岩石边坡稳定性评价的关键问题(V2)

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1 引言

本文呈现了一个改进的采矿边坡稳定性评价的基本框架，在点云数据优化、导入点云数据建立数值模型、基于工程岩体分类的岩体力学估算、三维和二维极限平衡分析以及边坡的概率分析和风险评估的基础之上，增加了三维极限平衡理论、边坡监测方案以及排土场边坡稳定性评价。本文主要讨论了边坡稳定性评价的三个关键问题：模型选择、岩体分类以及Hoek-Brown准则的使用。

2 报告框架

第一章概述

第二章矿区概况

第三章点云数据优化【CloudCompare---一款开源点云处理软件】

第四章确定岩体强度参数【合成岩体(SRM)模拟估算节理化岩体强度】

第五章边坡稳定性分析方法【《计算岩土力学》公众号与大语言模型的对话】

第六章三维极限平衡边坡稳定性分析【三维极限平衡分析理论概述(3D LEM)】

第七章二维极限平衡边坡稳定性分析【露天矿三维边坡极限平衡稳定性分析】

第八章边坡概率分析和风险评估【Updated---边坡稳定性概率分析数据集(Probabilistic Approach)】

第九章边坡监测方案【采矿边坡稳定性---未来的边坡(Slopes of the Future)】

第十章排土场边坡稳定性评价【普埃布洛-维埃霍金矿排土场的边坡稳定性】

第十一章结论和建议

3 关键问题

3.1 连续性模型还是不连续模型

岩石工程数值模型的建立是一件非常困难的事情，我们目前采用的方法论是：当岩体只考虑一条或少量节理时，使用界面元(interface)模拟节理的滑动与分离【界面元的创建(Creation of Interface Geometry)】；当岩体有多条平行的节理或有多个软弱层时，使用Ubiquitous模型【各向异性的Ubiquitous节理岩体模拟(UJRM)】；如果岩体呈均匀的破碎状态时，使用等效的连续性模型，例如使用Hoek-Brown准则【一个Hoek-Brown材料边坡稳定性的对比分析】。而对于呈明显各向异性(横观各向同性)的岩体，使用Anisotropic模型【各向异性线性强度模型(Anisotropic Linear Strength Model)】和Ubiquitous-Anisotropic模型【各向异性岩体的数值模型(Anisotropic Rock Mass Model)】。

工程地质条件决定了使用连续性模型还是不连续模型，水文地质条件决定了是否考虑地下水，地震条件决定了是否考虑地震作用力。根据现场勘查和采矿的实际状态，选用连续性模型。

3.2 岩体分类

岩石边坡稳定性分析需要岩体的物理力学参数，然而选择合适的物理力学参数值是岩石工程分析和设计最为挑战性的任务之一，特别是有时由于条件限制，不能取样进行试验，在这种有限数据的条件下，岩石工程师必须根据现场岩石露头或开挖情况对岩体特征进行定量化评估来估算其参数值。当缺乏实验和现场测量数据时，边坡稳定性的评估主要依赖于岩石工程师的经验判断和"最差"状况的估计，概率分析在一定程度上增强了评价的信心。

工程岩体分类本质上是一种经验设计方法，最常使用的工程岩体分类系统有RMR，Q和GSI。在这三种分类方法中，RMR和Q的输入参数相对多一些，GSI只需要两个指标来确定：岩体结构(Structures)和表面条件(Surface Conditions)，因此在现场使用GSI更快捷一些。

图形法是确定GSI的主要方法，岩体结构分为6类，不连续的表面条件分为5类，根据这两个参数在图形上交叉得出GSI值，如下图所示。

根据现场观察，岩体由4组或多于4组节理切割，因此岩体结构定为"VeryBolcky"，节理表面相对平滑，因此表面条件定为"Fair"。使用上图可确定出GSI=47-53。主要岩石为辉长岩，Hoek-Brown常数mi=20-30，损伤因子D=1.0。确定性计算取GSI=50, mi=22, D=1作为输入参数。

尽管岩体物理力学参数在空间上是变化的，但在初步设计和一般分析中，我们通常使用平均值作为输入参数。然而对于值域变化太大的参数来说，取最小值意味着过于保守，取平均值意味着承担一定风险，在这种情况下必须结合其它有用信息进行判断，不能简单地取最小值或平均值。概率分析在一定程度上，通过定义输入参数的统计分布能够解释其数值的不确定性。这些参数可以是节理产状, 剪切强度、地下水位等, 通过不同参数的组合产生出安全系数的分布，然后根据这个分布计算边坡破坏概率。

根据地质报告，边坡岩体主要由辉长岩(Diorite)和片麻状的花岗岩(Granite)组成，岩石强度较高，6个试样的单轴抗压强度值分别为82.5, 36,64.2,52.8,43.5,97(MPa)，按照确定性计算考虑，剔除最大值和最小值，然后取其余4个值的平均值，得UCS=60.75MPa。

3.3 Hoek-Brown准则

在Hoek-Brown准则提出后的40年里，数不清的文献应用该准则进行了岩石工程稳定性分析，也有数不清的文献试图改进Hoek-Brown准则及其参数a,mi和GSI。在【LARMS 2022---岩石力学的挑战: 实现基础设施的可持续发展】上，Dr. Barton【岩体不连续的剪切强度 | Barton-Bandis Model】作了《Continuum or Discontinuum – That is the Question》的主旨演讲，Dr. Barton争论的核心问题是Hoek-Brown准则及其GSI的使用。

事实上，Hoek-Brown准则的适用性以前也受到了一些人的质疑，最典型的是Pells(2008)【Hoek的岩体变形模量经验估计---Is it reliable ?】，言辞激烈地抨击了Hoek-Brown准则。而在这个演讲中，Dr. Barton形容GSI实际上是在岩石工程中使用的最不符合逻辑和最不"地质"的方法，对广泛使用Hoek-Brown准则的软件公司Rocscience提出了批评。同时，也指出了加拿大两位知名岩石力学专家的错误做法：一位是Albert大学的Dr. Derek Martin【2023年国际岩石力学学会ISRM Müller奖---Dr. Derek Martin】，另一位是Laurentian大学的Dr. Peter Kaiser【地下开挖/隧道岩体破坏模式的确定(EXCEL解)】。

Hoek-Brown模型中有一个参数是扰动因子D【不断发展的边坡稳定性研究技术(Itasca)；Hoek-Brown模型扰动因子(Disturbance Factor D)的衰变研究】，在最近的一次讨论中，Dr. Barton把这个参数戏称为"Joker"，意指其D值的确定随意性太大。