1 绪论
1.1边坡稳定性研究的历史
随着世界经济的发展，采矿、水利和建筑工程的大规模建设，边坡己成为一个众人瞩目的工程问题，从我国边坡工程的发展来看，早期的边坡研究通常以土体为研究对象，其方法的显著特点是采用材料力学和简单的均质弹性、弹塑性理论为基础的半经验半理论性质的研究方法。这些方法对边坡的力学机理的反映都比较粗浅，其中的某些假设也往往存在不合理的地方，所以其计算结果与实际情况差别都比较大[1]。
边坡的稳定性是岩土体力学研究的一个重要组成部分。其出现和发展与人类工程活动的迫切需要和有关学科的迅速发展密切相关。在岩体力学的发展初期，研究岩体力学问题时基本上采用了以材料力学和以简单的均质弹性理论为基础的土力学原理和方法。土质边坡稳定分析的方法被应用于岩质边坡稳定问题的研究。在这个时期，边坡稳定性的计算方法，其半经验半理论性质及假设滑动面具有一定位置和形状为其显著特点。例如，1773年的库仑理论，1820年的Fransa和1886年Cluman的平面滑动分析方法，1922年瑞典国家委员会发表的近似圆弧滑动面的分析方法，1926年Felleniu的瑞典圆弧稳定分析方法等，均为当时各国普遍采用。岩体力学在二十世纪四十年代开始进入了重要的发展阶段，在应用土力学的基础上，人们普遍认识到有必要也有可能引进一些较新的理论和方法来解决诸如岩体边坡的一系列岩体力学问题[2]。其中，Stimi、Muler、Rocha、Jaeger、Talobersalustowicz等人做出了很大的贡献。这个阶段，是以光弹性试验和模拟材料模型试验为主要特征。
1954年索柯洛夫斯基根据介质的极限平衡原理提出了边坡稳定的计算方法，是通过严格的数学推导来解决边坡在极限状态时滑动面的形状和位置，在边坡稳定问题中得到了应用。同时，费先科还考虑了岩体中软弱结构面对滑动面的控制作用，并根据松散介质的极限平衡理论，提出了一套边坡稳定性的计算分析方法，在研究和解决矿山边坡稳定问题中得到了一定的应用[3]。
20世纪六十年代起，边坡稳定性研究在基础理论和方法等方面均有了较大的进展。在边坡稳定的计算方面，基本上沿着两个途径进行：一种是以极限平衡理论为基础，考虑岩体中断裂结构面的控制因素，利用图解或数学分析计算方法，最后求
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得安全系数或类似于安全系数的“破坏概率”的概念来进行边坡稳定性的定量评价，如1962年Teizaghi的《陡坡稳定》论文中提出的“以刚体极限平衡为基础的半球体图解法”。另一种途径是以有限元方法计算边坡的变形特征和应力状态。
20世纪七十年代后，原来已形成的一些边坡的计算分析方法得到了较大程度的发展，且逐渐把岩体作为弹塑性介质、流变介质和更为复杂的多裂隙复合介质等。在这个时期，概率理论己初步应用到边坡稳定问题中来，有两种情况：其一是在构造不连续面样本总体或样本族的分析中，用以确定岩体有无主导的方向。如井兰如的《工程岩体不连续面网络结构的统计分析及模拟》就是以概率的观点对结构面的方向、迹长、间距、频率等进行分析的。其二是用破坏概率来取代安全系数作为边坡稳定性指标。
其后，国内外对边坡稳定性的研究更注意到岩体结构的复杂化。以前研究较多的是坡体的滑动，那么现在研究较多的是坡体的崩坍，使用较多的还是模型实验方法和极限平衡方法。其中，我国的石根华提出的关键块体理论对推动节理边坡问题的研究做出了很大的贡献。自樱井等人提出的反分析方法以来，用位移反分析方法及数值反分析方法来解决边坡问题也得到了迅猛的发展。
20世纪九十年代前后，边坡稳定性分析的各种方法都得到了发展与应用。Yucemen对三维的边坡稳定性问题进行了可靠性分析，分析结果基本上与观测结果相吻合。日本的Marbusa提出了边坡稳定分析的复合算法，在边坡应力、应变计算中采用有限元方法，而稳定分析中则采用极限平衡方法，并用几个边坡实例进行了验证。Kumar在边坡稳定分析中应用了序贯无约束极小方法，自动搜索边坡的临界滑面，计算边坡的稳定性则采用简布方法，成功地应用于边坡的实例计算中。李国英在边坡稳定分析中，将有限元法同塑性极限分析方法相结合，建立起适用于线性规划求解的数学模型，通过优化计算，求解安全系数的下限值，对边坡的非均质性及其边界形状的任意性均具有较好的适应性。
1.2问题的提出
由于边坡失稳[4]的危害巨大，关于加强对边坡稳定性的研究，使人类最大限度的减少和避免滑坡灾害，己经受到世界各国的重视。加强边坡稳定性研究，对我国来说，更具有特殊的必要性。
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我国幅员辽阔，矿产资源丰富，地质条件复杂。由于我国是一个缺油、少气、富煤的国家，在能源的需求中，与其他国家相比，我国更加依赖的依然是煤炭资源。世界能源工业和我国煤炭工业发展的实践都证明，煤炭以其所具有的资源可靠性、价格低廉性、燃烧的可洁净性，决定了它在一次能源中不可替代的地位。而且，与井工采煤相比，露天煤矿具有基建投资省、生产成本低、资源浪费少，安全好和效率高等优点。因而，近年来露天采矿的规模得到了迅速的扩张，露天采矿的技术也得到了迅速的发展，其有效与合理的开采深度也在不断增加，300～500m都已不足为奇。其边坡暴露的高度、面积以及维持的时间也在不断增加。由于地质条件的复杂，加之人类改造自然的规模越来越大，设计施工的不当，高边坡开挖后，采场滑坡和地表塌陷变形等地质灾害事故频繁发生，造成切断运输线路、推倒采掘运输设备、掩埋采场、剥离工作面、破坏地面工业民用建筑物，甚至迫使矿山停产等事故更是不胜枚举[5]。例如：
抚顺西露天煤矿创办于1914年，目前露天采场走向长约6.5km，宽约2km，采深已达300m，最终采深将达500m。该矿滑坡始于1927年，截至1986年，有记录的滑坡已54次，其中规模较大的1964年南机电厂滑坡和1979年W700剖面线滑坡，滑动量分别达到105万m3和129万m3。
海州露天煤矿建于1951年，采场走向长4000m，设计采深350m，现深200m。1953年投产，当年即发生滑坡。至今沿非工作帮（底帮）已发生滑坡50多次，沿顶帮发生10余次。其中规模较大的1977年底帮86站滑坡和1986年底帮滑坡，滑动量分别为17万m3和31万m3。
义马北露天煤矿1961年建设，1962年简易投产。采场走向长2.4 km，宽0.2～0.3 km，采深50～60m。1965年9月西区出现滑坡，滑动量约27万m3。
我国许多冶金矿山也都发生过边坡的变形破坏。如金川露天矿采场长1000m，宽600m，呈椭圆形。边坡高180～310m。自1969年以来近1/2的边坡区段先后发生了明显的变形破坏。
攀枝花钢铁公司石灰石矿属高山矿床。1980年11月～1981年6月，采场的东西两端发生了两次大型滑坡，尤其是1981年6月的H2滑坡，滑体从标高1400 m至1645 m，垂直高差达250 m，东西宽200 m，滑动量达416万m3。据不完全统计，每年由于开采边坡失稳所直接造成的经济损失高达100亿以上。
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霍林河南露天煤矿位于南露天煤矿位于霍林河煤田东北部，距霍林郭勒市西南约9km，采区中心位置东经119°34′，北纬45°28′。是我国1976年建成，设计开采总面积约35.7km2， 1984年一期300万吨工程投产， 1992年二期700万吨工程移交投产，2004年设计生产规模1500万吨/年，服务年限57年。 2010年实际生产能力1622万吨/年，现已累计产出原煤1.6亿吨。霍林河南露天矿有地质储量为25.8亿吨的低磷、低硫优质褐煤，目前露天可采原煤储量7.52亿吨。按煤矿年产1500万吨的水平测算，露天矿尚可连续开采50年左右。矿坑南北走向长约2800m，投产30多年来开挖深度已达170m,最终深度将达到290m。
随着煤炭市场的迅速发展，霍林河南露天煤矿的开采强度和建设速度日益加快，随之而来的采场和排土场边坡问题显得越来越突出。临时排土场二次剥离，南排土场加大排放力度，南端帮的南扩，都对边坡稳定性提出要求。采取多大边坡角才能在安全情况下取得最佳效益，也成为了技术人员的首要任务。
本文在边坡工程地质勘查资料的基础上，应用PLAXIS分析软件对采场边坡的稳定性进行定性分析、定量计算和综合评价，以及发展趋势和灾害的预测,确定采场最优边坡角。
本次边坡稳定性分析评价重点区域为南端帮及采区工作帮。
1.3国内外边坡稳定性研究现状
1.3.1国外边坡工程稳定性的研究
工程实践的需要是岩土工程得以快速发展的主要动力。边坡工程的稳定性问题是岩土工程研究内容之一。纵观国外边坡工程性研究的发展历程，大体可划分为三个阶段[6]。
第一阶段：20世纪20年代以前，边坡工程稳定性的计算分析，基本采用材料力学和土力学的原理和方法，以半经验、半理论性并假定滑动面具有某一固定位置和开头为显著特点。该阶段边坡工程稳定性的计划处分析在力学原理上是很粗浅的，所做出的基本假定也是脱离力学实际情况的。
第二阶段：到20世纪50年代，边坡工程稳定性分析进入了重要发展阶段，以采用均质体弹塑性理论和极限平衡理论，能够考虑岩体材料的特性及岩体结构面对边坡失稳的控制作用为显著特色。
第三阶段：20世纪60年代后，边坡工程稳定性分析进入了深入发展阶段，研究人员将岩体视为黏弹性、弹塑性或具有裂隙的脆性介质，并展开了对岩体非均质、
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各向异性和非连续性的研究，对岩体应力应变关系及岩体流变特性等时间效应的研究等。
边坡工程稳定性的计算分析，基本上沿着两条路径进行：一是以极限平衡理论为基础，考虑受岩体中断裂结构面控制，利用图解法或计算分析法，最后求得“安全系数”或类似“安全系数”的概念进行边坡工程稳定性的定量评价。例如，1962年太沙基提出的临界边坡理论；1970年约翰提出的半球体图解计算分析等。另一途径则是以有限单元法，近似地分析边坡工程岩体的变形特征和应力状态，但针于对边坡岩体的基本力学特性、边坡的力学状态和应力特征等研究得不够，给计算与分析等带来了一定的困难，因而，目前通过各种计算分析方法所得到的结果与实际情况均有一定的差异，还有待进一步深入研究和向前发展。
1.3.2我国边坡工程稳定性研究
我国从解放到现在，对边坡工程稳定性问题的研究可划分为四个阶段： 第一阶段：20世纪50年代，我国开始对露天煤矿的边坡工程问题进行研究，其他行业如对铁路路暂边坡和引水渠道边坡等也开始进行研究。当时着重从边坡工程造成的地质灾害出发，进行边坡工程破坏的定性分类，利用基于刚体极限平衡的分析方法，同时利用工程地质类比法，对边坡工程的稳定性进行评价和设计。
第二阶段：到20世纪60年代，孙玉科等提出了岩体结构及控制的观点，划出了边坡岩体的结构类型，并在应用亦平极射投影的基础上，提出了实体比例投影方法，用以进行块体破坏的计算、判断边坡工程的稳定性。同时结合露天煤矿边坡工程稳定性研究，开展了野外大型工程岩体的边学试验，在边坡工程的稳定性计算方面有了很大的进展。
第三阶段：从20世纪70年代开始，进行边坡工程变形破坏机制的研究，在计算分析方面，不仅应用极限平衡原理，还应用弹塑性力学等理论，并随着计算机技术的发展，广泛采用有限单元法等来分析边坡工程变形破坏的条件及评价边坡工程的稳定性，到70年代末80年代初，已经形成了一套比较完整的工程地质力学观点和方法。在研究边坡工程稳定性问题上，积累了比较丰富的实践经验。
第四阶段：20世纪80年代以后，边坡工程稳定性研究进入了一个新的发展阶段。一方面，随着计算理论及计算机技术的发展，数值模拟技术已广泛应用于边坡工程稳定性研究中，且逐步从定性过渡到半定量研究，从整体上认识边坡工程的变
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