露天矿边坡大规模破坏的滑流分析---滑坡体能跑多远？

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1 引言

当露天矿的边坡发生破坏后，滑坡体受重力作用会向下滚落，在台阶规模和坡道规模上，破坏大部分是浅层破坏，其特点是滑坡体体积小，滑动速度慢，边坡破坏主要的主要型式是平面破坏【岩石边坡平面滑动参数的敏感性排序】或楔形破坏【岩石楔形体的组合分析(Combinations Analysis)】，这种破坏通常不会造成太大损失；而多台阶的深层边坡危害性极大，其特点是滑坡体体积大，滑动速度块，例如Bingham Canyon的滑坡【露天采矿史上规模最大的滑坡---宾汉峡谷铜矿滑坡(Bingham Canyon Manefay Landslide)】。这就给采矿工程师和岩土工程师提出一个非常难预测的问题，当边坡发生岩崩后，滑坡体能跑多远？设置多大的安全距离合适？

当确定了一个潜在的滑坡源后，就需要进行径流分析(Landslide Runout Analysis)，以估计边坡下方的危险或风险；估计输入参数，如速度和流深(最初报导的估计流深是80m)；或估计可能的次生影响，如滑坡产生的波浪或滑坡坝引起的洪水。

2 滑流分析的途径

滑流分析是对滑坡运动的分析。一般来说，如果滑动体的滑动速度大于5m/s(18km/h)，就认为出现了滑流，滑流体的最终位置远离它的起源点---边坡最顶端发生破坏的地方。

典型的滑流分析如下图所示。假定滑坡体只在上部台阶发生，然后这部分材料滑移到边坡脚底流动和堆积，大部分的边坡破坏确实是这样的，不过在最近发生的边坡破坏【内蒙古露天煤矿大规模山体滑坡可能的诱发原因(massive slides in open-pit mine)】中，观察到首先地层在边坡底部的平台上出现了开裂，然后上部滑坡体才流动到这个位置，因此严格意义上，滑流模式并不符合图示的假设，这也是需要进一步思考的一个问题。

最简单的流滑分析形式包括根据经验和判断对地形进行定性评估，以估计潜在的移动方向、距离和速度。定量分析方法包括从简单的经验统计关系到复杂的三维数值模型。使用的方法主要取决于滑坡的类型以及研究的目的和范围。对于概述或初步评估，使用经验方法就足够；对于详细的风险评估或治理设计，通常要用数值模型来补充经验估计。下面简要概括了这些方法。

3 经验方法

自然滑坡的经验流滑模型已被证明是预测滑坡体流滑距离和影响区的有用工具。Heim(1932)最早提出滑坡的距离与滑坡体的体积成正比。一些研究者在Heim工作的基础上，将路径形态、滑坡分类和障碍物合并到模型中，Hungr, O., & Evans, S. G. (2004)总结了这些经验关系[

Entrainment of debris in rock avalanches: an analysis of a long run-out mechanism]，每种方法都需要对源头位置和滑动路径进行近似计算，但对其他参数的重要性仍存在分歧。主要的研究有[(2015) Runout Exceedance Prediction For Open Pit Slope Failures]：

(1) Fahrböschung angle vs. volume

(2) Stratified Fahrböschung angle vs. volume

(3) Fahrböschung angle vs. slope angle

(4) Travel angle

(5) Runout length vs. volume

(6) Excessive travel distance vs. volume

(7) Normalized excessive travel distance vs. volume

(8) Constant volume

(9)Inundation area vs. volume

(10) Fahrböschung angle vs. potential energy

(11) Length vs. potential energy

(12) Inundation area vs. potential energy

(13) Dimensionless runout

(14) Volume balance

(15) Channeled flow

(16) Granular temperature

4 解析方法

解析方法最初用来预测雪崩和泥石流的流滑过程，这种方法不太适合以岩石为主的采矿滑坡，随着数值模拟技术的引入，解析法在最近30年基本上不再发展。

5 数值方法

流滑的运动轨迹可以使用数值模拟进行分析，分为不连续性方法和连续性方法。

5.1 不连续性方法

对于少量的岩石块体，最早发展的数值模型是CRSP，目前采矿工程主要的分析工具是RocFall2D和RocFall3D【岩崩软件回顾(Rockfall)---对NAVFAC DM 7.1的补充】。对于大量的岩石块体，PFC2D和PFC3D是主要的模拟工具【边坡破坏和滑移的PFC模拟(Failure and Runout)】。此外, LS-DYNA也能进行流滑分析。

5.2 连续性方法

值得一提的是，现代滑坡流滑分析最系统的研究出自加拿大UBC的地质工程系，以Hungr教授为核心的研究小组，在经验方法和数值方法上进行了深入研究，其中最具代表性的数值方法研究是发展了DAN2D和DAN3D，群内有不少同学问有没有这个软件，回答是目前还没有。除此之外，可以使用材料点法MPM进行模拟【材料点法(MPM)隐式接触技术的发展】。

6 参考文献

(2016) Landslide Runout Analysis - Current Practice and Challenges

(2016) Runout analysis and mobility observations for large open pit slope failures

(2020) Operational Estimation of Landslide Runout - Comparison of Empirical and Numerical Methods

(2020) Runout of open pit slope failures - an update

(2021) Improved prediction of runout distance for in situ highwall instability in Australian eastern coast coal mines

7 结束语

滑坡体经过滑流形成了堆积物，在这个时候使用雷达进行滑坡体的变形监测本质上已经没有太大意义，一方面，由于没有外力作用，散体状的“颗粒”之间的接触力已经达到了平衡，滑坡体本身不会构成大的塌落危险；另一方面，雷达对于连续的、渐进式的岩体移动有预警作用，而对于岩体不连续体运动、偶然掉落的岩块，根本起不到预警作用，雷达还没作出反应，岩块就掉下来了。我想应该把监测重点放到滑坡体周围的岩体上。前面说过，这个滑坡是一个深切型的岩崩，尽管目前没有充足的证据，但有理由猜测可能是存在的地下采空区或断层起了一定推动作用。