-
2011
届毕业生
英文文献翻译
先进值方法在斜坡稳定性分析中的应用和限制
2011
1
英文文献翻译
先进值方法在斜坡稳定性分析中的应用和限制
学
院：
专
业：
导
师：
姓
名：
学
号：
2
（中文）
先进值方法
在斜坡稳定性分析中的应用和限制
Doug
Stead,
Earth
Sciences,
Simon
Fraser
University
,
V
ancouver,
Canada
Erik
Eberhardt,
Engineering
Geology
,
ETH
Zurich,
Switzerland
John
Coggan,Camborne
School
of
Mines,
University
of
Exeter,
Benko,
Golder
Associates,
Abbottsford, Canada
摘要
稳定性的定期分析是为了对开挖
边坡（例如明坑采矿法，道路削减等）的安
全设计、
功能设计以
及对天然斜坡的平衡条件进行评估。
分析技术取决于地形状
况和
潜在的崩塌形式，
并且要对每种方法论中的不同优势、
劣势、<
/p>
局限性进行仔
细考虑。
这篇论文是对运用
在岩石边坡稳定性分析方法的一种回顾。
这项分析强
调数值模拟
的近期发展，
其中包括了计算机可视化、
连续统的运用和不连续
统数
值分析的代码。
简介
当代工程师提出了很多关于岩石
及混合岩土斜坡稳定性分析的方法；研究内
容包括从简单无限斜坡和平面崩塌极限平衡技
术到复杂的耦合有限极离散元素
代码的有关问题。
除了运用大型
计算机和二级编程语言进行的涉及临界面查找程
序有关的分析，
人们用图表表示和运用手提计算机来计算岩石边坡稳定性还不到
25
年。因为在市场上很难买到需要的软件，所以很大一部分早期的稳定性分析
程序都来
源于内部。
而现如今，
每位工程师都有一台私人电脑来处理相对
简单的
岩石边坡复杂数据分析。
考虑
到当今大量数据应用程序的出现，对于工程师来说，充分理解不同方法
内在的长处和局限
性就显得尤为重要。
例如，
即使存在大部分的包括复杂的内部<
/p>
变形和类似于被极限反平衡法要求的二维刚性块假设的破碎等因素，
极限平衡法
在解决岩质边坡工程的问题中仍旧是最常用的方法。
包括滑动在内的启动机制可
被分析为极限平衡问题，
但是随之
而来的是斜坡的潜变、
渐进变形、
大范围内部
< br>变形等问题。
在简单的静态分析中，引起最终滑动的因
素很复杂也很容易被忽视。如果上
述问题不被解决，那么极限平衡法就可能与简单岩石崩
塌在间断点有很大联系。
笔者认为，极限平衡法应该与数值模拟相互协调来充分发挥两者
的优势。
对当今的工程师来说，如果想要证明其尽职尽责，就
一定要展示他所运用的
工具。其中，正确的工具尤为重要。
Ch
en
的观察进一步阐明了所有相关的斜坡
分析法在设计或反分析
法中的运用的重要性。
“
在早些时代
，
滑坡总被看成是上
帝造成的。
而如今
，
尤其是在有人身伤亡和财产损失的时候，
律师总是能找到接<
/p>
受惩罚和补偿损失的人
”
。如果斜坡因为
复杂机制（例如流变、内部变形和脆性
破坏、
较弱多土层的液化
等等）
的出现而崩塌，
那么用极限分析法来解决斜坡设
计的问题就足够了。
此外，
风险评估及其概念的
使用使极限分析法在斜坡工程设
计和分析中的作用增强。
风险评
估必须注明斜坡崩塌的结果和崩塌的可能性
;
为
岩质边坡分析的传统方法
3
图表一总结了在传统斜坡分析中通
常使用的方法，也注明了其优缺点。就其
本身而论，
任何岩质边
坡分析的第一步都必须是对岩石学和岩质结构进行详尽的
评估。
由此来分析现存的间断点的导向是否会引起岩块的不稳定性。
这些评估可
以通过实体技术和运动分析来实现。例如，程序
DIPS (2)
可以利用摩擦锥、裂隙
和崩塌道路线指标以及间断特性的图解和统计分析来实
现岩质边坡的运动可行
性的可视化和检测。
工程师能用这种方法
来识别包括单一间断点和间断交叉点潜
在的滑动崩塌是很重要的。
他们不用关心包括多重节理组及内部变形和破裂而出
现的崩塌。在
DIPS
中定义的间断点数据和节理组交叉点可以被引入耦合极限平
衡代码
(
例如
SWEDGE
(2))
来评估反滑动的安全因素
(<
/p>
图
1)
。这些
程序经常并入
概率工具，
这些工具中的节理特性和补充道支护措
施可以用来评估他们在安全系
数上产生的影响。
所有的极限平衡技术基于抵抗力和干扰力的比较都有一个共同的方法。为了
得
到确切的解决方案，
所有方法中采取的假设都一直在变化。
图解
分析法用立体
图技术和块体理论技术都可以来评估关键块体。
关
键块体的稳定性可以通过极限
平衡术来获得。如
SAFEX
程序
(3)
和
KBSLOPE (4)
所示。
图表
1.
常用解析法
((5)
之后
).
解析法
关键参数
优势
劣势
相
当
简
单
实
用并为潜在危险
提供原始迹象；
有些方法可以对
关键块体进行鉴
运用立体
临
界
坡
和
间
断
几
何
定和分析；也可
平
面
和
运
动
学；各自的切变强度特
< br>和其他方法结合
学
征
在一起
；可以和
数据统计技术相
结合来计算出现
危险的可能性和
相关体积
针
对
失
效
模
型
（平面、
楔入、
坍塌等
等）有大
量的可用软件；
典
型
几
何
和
材
质
特
大都是确定的但
征；土
块或岩块的切变
是概率性分析的
强度参数
(
凝聚力和摩擦
功能增强；可以
极限
平衡
力
)
；
间断点切变强度特
分析边坡几何和
征；地下水条件；加固
材料特性中的安
特点和外部支持数据
全灵敏度因素；
能
够
用
多
种
材
料、
加固和地下
水概况来建二维
和三维斜坡
落石仿真
典型边坡几何；岩石
选
址
结
构
的
4
只适用于初级和
非
关
键
斜
坡
的
设
计
.
；需要工程分析
来确定临界面；
需要
和典型的间断点
/
联<
/p>
合
抗
剪
强
度
数据
一
起运用；<
/p>
首先评估临
界取向
,
忽视其它的
连接特性
安全性系数
计算
没
有
指
示
出
不稳
定
性机
制；
许多技术在
不
同
< br>的
假
设
下都
可
以运用；
强压和完全
崩
塌
是
不
允
许出
现
的；
不用考虑原位应
力状态；
纪律性分析
要
求
明
确
的
输入
数
据
来
得
到
有
意义
的
评估；
一般的机率性
分
析
不
会
考
< br>虑到
样
本
/
数据协方差
实际设计图表在
块大小和形状；恢复
系
实用工具；可以
运用上的经验有限
数
利
用
概
率
性
分
析
；
二维和三维
编码可以使用
在市场上可买到的极限平衡的计算机代码在近几年已经有了很大的进步。这
包括：
有
限
元
法
和
地
下
水
应
力
分
析
(
如
GEO-
< br>SLOPE’s
SIGMA/W,
SEEP/W
和
SLOPE/W(6))
的二维极限平衡法编码的集成。
三维极限平衡
法的发展
(
例如
CLARA (7);
3D-SLOPE(8))
。
概率极限平衡技术的发展。
??
允许多样的支持和加固的能力。
??
非饱和土抗剪强度标准的混合。
可视化的高度发展和前处理及后处理的制图学。
这些编码在土坡和高度蚀变岩斜坡的分析中起着至关重要的作用。而在这些
斜
坡中，
离散明确的表面容易发生滑动。
图
2
阐明了高岭土化的花岗岩斜坡崩塌
的反分析法中的二维极限
平衡程序的运用。
包括岩块内部的应力状态和复杂变形
及脆性断
裂影响是极其重要的。数值模拟技术也应用其中。
(
如图
2
所示
).
图
1.
SWEDGE
分析
(
右
)
建立在
DIPS
立体图输
入的基础上
(LEFT).
图
2.
用
极限平衡法对瓷土边坡进行分析来寻求滑动平面（左）和有线差分
来模拟剪应变发展（右
）
石雨模拟器是另一分析法的传统模式，其中包括用来评估单
个坠落方块的危
5
害的工具。
Programs
such
as
像
ROCFALL
(2)
的程序用来分析从给定坡面几何
上滚动或弹动的岩块在速率发生变化时，
滑动岩块的轨道。
在风险评估中，
经过
重复数量的模拟计算出的块速度、
反弹高度和端点距离等因素都
可以在风险评估
中起到作用。通过效力和阻碍物的动能的影响，石雨模拟器也
Rockfall s
可以帮
助制定补救措施。<
/p>
e
类似的发展在
Hungr’s (9)
DAN
编码中有关处理崩塌岩块和
快速滑动方面也有体现。它
提出适用于流量预测和摆动运行的动态分析工具。
坡度分析的数值方法
许多岩石边坡稳
定性存在有关几何学、
资料各向异性、
非线性性能、
原位应
力和出现几个耦合过程
< br>（例如，
孔隙压力和地震荷载等）的问题。
计算机功能的
提高和市场上便宜的数值模拟代码的出现意味着潜在石坡崩塌机制的预想能够，
或者说在大部分情况下能够形成岩石边坡调查的标准件。
石坡稳定性分析的数值方法可以分为三个部分：
连续统、
密断统和混合建模。
表格
< br>2
为现有数控技术的摘要。
表格
2.
数值分析法
((5
之后
))
解析法
关键参数
优势
劣势
运
用
着必
须<
/p>
训
练有素、经验丰富
允
< br>许
物质
变
性
并
且
遵
循
良
好
的
和破损；可以模拟
造型实践。应该意
复杂运行和机制；
识
到
模
型
< br>和
软
件
三维建模性；
.
可
是限制因素
(
例如，
典型边坡几何
;
< br>以
模
拟
地
下
水
和
边界效应、网格的
本构标准
(
例如，
孔
隙
水
压
力
的
影
纵
横
比
、
对
称
度
连续统建模
(
例
弹簧、
弹性塑料、
响；可以评估不稳
硬件记忆限制
) <
/p>
普
如，有限单元法，
潜
< br>变
等
等
);
< br>地
下
定性参数的影响；
遍
输
入
的
贫
瘠
数
有限差
)
水特征
;
表面剪切
< br>计
算
机
软
件
的
发
据
的
可
用
性
必
需
强度
;
原位应
力状
展
在
合
理
的
时
间
输
入
数
据
没
有
经
态
.
内
在
计
算
机
上
建
过定期测量；
不
立复杂模型；可以
能
够
模
拟
高<
/p>
度
节
结合蠕变；可以结
< br>理
岩
石
的
效
果
；
合动态分析
由
于
运
行
时
间
受
限，灵敏度分析很
难完成。
同
上
，使
用
者
允
许
彼此
的
块
必
< br>须
经
验
丰
富
才
变形和块移动；可
典
型
边
坡
和
能遵守好的模拟；
以
模
拟
复
杂
运
行
间
断
几何
;
完
整
的
和
上
述
的
普
遍
局
密断统建模
和复杂机制
(
复合
本构标准
;
间断刚
限性一样；需要注
(
例如，
离散单
材料、间断运
行和
度和切变强度
;
地
意缩放效果；需要
元
,
分立元件
)
液
压
机
械
及
动
态
下水特征
;
原位应
模
拟
典
型
间
断
几
分
析
)
；
能够评估不
力状态
何
(
间距
,
持
久性
稳
定
性
参
数
变
化
等等<
/p>
)
；
节理特性可
的影响
使
用
的
的
数
据<
/p>
有
6
耦合有限元
/
离
列
出
独立
模
型<
/p>
散
单
元
模
型
能
够
混合物
/
耦合模
的
输
入
参
数
的
组
模
拟
节
理
和
层
状
拟
合
媒
介
上
的
完
整
的
裂缝延伸和
断裂
限
(
例如
jkn, jks).
复
杂
问题
需
要
高端内存容量
；在
实
践
中
相
对
来
说
有较少
的经验；需
要
持
续
校
准
和
限
制
连续统建模
连续统建模最适合应用于
由大量完整岩石、软弱岩石、类土或严重断裂的岩
块构成的斜坡。
大多数连续统代码有含离散断裂的设备，
如断层和层面。
但是
不
适用于不均介质的分析。
石坡稳定性中的连续统方法包括有线
差分法和有限元素
法。
Hoek
et
al.
(10)
谈到了其显著的优势
和劣势。这两种方法在石坡分析中都有
广泛的应用。
近几年，绝大多数已发布的连续统石坡分析都运用到了二维有
限差分代码：
FLAC (11).
此代码为本构模型描述岩体和合并不稳定运行、耦合水机制和动力模
型提供了多种选择。
图
3
显示的是
FLAC
在表面煤矿斜坡的失稳损坏中的应用。
二维连续统代
码假定平面应变条件，但对于有不同结构岩石学和地势的非齐
次石坡并不十分有效。类似
FLAC3D (11)
和
VISAGE
(12)
等三位连续统
代码最
近的出现使工程师能够用台式电脑从事石坡的三维分析。图
4
为瓷土边坡的
FLAC
三维分析的例子，它包括沿着击打面修改的不同的区域。
图
3. FLAC
表面煤矿斜坡的失稳损坏的模型
7
图
4. FLAC
瓷土边坡的三维模型
尽管二维和三维连续统代码在描述石坡崩塌机制方面十分有效，工程师也有
责
任仔细考虑并证实它们是否是石块的代表。
若石坡控制失败机制的多重节理组
构成，那么运用密断统模型的方法就很适合。
密断统模拟
密度统方法认为石坡由刚
性组合或变形块构成，从而将它视为间断岩体。分
析包括滚动和主要被联合正常和联合剪
切刚度控制的岩石间断的开或关。
密断统
建模构成最常使用的石
坡分析数字方法，最受欢迎的是离散单元分析法
(13)
。
假设存在有石坡的位移的条件下，
如
UDEC (11)
的离散单元代码运用
力位移定律
来指明变形联合界块和牛顿运动第二定律的相互作用。
UDEC
特别适用于包括节理媒介的问题，
并且广泛应用于滑坡和表面矿山边
坡的调查研究。也可以模拟地下开采、地震
、
地下水压力等因素对石块滑动和
变
形的影响。
图
5
为发生在加拿大亚伯达的重大岩滑
Frank Slide
的分析。
Benko
和
Stead
详细描述了这次模拟调查
(14)
并且举例说明了在岩滑开始的山坡脚下
的地下采矿
可能产生的影响。
图
6
举例说明了在发生在加拿大亚伯达
Luscar
煤
矿的主要崩塌不稳定模型的作用。
这项分析能够模拟地下采矿从
底层到表面的基
础屈曲面的前进发展
(15)
。通过采用可见和不可见斜坡的数值分析的程序模型
能
够为今后的采矿规划提供有价值的信息。
8
图
5. Frank
Slide
的原理截面
(
左
)
和
UDEC
模型沿着表面和节理显示的剪
切
(
右<
/p>
图
6. <
/p>
表层煤矿斜坡的屈曲崩塌
UDEC
模型<
/p>
工程师必须注意到离散单元分析法的的结构输入必须是典型的。
Hencher et al.
(16)
举例说明了在预测破坏机理的表层间距的重要性。
Stead
和
Eberhardt
(17)
展
示了不连续面状态在表层煤矿斜坡的实效故障的重要性。
需要强调的通过调节
模型结构来调整手提电脑上的调节低随机存取存
储器的做法可能会导致不典型
的结果，
例如运用不典型间断间距
的做法。
假设必须随着实地观测和可能边坡仪
器数据的变化而变
化。
随着
3DEC
(11)
等三维间断代码的发展这将变得更加精确。
只有斜坡的三维特征是精确可信的，
结果才能被认为是具有代表性的。<
/p>
这反过来
也需要大量而深入的事先现场调查。
由
Shi
(18)
发展的断点变性分析法
DDA
也在间断岩体建模和岩滑及崩塌的
使
用上取得了巨大的成就。离散单元法和颗粒流的应用为密断统代码近期的发
展，例如：<
/p>
PFC2D/3D (11). This code
allows
能将岩体描述成通过摩擦滑动接触
相互作用的一
系列吸附剂颗粒。
粒子群能够通过指定粘合强度结合在一起，
从
而
模拟联合界块。
这种方法的主要优点就是石坡中的强压将会以
一种近似的方式削
弱粒子模拟和岩石的完全断裂之间的连接。
许多作者已经用密断统和连续统方法来提供石坡分析的有益方法。
Board et al.
(21)
举例说明了
650
米高的露天矿边坡内的复杂变形的分析。
Chile
运用
FLAC
9
和
UDE
C
的联合方法。
同样地，
Benko
和
Stead (14)
运用
FLAC
进行
Frank Slide
的初步调查，用
UDEC
做深入研究。通过将每种方法做为工具在全面石坡分析
中提供了一个阶梯，
从而使后者从极限平衡法、
连续统和间断
统分析中的得到完
整的结果。
混合技术
在石坡分析中混合方法的应用变得越来越广泛。这包括比如软件中采用的
GEO-
SLOPE
(6)
等极限平衡稳定分析和有限单元地下径流和
压力分析的混合方
法。
混合数值模型在包括耦合边界／离散单元
法和耦合边界应对措施的地下岩土
工程中，混合数值模型的运用已有相当长的一段时间。
近期的发展包括运用
FLAC3D<
/p>
及
PFC3D
(22)
的耦合粒子流和有限差分析法。在例如管道斜坡损坏的
现象和高地下水压力对弱
岩质边坡的影响的调查中，
这些混合方法都表现出了巨
大的潜力
。包含自适应网格重构的有限
/
离散单元分析法都是可用的。这
些方法
运用有限元网格来描绘石坡或联合界块。
这和离散单元模
型一起能够模拟包括节
理在内的变形。
如果石坡内的压力超过了
有限单元法中的失效准则，
那么就会产
生裂痕。
格化允许裂缝通过有限单元格的增殖，
从而进行模拟。
Hybrid codes with
混合编码和适合的重啮合程序已经被广泛应用在
强烈压裂的模拟和表层煤矿爆
炸、矿产磨、挡土墙崩塌和地下岩层开中
< br>
(24)
。
样斜坡崩塌过程的代码。
发展前景
在计算上可以广泛使用最先
进的数值模拟代码来进行复杂山体滑坡的分析。
如果扩大这些方法的收益，
那么现场采集技术能能有效促进设计能力的进步是十
分重要的。
在过去十年间，
大部分当前数据收集方法并未发生太大的变化，
并仍
旨在极限平衡分析。
必须收集岩体特征、
仪表装置和地下水的数据来实现石坡损
坏机制的模拟。
职业工程师和研究员必须努力是自己的思想超越台式计算机的使
用，
迎接并行计算机飞速发展的技术。
几十年前，
由于
数据无法人工或用计算机
计算，
工业工程师需要在主机计算机上
操作斜坡分析。
现存的模拟是为了充分利
用和发展自适应网格重
构和三维耦合模型。
当个人电脑不足够的时候我们必须运
用并行
计算机。
工厂已经将这种方法应用于底下钾肥矿井的三维模拟和储油层的
假设中。
在接下来的十年里，
我们在模拟完全故障处理
从开始经过流动再到沉积
方面具有极大的潜能。
这将我们对基低
风险评估有更严谨的理解。
虚拟实体程序
的出现使工程师更以有
力的生动有效地方式传达仿真的结果。
为了提供必不可少
的验证
，质量
/
数量的输入数据和建模所用的仪表数据随之的改进都是
十分重要
的。
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