摘要：边坡是露天矿山最主要的结构要素。由于开采活动贯穿于矿山服务期的始终，露天矿山边坡一直处于被不断开挖的动态变化过程中。随着矿业的发展和露天开采深度的加大，大型露天矿山边坡的稳定性已成为直接关系到矿山安全生产与发展的重大问题。
关键词：大型露天矿山；边坡稳定性；精度评价方法
边坡稳定性分析是确定边坡是否处于稳定状态以及是否需要对其进行加固与治理的重要决策依据。边坡稳定系数分析法是评价边坡稳定性的基本方法。边坡稳定性评价一般有2个方面：一是搞清最不利工况下边（滑）坡稳定系数值，按此来判断边坡的稳定性状态；二是将边坡稳定系数与工程设计要求的安全系数进行比较，以此来判断边坡的稳定性是否满足设计要求。
极限平衡理论是经典的分析边坡稳定性的确定性方法，在工程界应用非常广泛，边坡的稳定性状态一般用稳定系数来定量表达。1916年，根据大量观测论证了某些土体（特别是有黏结力的土体）发生滑动失稳破坏的现象，在此基础上提出了瑞典圆弧法。20世纪30～40年代是瑞典圆弧法逐渐完善的时期，致力于改进瑞典圆弧法，在探索最危险滑弧的位置、研究滑裂面的形状等方面做了大量研究工作，假定边坡稳定问题是一个平面应变的问题，滑裂面是圆柱面，计算中不考虑土体之间的作用力，将边坡稳定系数定义为滑裂面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比。直到1955年将稳定系数定义为沿整个滑裂面的抗剪强度与实际产生的剪应力之比。强调安全系数的定义，“土坡沿着某一滑裂面滑动的安全系数F是指将土的抗剪强度指标降低为c¢/F和tan/Fj，则土体沿着此滑裂面处达到极限平衡”。自然界中岩质边坡的滑移面一般呈非圆弧形，我国大量使用传递系数法（不平衡推力法）来计算具有不规则滑移面的边坡稳定性，该方法中稳定系数定义为总抗滑力与总下滑力的比值，当稳定系数k=1时，滑坡处于极限平衡状态。这一作法具有简便易操作的优点，但是也带有很多经验成分。由于稳定性计算中含有若干不确定性，为了保证设计的边坡处于稳定状态，应使计算的稳定系数大于1，使之具有一定的安全储备，也就要规定一个设计限值，使计算的稳定系数大于此限值，一般将该限值称为设计安全系数。目前，与稳定系数和安全系数相关的名称有边坡稳定系数、边坡稳定安全系数、边坡安全系数、边坡设计安全系数、边坡允用安全系数等，它们之间内含界定不清楚，让使用者感到无所适从。考虑到规范是矿山边坡国家标准，本文根据规范，用边坡稳定系数和边坡设计安全系数的概念。边坡稳定系数是岩土工程中最早出现、也是使用范围最广的衡量边坡稳定性状态的基本指标。矿山边坡稳定系数是表征边坡抗滑稳定程度的指标，是滑移面上的抗滑力（矩）与滑动力（矩）荷载效应组合的比值，常以k表示：
式中：k为稳定系数，Ri为抗滑力的总和，Si为滑动力的总和，MRi为抗滑力矩的总和，MSi为滑动力矩的总和。
从计算边坡稳定系数的角度来看，首先，边坡规模大，岩体条件复杂，在岩体揭露远不充分的情况下，要对边坡稳定性做出准确评价，其难度很大，深入准确地掌握其工程地质条件非常重要；其次，由于岩体力学性质的复杂性、模糊性或不确定性以及测试方法的局限性，人们难以获得准确的岩体力学参数，力学参数的正确选取对整个计算结果的准确性起着至关重要的作用；然后，各种边坡稳定性分析方法还远远没有走到完全定量这一步，它们只能算是一种半定量的分析方法，其用于边坡稳定性评价的准确性与实际情况仍有差距。这些原因导致了准确计算边坡稳定性系数值的困难性。在大型露天矿山采掘前，由于土壤和植被覆盖原始地表，现场调查的地质信息不完整、不系统、不全面；勘探揭露的地质信息是点上或线上的，无法了解矿山地质全貌；物探得到的地质信息是间接的，存在多解性问题。在这个阶段，矿山地质调查条件不充分，矿山地质描述不精细，结构面空间几何参数和物理力学参数确定不准确，边坡稳定性系数值的准确计算难以实现，大型露天矿山边坡岩体稳定性等精度评价的客观条件不具备。公路、铁路、建筑、水利等工程边坡基本都是在没有开挖的条件下进行工程地质勘察的，同样存在边坡稳定性系数的准确计算难以实现的问题。在大型露天矿山的生产阶段，随着大型露天矿山采掘的进展，揭露的地质信息越来越多、越来越立体，有条件开展系统、完整、详细的现场地质调查和精细的地质描述，可以在更大的范围、更多的空间获取更多、更准确的结构面空间几何参数和物理力学参数，为大型露天矿山边坡岩体稳定性系数的精确计算提供了优越的客观条件。因此，大型露天矿山边坡岩体稳定性等精度评价具备技术上的可行性。
矿山边坡设计安全系数是为使边坡达到预期安全程度需要的边坡允许最低安全系数，或工程设计要求的安全系数，边坡设计安全系数选取称之为安全系数取值。
从工程设计安全系数的角度来看，各行各业虽然都十分重视设计安全系数及其选取，但由于人们对设计安全系数缺乏明确的认识，导致设计安全系数的选用十分混乱。由于工程重要性不同、规范制定者的经验与看法不同、采用的计算方法不同，当前国内各行业以及不同地区所采用的设计安全系数存在较大差异。建筑工程中边坡安全系数取值：一级边坡1.30～1.35，二级边坡1.25～1.30，三级边坡1.20～1.25；公路路堑边坡中安全系数取值：一级边坡1.30，二级边坡1.20，三级边坡1.10，铁路边坡中安全系数取值：一级边坡1.25，二级边坡1.15，三级边坡1.05；水利工程中边坡的安全系数取值为1.50；大型水利和土木工程，采用1.50的设计安全系数，对露采边坡采取1.20～1.30；规范规定了不同荷载组合下总体边坡设计安全系数的取值，如表1所示，表中，荷载组合I为自重+地下水，荷载组合II为自重+地下水+爆破振动力，荷载组合III为自重+地下水+地震力。对台阶边坡和临时工作帮，允许有一定程度的破坏，设计安全系数可适当降低。虽然，这种安全系数取值已写入规范，它们是在经验总结的基础上提出的，对解决实际工程问题发挥了一定的作用，但是，具体工程中人为因素影响很大，而且针对不同工程地质条件、对工程地质条件认识程度的不同，没有很好的区分度，很难让决策者感到“胸有成竹”。在边坡稳定性评价结果的精确性难以准确估计的情况下，常常通过人为地提高设计安全系数、增加工程投入来保证安全度和可靠度，在这种理念指导下边坡工程设计所造成的浪费是惊人的。从露天矿山开采的经济性出发，不恰当的提高设计安全系数，显然会增加矿产开发的经费，减少矿产企业的利润，给国家带来较大的资源损失，这与我国优化资源配置、提高资源综合利用水平的目的背道而驰，而一味追求经济性而降低设计安全系数，可能导致边坡失稳破坏，造成更大的经济损失和人员伤亡，结果适得其反。为了量化描述矿山边坡稳定性评价结果的精确性，笔者提出边坡稳定性评价精度的概念。由于边坡稳定性评价通过边坡稳定性计算来实现，大型露天矿山边坡稳定性评价精度可用边坡稳定系数计算精度来体现。在此基础上，建立稳定系数误差与边坡设计安全系数相关关系，构建近期静态精度与评价期静态设计安全系数、长期动态精度与服务期动态设计安全系数的关系，为边坡设计安全系数的不确定性问题提供一种确定性的解决方案。
综合上述边坡稳定性评价的2个方面，目前露天矿山边坡稳定性评价研究还很不完善，需要进一步提高边坡稳定系数计算精度，并且需要规范工程设计要求的安全系数取值。
表1不同荷载组合下总体边坡的设计安全系数
结束语
虽然大型露天矿山边坡稳定性等精度评价方法为降低边坡稳定系数误差和提高边坡稳定性评价精度开辟了有效的途经，但是，具体矿山边坡稳定系数误差的计算方法尚有待于进一步探索研究。
参考文献：
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[2]武强，崔云龙，王珊珊，等.矿山边坡安全稳定性研究[J].矿业研究与开发，2009，（4）
论文作者:禹燕生,张立春
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/30
标签：安全系数论文; 稳定性论文; 系数论文; 山边论文; 稳定论文; 露天矿论文; 矿山论文; 《建筑模拟》2018年第15期论文;