万方数据露天开采边坡失稳风险分析李东升‘刘东燕‘郑智能２ （１．重庆大学土木工程学院・重庆４０００４５； ２．重庆交通学院土木建筑学院・重庆４０００７４） 摘要在露天开采中，确定性设计安全系数法由于设计的简单易行得到了广泛的应用，但其设计存在一定不足。为此近年发展了一种新的设计方法可靠度法，可靠度方法在一定程度上弥补了确定性设计中不能考虑实际工程中岩体参数离散性的问题，使设计更加符合实际情况。如何确定合适的可靠度数值就成为可靠度法设计的关键所在。在保证工程安全可行的情况下考虑经济最优的原则，本文结合风险分析来确定可靠度法设计中的可靠度数值问题。关键词 确定性设计可靠度风险分析中图分类号 ＴＤ ２１６文献标识码Ｂ文章编号１００４一４０５１ （２００４） ０７一００６３一０３ＲＥＬＩＡＢＩＬＩＴＹ ＡＮＤ ＤＡＭＡＧＥ ＳＵＳＣＥＰＴＩＢＩＬＩＴＹ ＥＶＡＬＵＡＴＩＯＮＡＰＰＲＯＡＣＨ ＴＯ ＴＨＥ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＯＦ ＲＯＣＫ ＳＬＯＰＥ ＳＴＡＢＩＬＩＴＹＬｉ Ｄｏｎｇｓｈｅｎｇｔ Ｌｉｕ Ｄｏｎｇｙａｎｔ，Ｚｈｅｎｇ Ｚｈｉｎｅｎｇ２ （１． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ ｃｉｖｉｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｏｎａｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４５，２． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ ｃｉｖｉｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｏｎｇｑｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ４０００７４） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎａｓｍｕｃｈ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｃｎｖｅｎｉｅｎｃｅ， ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｂｒｏａｄ ｕｓｅｄ ｉｎ ｐｒｏｊｅｃｔｄｅｓｉｇｎ， ｂｕｔ ｉｔ ｅｘｉｓｔｓ ｓｏｍｅ ｒｅａｓｏｎｌｅｓｓ ｐｅｒｓｅ． Ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｃｏｎｓｉｄｅｒｓ ｔｈｅ ｄｉｓｃｒｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｃｋｐａｒａｍｅｔｅｒ， ｓｏ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｍｏｒｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｐｒｏｊｅｃｔ ｐｒａｃｔｉｖｅ． Ｈｏｗ ｔｏ ｄｅｃｉｄｅ ｔｈｅ ｅｒｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｌｅｖｅｌ ｂｅｃｏｍｅｓ ａ ｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｎｃｅｒｎｓ ｄａｍａｇｅ ｒｉｓｋ ａｎａｌｙｓｉｓ， ｅｎｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｌｅａｓｔ ｏｆ ｐｒｏｊｅｃｔ，ｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｌｅｖｅｌ ｕｓｅｄ ｉｎ ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ ｄｅｓｉｇｎ， Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ， ｒｉｓｋ ａｎａｌｙｓｉｓ 边坡的稳定性问题是一件非常复杂的事情，但坏形式，并对稳定性角进行推断。在以往的边坡设计中对这个问题考虑的却比较简第二步骤：正确地应用岩体力学的基本理论， 单。如稳定边坡角的确定，设计者往往是根据矿山研究边坡岩体的受力条件。根据受力条件和岩体变的地质条件，主要是岩性条件，采用工程类比的方形破坏的形式，考虑岩体的物理力学试验问题及其式确定露天矿的最终边坡角，这就是安全系数法。计算参数的选择，进行稳定计算，分析边坡的稳定这种设计思想是合理的，但并不全面。稳定边坡角性。设计最主要的是根据岩体的结构性质及强度。岩体 第三步骤：在稳定计算的基础上，从地质成结构类型不同，岩体强度不同，稳定边坡角也随之因、岩体结构特征等方面研究边坡变形的发生和发不同。但在设计中应考虑到经济因素，所谓露天矿展的趋势，着重研究工程地质因素随时间的变化及的稳定边坡角，并不要求边坡绝对不产生变形甚至其对边坡稳定系数的影响，依此达到变形预报的目破坏现象，只要这种变形不影响矿山的生产及安全的。条件。设计的最终目的是在安全生产的条件下达到 根据上述三个步骤，提出相应的三种边坡岩体经济上最优。稳定分析方法：①岩体结构分析；②力学分析；③１确定性设计安全系数法工程地质因素对比分析。传统设计方法对一个完整边坡稳定性评价包括 在确定岩体参数及进行了岩体地质勘探、力学 三个主要内容或称为三个主要步骤（２）分析后，传统上是采用确定性设计法来确定边坡是 第一步骤：在工程地质测绘的基础上，应用地否稳定，一般采用安全系数人＝有利于边坡稳定质力学的方法研究区域稳定性及其构造应力和变的力／不利于边坡稳定的力或ｆｓ＝有利于边坡稳定的边矩／不利于边坡稳定的力矩的方式进行计算。璐天开采边坡失稼风险分析形，进而研究边坡岩体结构特征，判断边坡变形破万方数据当大＞１时边坡稳定，人＝１时边坡处于极限平衡状态，ｆ，＜ １时边坡失稳。在具体设计中一般采用工程类比的方式确定ｆ，＞１的某个数值以保证边坡的稳定性。在设计中边坡岩体的一些地质参数作为常数进 行设计，不考虑其随机性，如。、ｐ值、弹性模量Ｅ等。这些参数常用室内实验确定，这些参数也是影响边坡工程安全系数数值大小的主要因素。安全系数法由于简单易行得到了广泛的应用，但由于不考虑岩体参数的离散性而造成设计存在一定的问题，在工程实践中可以看到某些安全系数大于１的情况下边坡却出现了失稳，下面将分析造成这种情况的原因。２可靠度设计法 由于岩质边坡工程中存在着诸多不确定因素。而传统的分析、设计只是以一个粗略的经验数值—“安全系数”来评价其安全稳定性。由于这种传统的计算方式在很大程度上是种经验确定性的分析方法，一般不考虑离散、随机性因素对稳定的影响。使得可能在某些情况下边坡的设计过分安全，也可能在某些情况下失稳。为克服这些缺点人们发展了一种新的理论—可靠度。可靠度理论认为影响岩体稳定的因素是随机的，在此基础上发展出一套基于可靠度理论的计算方法。安全系数＝＝１．５变异系数＝０．２喇翻恃黛训砚１０－ｘ １仓１０－４ １０－１失效概率 截残眯粼０ ．根 确 １０－ ２ １０－ ＇ １０－４ １０－＇ １０－６ １０－ ７失效概率 图１失效概率与测ｉ样本数，及变异系数的关系图１说明了安全系数与测量样本及测量参数变 异系数的相互关系。由图１可知在安全系数为１．５６４ 的情况下，当强度参数测量样本数量和参数变异系数变化时，岩体工程失效概念变化十分敏感。此时确定性设计如采用样本参数平均值作为设计依据时，当强度参数由于外部条件改变而发生改变时对安全系数的影响很大。就是说，在这种状态下，安全系数设计方法反映岩体工程的安全状态对应的失效概率变化的范围相当大，其表示的安全度也是模糊不清的。因此就会在安全系数大于１的情况下发生边坡的失稳。随机变量的概率分布形式研究与传统的定性分 析不同，可靠度分析是将计算参数视为随机变量，把基本状态变量看作为随机变量，建立边坡的功能函数。 Ｚ＝ｇ（Ｘ）＝ｇ （Ｘｉ，Ｘ２，…，Ｘｎ）其中Ｘ称为基本状态变量，并且认为 Ｚ＝ｇ（Ｘ） ＞０为安全状态，Ｚ＝ｇ（Ｘ） ＝０为极限状态，Ｚ＝ｇ（Ｘ）＜０为破坏状态。则此时工程的失稳概率为马＝ｐ［ ｇ（ｘ）镇０］相应的稳定可靠度为Ｐｓ＝ １一ｐｆ 可靠度方法由于考虑了岩体参数离散性，更能反映实际的工程地质情况。但对于具体工程来说，选择可靠度方法后如何在设计中确定具体的可靠度水平以保证工程安全且经济最优成为边坡设计的关键。下面将结合边坡风险分析来确定合理的工程可靠度数值。３风险分析 在进行边坡风险设计中，首要考虑的是边坡可能失稳带来的危害。一些边坡是不允许失稳的，这些人工改造或者自然形成的边坡常被称为永久性边坡，如三峡工程船闸高边坡。但对于一些临时或者在一定年限内不允许失稳的边坡来说就要考虑其相应的经济花费，如露天矿开采形成的边坡。这些自然或者人工形成的边坡，在设计上要考虑设计施工费用与边坡可能失稳后带来的损失及相应的治理费用等总的花费，最终达到一个预期总花费最少的合理工程可靠度数值（３）０ 露天矿的最终边坡角对剥采比有很大的影响，随着开采深度增加和边坡角的减小虽然其稳定可靠度水平会提高，但所需要的剥离量也急剧增加。因此从经济的角度考虑总是希望边坡角尽可能大，然而另一方面边坡角度增大其相应可靠度水平就较低，就可能带来边坡的不稳定，发生边坡变形或者破坏等现象。要求边坡安全可行又经济合理，这正是边坡稳定性研究的最终目的。如抚顺西露天矿采矿场最初设计采深为４３０ｍ，顶帮最终边坡角设计中国矿业２００４年第１３卷第７期 万方数据为３５０，如边坡角变化１．则每公里长边坡的剥离量 边坡的综合费用Ｃ，为将变化约４．６ ｘ １０６ ｍｓ。阜新海州露天煤矿采矿场Ｃ，＝ｑ＋Ｐ｝ ｑ一ＣＳ设计采深为３５０ｍ，原设计的底帮境界为沿煤层底式中Ｃｄ—边坡的修建费用；板边坡角为１６－－２５０，如边坡角减小１０则每公里长Ｐ， —边坡破坏概率；边坡的剥离量将增加约９ｘ１０６衬（２）。这些实例说明，最终边坡角的变化即使很小，也会给剥离量带Ｃｆ —边坡失稳破坏带来的损失及事后治 理等花费总和；来很大的影响。 增大边坡角虽可减少剥离费用，但由于坡角增Ｃ， —边坡工程完好时带来的经济效益。大安全性减少其可靠度水平也会降低，会加剧边坡 风险分析的目的是使Ｃ，值最小，从中确定可变形甚至出现破坏现象，从而增加边坡的维护费接受的边坡破坏概率值Ｐ｝。此时对工程进行分析，用；反之如果边坡角减小，虽然剥离费用增加但可列出Ｃ‘的具体数字表达式，进行极限分析可计算靠度水平提高，可减少边坡的维护费用。由此可见出具体Ｐ。数值。而此时边坡可靠度粉＝１一Ｐ｝ Ｉ计算边坡角大小所带来的经济效益不能单纯的看剥这样可以确定一经济上可最优的边坡可靠度，由此离费用，应当把剥离费用与维护费用统一起来进行确定Ｐｆ值应用于前面的可靠度法设计中，最终确计算才比较合理。因此在设计中要根据在保证工程定边坡的合理设计方案。安全可行的前提下经济最优的原则来确定工程的可４结论靠度水平。 比起安全系数法，可靠度设计考虑了岩体参数工程修建费用与预计工程失稳修复费用的关系 离散性的问题，采用随机的岩体参数更能反映工程情况，设计也更吻合实际。但设计中可靠度过高会工程修建费用造成工程花费过大，带来不必要的资金浪费。可靠度过小又会由于边坡失稳，失稳造成损失及事后治理致使总花费过大。采用风险分析的方法来确定边命一瞥费‘坡设计中合适的可靠度数值，以预期总花费最少进粉卿行最优化设计是可行的。．．日今考文献 （１〕严春风，徐健．岩体强度准则概率模型及其应用〔Ｍ〕．重庆：重庆大学出版社，１ ９９９．工程可靠度（幻孙玉科，牟会宠．姚宝魁．边坡岩体德定性分析〔Ｍｌ．北京：科学出版社，１ ９８８．图２工程花费与工程可靠度的关系（３）汪敏，刘东燕．滑坡灾害风险分析中的易损性及破坏损失评价研究［ Ｉｌ． ｚｉｆ勘察，２００１． （３）： ７一１２． 由图２可知，随着工程可靠度的增加工程的修（４〕王家臣．边坡工程随机分析原理【Ｍｌ．北京：煤炭工业出版建费用随之增加，当工程可靠度增加到一定值时再社，１９９６ 在些基础上有所增加工程的修建费用会呈现非线性（收稿日期：２００４ － ０２ －１２ ）增加的趋势，同时预计工程失稳后的修复费用会随 ［作者简介）李东升（１９７９－）男河南着工程可靠度的增加会随之降低（４）。其相应数字汝南人在读博士生研究方向为复杂地基及边坡表达式为德定性研究稀土分离技术研发中心 长春应化所是中科院直属机构，是全国三大稀土技术研究中心之一，其稀土分离技术研究水平全国领先。其稀土化学与物理重点实验室在１０多年的科研工作中，有２５项成果获得国家和部级奖励，有１６项获国家发明专利，发表学术论文９５０篇。同时多项研究成果实现了产业化，并在稀土分离、稀土锌基耐蚀涂层等应用方面取得了巨大的经济效益和社会效益。“中国科学院长春应用化学研究所一山东泰山稀土有限公司稀土分离技术研究中心”的成立，有利于发挥科 研单位和生产企业的各自优势，促进稀土技术的研究开发和成果转化，提高稀土产品生产企业的科技水平和核心竞争力。山东泰山稀土有限公司每年将向研发中心提供３０万元的科研经费，用于研究开发新技术。中国稀土资源十分丰富，约占世界总量的８０％以上。目前，中国稀土材料开发和产业化发展已在国际上占 有十分重要的地位。峪天开采边坡失称风险分析
