1 绪论
1.1 岩质边坡研究现状
露天矿开采边坡失稳是国内外工程技术人员面临的主要难题之一。根据美国地质调查局“About the Landslide Hazards Program”的记载，自2012年开始世界每年发生滑坡的数量明显增加，除去因飓风、暴雨、地震引起的滑坡事件外，露天矿山滑坡占有较大比重。2013年美国犹他州宾汉峡谷铜矿发生北美历史上*大的滑坡，总滑落土石方量达到1.65×109t，滑落近1km，导致矿区停产5个月，年产量减少55%。澳大利亚塔斯马尼亚州萨维奇河矿发生岩石滑坡，使得该矿的所有者格兰奇资源有限公司直接损失达到5000万美元。法国某露天矿因爆破震动荷载导致北侧边坡出现大面积滑移，致使坡顶出现*大可见深度为4.8m，*大宽度为650mm的裂缝，为治理该滑移，先后投入近1亿欧元进行加固处理。而加拿大、俄罗斯等矿产丰富国家也深受露天矿开采边坡失稳问题的影响，每年投入大量人力、物力和财力进行治理。
自20世纪50年代以来，我国资源开发进入了快速发展期，特别是改革开放后，煤炭、金属和非金属资源的加速开发利用为经济的高速发展做出了卓越贡献，但也带来了不利影响，如破坏自然环境、带来安全隐患等。其中资源开发利用过程中的大型露天采矿所留下的深大矿坑所带来的环境破坏和生命财产安全威胁尤为突出。据不完全统计，我国露天矿山近400个，其中年产量超过千吨的有130个，这些矿坑规模大、深度大，随着开采深度的增加，矿山边坡的稳定性问题越来越严峻，每年都会发生或多或少的安全事故(图1.1)，严重影响矿山安全生产。2013年中国黄金集团华泰龙公司甲玛矿区发生大面积山体滑坡事故，塌方长3km，83人被埋。2015年陕西省商洛市山阳县陕西五洲矿业股份有限公司生活区发生山体滑坡。2017年山西煤炭运销集团和顺吕鑫煤业有限公司四采区A6-1采区发生边坡滑坡事故，造成严重的人员伤亡。
中国露天矿边坡失稳问题均具有以下特点。
(1)深、大：露天矿开采深度大，一般开采深度都在100m以上，且规模大；
图1.1 中国滑坡灾害事件统计图
(2)边坡高陡：受开采场地的限制，边坡坡度≥45°；
(3)边坡失稳影响因素复杂：露天矿边坡稳定性受开挖爆破震动、开采卸载、降雨入渗等多因素影响；
(4)地质状况复杂：失稳边坡所处位置地质条件一般非常复杂，蚀变带、构造断层分布较多。
滑坡一旦发生将严重威胁施工人员的生命安全，给工程带来无法估量的损失。由此可见，露天矿边坡稳定性及其治理已成为困扰露天矿安全生产的重要问题。我国露天矿开采环境复杂、多样、特殊、敏感，对矿区地质环境和生态环境的影响和破坏作用巨大。露天开采之后形成的边坡，受到矿区范围内边坡岩体性质、地质构造条件和水文条件的影响，导致地表发生沉降滑移变形、塌陷，进一步对周围建筑物和居民安全造成影响。因此，综合分析和评价露天矿边坡稳定性具有非常重要的工程实践意义和经济价值。根据相关部门的研究发现，我国平均每年由于地质灾害带来的财产损失数十亿元。尽管如此，但是对于滑坡等自然灾害的预警预报研究在世界范围内的进展仍然较慢。怎样科学地对滑坡等自然灾害进行提前预警，关键是要能够满足精度要求，且对何时发生滑坡、滑坡量等信息要有一个较为科学的预测，只有这样才算真正地达到预警的目的。
1.2 岩质边坡研究意义
一直以来，分析露天矿边坡稳定性是岩石力学等学科的热门研究内容，研究其稳定性不仅能够为露天矿安全高效生产提供有力依据，而且还能减少灾害发生。露天矿边坡稳定性研究由定性分析到定量分析、由传统经验方法到如今的理论计算、由单一评价到综合分析经历了很长的发展历程，为保证矿山安全、提高经济效益发挥着显著作用。因此，深入开展露天矿高陡岩质边坡失稳机制的基础研究，首要任务是评价当前边坡的稳定状态，计算分析边坡变形破坏机理，预测边坡失稳方式。对露天矿边坡进行有效的稳定性分析，提出科学的加固措施，防止高陡岩质边坡发生地质灾害，具有重要的理论与实际意义。
(1)以仓上金矿露天采场高陡岩质边坡为工程背景，在前人研究的基础上，广泛搜集资料，分析仓上金矿岩石的力学特征，考虑水对岩石的损伤作用。通过试验分析仓上金矿不同深度处岩石的力学特征，确定岩石的本构关系和力学参数，为解决岩质边坡稳定性问题提供关键技术参数。
(2)利用FLAC3D软件模拟边坡开挖过程，分析边坡变形破坏机理与稳定性，确定滑移面位置，安全预测矿坑的稳定状态，为今后合理、安全、高效地使用尾矿库提供技术指导，同时还可为其他相似类型的高大边坡(如公路边坡、水利边坡等)的稳定性评价提供理论借鉴价值。
(3)通过构建力学模型分析仓上金矿尾矿坑的当前稳定状态和长期稳定性，考虑不同水位状态下边坡的稳定性影响。通过对边坡安全进行实时监控，获取边坡的应力位移等信息。对监测数据分析的基础上结合类似工程实践以及数值计算反馈结果对边坡的安全性进行科学合理的预测，进而构建边坡的综合预测方法与预警体系。同时，此项工作对推动灾害预报理论、工程地质向更高层次发展也具有重要的指导意义。
1.3 岩质边坡主要类型与特点
1.3.1 边坡形态与分类
边坡一般定义为岩土体表面与水平面之间的夹角不为零的斜坡表面，若边坡是由岩体经结构面切割而组成，则该类边坡称为岩质边坡。边坡的组成主要包括四个方面，即坡肩、坡脚、坡角和坡高。坡顶与坡面相交处为坡肩；坡面与坡底相交处为坡趾(坡脚)；坡面与水平面的夹角为坡角；坡肩与坡脚之间的垂直高差为坡高，如图1.2所示。
图1.2 边坡的组成
边坡形成于不同的地质环境，并具有不同的形式和特征。例如，建筑修建中开挖基础时，将形成很深的基坑；一块场地在平整的过程中，将原来起伏不平的地形整平成一个平面，平整场地的四周与原有的自然地形形成了一定的高差；公路建设中，在满足公路本身的各项技术指标后，公路两侧与原有地面形成的具有一定坡度的坡面；矿山开采之后所形成的矿坑用来存储其他废弃矿山及残余矿渣，这些边坡在我们的生活中随处可见。由此可见，根据研究目的、研究对象、工程用途的不同，边坡分类的方式和方法也不尽相同。
1. 根据物质组成分类
根据边坡物质组成分为岩质边坡、土质边坡与岩土混合边坡[1]。其中土质边坡包括堆积土边坡、黄土边坡、黏质土边坡和堆填土边坡。
2. 根据结构分类
结构分类考虑的因素较多，分类的形式也较多，一般可分为块状结构边坡、层状结构边坡、碎裂结构边坡、散体结构边坡和基座式结构边坡。
(1)块状结构边坡主要是岩体中发育有两组“X”形节理[2]。节理面及层面共同将岩体切割成立方体、菱形体，被切割的分离体有可能发生滑动或崩塌，使边坡局部失稳破坏，容易发生的破坏类型为楔形破坏。
(2)层状结构边坡由层状、板状的岩体构成，控制性结构面一般为岩层层面[3]。根据岩层倾向与边坡坡向的不同组合，进一步划分为顺倾向层状结构边坡、反倾向层状结构边坡和斜交-正交层状结构边坡。
(3)碎裂结构边坡主要由强-中等风化的片岩、千枚岩组成。边坡受构造作用的影响较大，构造节理及风化裂隙发育较好，受构造作用而形成碎裂的岩体结构。坡体中常发育有褶皱，边坡岩体结构不均，裂隙发育，整体性差，强风化带较厚。岩体裂隙发育使雨水容易入渗，片岩、千枚岩具有遇水软化的特点，因此碎裂结构的边坡稳定性较差，尤其是在雨季容易发生滑动。
(4)散体结构边坡的特点是松散体厚度较大，结构松散，岩体主要结构形状为碎屑状、颗粒状；断层破碎带交叉，构造及风化裂隙密集，结构面及组合错综复杂，并多充填黏性土，力学性质差，完整性遭到极大破坏，稳定性极差，岩体属性接近松散体介质，地下水加剧岩体失稳[4]。容易发生松散体内的整体滑动和岩土工程中规模较大的岩体失稳。
(5)基座式结构边坡在开挖面上露出两种性质差异明显的岩土体。坡体上部地层为中-强风化的片岩、千枚岩、残坡积黏土、冲洪积物或滑坡堆积物等松散体，下部为中-弱风化的片岩、千枚岩、板岩等较硬的岩层。上部松散体胶结较差，强度较低，某些土体具有膨胀性[5]。
3. 根据成因分类
按照形成的原因可分为自然边坡和人工边坡。自然边坡主要是自然界中的江河湖海与山坡的岸边形成的边坡。人工边坡主要是人类工程形成的规模不同、陡缓不等的斜坡。
4. 根据规模分类
按照边坡的坡面高度、坡面长度、边坡角度等分类，分别如表1.1～表1.3所示。
5. 根据使用年限分类
按照使用年限可分为永久边坡和临时边坡，永久边坡是指工作年限超过2年的边坡；临时边坡是指工作年限不足2年的边坡，如表1.4所示。
表1.1 根据坡面高度分类
表1.2 根据坡面长度分类
表1.3 根据边坡角度分类
表1.4 根据使用年限分类
1.3.2 岩质边坡特征与分类
区别于土质边坡，岩质边坡往往存在大量的岩层面、节理面和裂隙面等软弱结构面，而且由于岩质边坡的变形破坏总是沿着岩体内的软弱结构面扩展并*终引起边坡大规模变形失稳，边坡的稳定性很大程度上取决于这些软
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