界外地面同区域（A线），测量范围N1180～N1600，1996年平均变形值是1979年的8.8 倍；而在相同区域（N1200～N1400），1996年变形是井采期平均变形速率的3.7 倍。在坑内E1000剖面1993年8月最大水平位移速度达2158mm/d；七段E10点从1987年4月至1997年3月水平移动值达14.6m；西北帮二十八干线W200剖面的W2点从1986年12月至1997年3月移动量达13.6m，平均每年移动1m多。

截止到2016年，该区域内累计回填的土方量为1648.0084万m3。根据辽宁省地质环境监测总站2013年至2016年监测结果（数据略）可以看出，与20世纪80年代和90年代相比，地表变形速率呈现指数级递减，近几年随有波动，但总体趋势是递减的，说明回填压脚治理措施在滑坡的运动中起到至关重要的作用，同时也证明了4种数值模拟结果与实际情况能够相互验证，评价结果可信有效。

4 结 语

1）基于抚顺西露天矿采取了分区开采及内排压脚控制边坡稳定性与变形方案，运用全局临界滑移场方法搜索最危险滑面并通过多种极限平衡方法进行了边坡稳定性分析，通过系统计算与对比，内排压脚后区域的边坡稳定性系数得到了显著提升，大幅度有效地控制了边坡变形，基本避免了这些区域滑坡的发生，同时也减小了这些区域对环境的安全的影响，为安全生产和环境问题提供了保障。

2）考虑到每种极限平衡法的假设条件都不尽相同，在实际工程应用时会受到多重因素的限制，应用4种极限平衡方法对抚顺西露天矿进行综合分析与评价。对比不同方法下滑坡的稳定性系数，其中Bishop和Morgenstern-Price法计算边坡稳定性系数较大，Janbu法计算边坡稳定性系数较小，同时根据实测资料证明了全局边界滑移场搜索危险滑面的可靠性、精细化评价体系中4种极限平衡计算方法的精确性，为实际工程提供了指导。