高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势

高寒边坡失稳机理和灾害防控的所有问题，至今尚未建立起完善的高寒边坡开采研究体系和边坡稳定性判别标准.本文对高 寒岩质边坡变形破坏的室内岩石力学试验、边坡物理相似模拟、多场多相耦合数值模拟、变形破坏原位监测、高海拔寒区岩

质边坡失稳机理五个方面开展了大量的文献调研，总结高寒岩体变形破坏有关的研究成果，继而对存在的问题进行探讨并分 析当前研究的不足，总结出高寒岩质边坡变形破坏研究领域亟待解决的关键问题:一是开采扰动条件下高海拔寒区矿山边坡 岩体结构损伤劣化机制，二是冻融循环条件下流-固-气多相多场耦合边坡失稳时效特征与评价方法;并就未来高寒边坡变形

和破坏研究方向及发展趋势予以分析，指出开展不同应力路径冻融循环耦合作用下岩体结构损伤劣化机理研究，开展爆破采 动条件下高海拔寒区岩质边坡结构面致溃机制及边坡失稳破坏研究，开展地震荷载作用下高海拔寒区节理岩质边坡地震动

力响应及致灾规律研究，研究多场多相耦合条件下节理岩体损伤劣化机理,开展高海拔寒区矿山边坡抗寒多参量实时安全监

测及失稳预警技术研究五个方面是未来研究的趋势.关键词 高寒边坡;冻融循环;爆破开采;动力响应;多相耦合;失稳机理分类号P2.3Review and prospects for understanding deformation and failure of rock slopes in cold regions with high altitudeLI Chang-hong' 2\\ XIAO Yong-gang'^, WANG Yu''2\\ BU Lei'\ HOU Zhi-qiang®1) Key Laboratory of Ministry of Education for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China2) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China因 Corresponding author, E-mail: b20170013@xs.ustb.edu.cnABSTRACT Research on the deformation and failure mechanism of rock slopes in high-altitude cold areas has obtained certain results, but based on the current theory and technology, it is difficult to comprehensively solve problems related to the cold-slope instability

mechanisms and disaster prevention and control. As yet, no overall research system for high-altitude slope mining or criteria for slope stability have been established. In this paper, based on an extensive literature review, five measures of the deformation and failure of

alpine rock slopes were presented, including the indoor rock mechanics test, simulation of physically similar slopes, multi-field multi­

phase coupled numerical simulation, in-situ monitoring of deformation and damage, and the instability mechanism of rock slopes in high-altitude cold areas. After summarizing the research results related to the deformation and failure of alpine rock masses, existing problems were discussed and current research deficiencies were analyzed. The key problems that require urgent solutions in the research

of the deformation and failure of alpine rock slopes were summarized. The first problem is the damage mechanism of a rock mass in a收稿日期:2019-05-07基金项目：国家重点研发计划课题资助项目(2018YFC0808402)

李长洪等：高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势1375 •high-altitude cold area under mining disturbance conditions. The second problem is the aging characteristics and evaluation methods of the instability of a flow-solid-gas multi-phase multi-field coupled slope under freeze-thaw cycles. The future research direction and

development trends in the deformation and failure of rock slopes in cold regions with high altitude were also analyzed. Research should

be conducted on the following: (1) the damage degradation mechanism of rock masses with different stress paths coupled with freeze-thaw cycles, (2) the structural plane collapse mechanism and instability of rock slopes in high-altitude cold areas under the

condition of blast mining, (3) the dynamic response and disaster occurrence law of jointed rock slopes in high-altitude cold areas under earthquake loading, (4) the mechanism of damage deterioration of jointed rock masses under multi-field and multi-phase coupling

conditions, and (5) real-time safety monitoring and early-warning technology regarding the instability of multi-parameter cold resistance

of mine slopes in high-altitude cold areas. These five research areas constitute the trends of future research.KEY WORDS alpine slope； freeze-thaw cycle； blast mining； dynamic response； multi-phase coupling； failure mechanism我国低海拔金属矿资源量减少，而其需求量却

岩体边坡失稳问题亟待解决.不断增加，《全国矿产资源规划（2016—2020）》⑴ 指出金属矿产资源开发应该逐步向西部地区进

1高寒岩质边坡变形和破坏研究现状调研军，将高海拔寒区金属矿产资源开发上升到国家 高寒岩质边坡多数为岩性组合变化多、高陡

战略高度.高海拔高寒地区低温、低气压、冻融循

坡、强卸荷、多裂隙、冻融作用明显的边坡，一旦

环、生态脆弱等特点，导致矿山开采条件差、灾变 出现了变形和失稳，会严重影响工程各方面的进

机理复杂、人机功效低、救援难度大，而现有的开 展.本文从高寒岩体变形破坏室内岩石力学试 采理论与技术不能适用于高海拔寒区金属矿产资

验、相似模型试验、数值模拟、高寒边坡原位监测

源安全开采，迫切需要建立新理论，开发新技术与

以及失稳机理5个方面进行总结.装备.1.1高海拔寒区岩体室内岩石力学试验研究现状爆破开采、冻融循环、地震等作用引起岩质边

高寒岩体变形破坏室内试验包括冻融循环条

坡地质灾害，致使高寒地区露天矿山岩质边坡的

件下的静态试验、爆破开采等应力扰动下的动态

破坏问题尤为突出.由于露天金属矿的开采致使 试验等.边坡长期暴露在自然环境中，受温度、渗流、采

1.1.1静态试验研究矿、冻融等因素的影响，随着采动后暴露时间的延 ince和Fener®利用卡帕多西亚10个火山碎

长，岩质边坡结构完整性和强度将逐渐下降，一旦

屑岩样品进行冻融（freeze-thaw简写为FT）循环

诱发灾害，将会给国家经济建设和人民生命财产

试验，建立强度损失百分比统计模型预测出火山 带来巨大损失.例如在2013年，我国甲玛矿

碎屑岩单轴抗压强度损失百分比，具有较高的可

由于冻融循环和爆破开采等动载作用导致岩体劣

靠性.Jia等⑷通过不同饱和度的砂岩试样的冻胀

化失稳，引起200多万方边坡塌方量，83名现场作

变形与单轴拉伸变形对比（如图1）,不仅说明砂岩

业人员被埋,“3.29”塌方给人民的生命财产造成巨 冻胀变形与饱和度有关，而且证明超过一定饱和

大损失叫度之后的最大冻胀变形将会存在不可逆的残余变 目前，有关寒区煤矿露天边坡工程和金属矿

形.Han等冏研究砂岩试样在不同化学溶液和快

露天矿山边坡工程岩体在冻融循环条件下岩土体 速FT循环耦合作用下的损伤机理，结果表明砂岩

介质物理力学性质的研究多有报道.露天煤矿边 试样的断裂韧性和强度随着FT循环次数的增加

坡岩体强度较低，主要由沉积岩构成，层理明显且

出现不同程度的劣化.Chen等同对软岩材料试件 夹层多，岩体较破碎，而露天金属矿边坡岩体强度

进行了 FT循环试验，建立冻融边坡稳定性的计算

较高，主要由岩浆岩、变质岩构成，断层、节理发

模型，结果表明含水率和冻融循环次数对软岩的

育，地质条件复杂.有关高寒高海拔地区金属矿露

力学参数有显着影响.Luo等m采集某寒区铁矿边 天矿山边坡节理岩体在开采扰动条件下的力学响

坡辉绿岩，对比辉绿岩和变质辉绿岩的冻融系数

应、结构面灾变扩展机理的研究较少.随着\"一带

（K»和岩石强度损失率（心）等指标，以此研究两

一路”建设的不断深入，确保露天矿山边坡开采边 种岩样冻融损伤劣化规律.坡安全与提高经济效益之间的矛盾日渐明显，有

Ghobadi和Babazadeh181对伊朗西部某地区砂

关高寒高海拔地区露天金属矿山开釆相关的节理

岩试样进行了 60次FT循环试验，结果表明同一• 1376 •工程科学学报，第41卷，第11期图1砂岩在不同饱和度下的冻胀变形与单轴拉伸变形对比⑷Fig.l Comparison of frost heave deformation and uniaxial tensile deformation of sandstone at different saturation levels141地层的岩石风化特性存在较大差异，而且干湿条

件对砂岩特性有较大影响.Fang等何指出随着腐

明，冻结状态下的峰值抗压强度、黏聚力和内摩擦

角均有不同程度的提高；②5、10、20和40次冻融

蚀溶液FT最低温度和pH值的降低，黄砂岩抗压 后红砂岩力学试验结果表明，随着FT循环试验次

数的增加，红砂岩的纵波波速、弹性模量和抗压强 度逐渐减小；③采用0。、45。和90。三个角度制备三

强度和弹性模量均减小，说明承载力和抗变形能

力随着延性的增大而减小.De Kock等何探讨了

微米CT技术在研究冻融过程中孔隙尺度动态变 化的可能性，试验表明多孔石灰岩冷却至-9.7七 时（如图2）,裂缝网络发育，此时冰结晶并释放潜

种单裂隙类砂岩岩样，研究冻融循环和周期荷载

耦合下不同冻融循环的破坏特征，表明岩体的损

伤及强度与岩体裂隙、冻融作用、周期荷载均有

热，吸水路径以及岩石纹理结构影响着裂缝生成 关联，并使用缺陷面积来描述裂隙损伤区.综上所述，冻融循环作用使岩体的力学特性

的位置.杨更社等张慧梅等凹和申艳军等\"-⑷对

发生了显著的变化，但是关于冻融循环条件下岩

体结构劣化的研究不足，尤其是针对高寒边坡采

饱和砂岩、红砂岩、单裂隙类砂岩岩样进行了不

同冻融次数的FT循环试验，得出的结论主要有:

动条件下岩体结构劣化研究不足，应开展有针对

性的室内力学试验，特别是接近工程实际和环境①不同冻结温度下的饱和砂岩三轴压缩试验表

图2冻结温度设定在-5 X.和-15 t时读出数据何.(a)岩样中传感器温度随时间的变化;(b)放热峰前CT切片及裂缝半高全宽值曲线;(c)放热 峰后CT切片及裂缝半高全宽值曲线Fig.2 Readouts of freezing temperature with set points -5 七 and -15 弋何:(a) the temperature of the sensor in the rock sampler as a function of time;

(b) CT slice and Full Width Half Maximum (fwhm) before the exothermal peak; (c) CT slice and Full Width Half Maximum (fwhm) after the exothermal peak李长洪等：高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势• 1377 •下的冻融循环扰动试验. 1.1.2动态试验研究

高海拔寒区露天金属矿山边坡除受到冻融循

动力波源： 爆破开采、

大型机械施工、 地震、爆炸冲击等.波的特性： 纵波和横波、 面波、 频率、振幅.环作用以外，还会频繁受到爆破开采、大型机械化施工以及地震等影响(如图3所示)，将产生较大的应力扰动或冲击荷载，使节理裂隙扩展发育.图3岩体工程受环境因素及内在因素影响问Fig.3 Effects of environmental and internal factors on rock mass engineering115]为研究高海拔寒区岩体工程受爆破或地震等 并不是一种耦合关系，所以可分开单独考虑.李维

光⑷设计了可以模拟不同爆破方向的爆破振动试 验台，以某露天层理岩质边坡为工程背景系统研

动力荷载的影响，通过使用分离式Hopkinson压杆 冲击(SHPB)测试和传统的单轴抗压强度(UCS)测 试,Ke等PM、Wang等”-切、zhou等⑷、Li等㈤和

究了爆破采动对顺层边坡失稳的影响.徐拴海时

Zhang等㈤得出的主要结论如下：① 冲击加载试验结果表明，应力-应变曲线均

采集某岩质边坡多种砂岩试样进行FT循环试验, 考虑爆破开挖对冻岩边坡的影响，定义了岩体的

冻融扰动系数Qn，分析了冻融扰动和爆破采动对

经历了致密化、弹性、屈服和破坏四个阶段，随着

冻融循环次数的增加，动态强度、杨氏模量和动态 岩体的劣化影响.峰值应力减小，能量吸收随着冻融循环次数的增

加而增加.综上所述，高寒岩体实验室动态试验主要采

用的方法是SHPB,且主要针对砂岩等多孔隙、易

② 随循环次数的增加，砂岩孔隙结构分布趋 变形岩性，专门针对高寒露天金属矿山边坡岩体

势呈现多尺度特征，其孔隙率随着冻融作用的持 在爆破采动下的动态力学试验开展较少，应针对

续影响而增大，弹性模量逐渐减小，峰值应变不断 增大.③ 砂岩的饱和质量、孔隙度和宏观损伤随着

高寒边坡研发可以模拟不同爆破荷载大小、不同

爆破方向、不同爆破荷载加载方式的爆破振动试 验台，采用相似原理设计并制作符合工程实际的

冻融循环次数的增加而增大.④ FT循环作用后，红砂岩的力学性能有明显

边坡岩体复杂结构模型，进行爆破振动台模拟试

验，全面模拟爆破振动效应.的劣化，其UCS和模量的降低比静载荷作用下更

为显著.1.2边坡物理相似模型试验研究现状国内外许多学者在研究边坡动载作用下的响 应时采用物理模型振动台试验，该方法能够较为

Liu等［231采用分离式Hopkinson压杆冲击

(SHPB)系统进行了花岗岩巴西劈裂试验,提出了

考虑加载速率和冻融循环的动态拉伸强度预测公

准确的再现整个地质体的变形破坏过程，由于其

成本低、周期短、成果形象直观且对影响因素能

式.Ma等删对经过不同次数的FT周期后的软岩 和砂质泥岩进行了 SHPB动态压缩试验，结果表明

进行重复分析，因此，国内外学者广泛使用边坡模

型试验来研究边坡的变形和破坏.Yang等0］以汶川地震为背景通过边坡模型

两种岩样单轴动态抗压强度随着FT周期次数的

增加呈对数下降趋势.由于岩体爆破和冻融循环

试验研究地震滑坡发生机理及其灾害防控.Huang

等曲通过大型振动台模拟地震荷载作用下边坡变

不一定同时发生，在时间上存在先后的叠加作用,

• 1378 •形破坏来研究硬岩边坡的失稳机理.Che等〔29］采

用振动台试验分析了高陡边坡在地震作用下非连 续节理对边坡的影响规律.Fan等曲认为边坡的

动力响应与地震能量的不均匀分布有重大关联.

Zhang等汕通过进行泥岩边坡离心振动台物理模

拟试验，研究了地震荷载作用下泥岩边坡的动力

响应规律.Li等阂通过两个相似的边坡物理模型

的振动台试验对比，研究了孔隙水压力、加速度、

频谱等特征与边坡场地动力响应特征之间的关联 规律.黄震冋配制了流固耦合相似材料，开展了

围岩渗透破坏灾变演化规律的物理模型试验，研

究了开挖扰动对围岩渗流特征的影响.杨忠平等列

采用振动台架试验并结合通用离散单元法程序

(UDEC)数值分析研究反复微小地震对两种岩质

边坡(顺层和反倾)的动力响应.王来贵等卸通过

边坡振动台模拟试验揭示边坡内部应力状态的调

整变化规律.冯细霞等羽通过振动台试验研究具 有两组正交节理的边坡动力响应，揭示了反倾岩

质边坡在不同波形、不同振幅和频率下的动力响

应规律.综上所述，岩质边坡在动载作用下的振动台 物理模型试验取得了较多的研究成果，但针对高

海拔寒区岩质边坡在地震荷载、爆破采动等动载 作用下的动力响应特征研究较少，存在的主要问

题有：①传统的物理模型较大，而高寒边坡存在冻

融环境，如何将较大尺寸的边坡模型进行冻融之

后再加载，这是进行高寒边坡物理模型试验的一

大难点；②传统的边坡模型振动台试验采用接触

式手段测量变形，当边坡模型内发生较大变形时,

接触测量装置便与监测对象分离，无法继续获取

该点监测数据，需要采用新的监测手段或研发新

装备来解决边坡模型振动台试验中这一问题； ③如何在边坡物理模型中构建真实复杂的节理,

如何模拟控制高寒边坡模型的含水量和含冰量也

是边坡振动台物理模拟需要研究的难点之一.1.3高海拔寒区岩体结构数值模拟研究现状高海拔寒区岩体工程破坏是由各种化学和力

学机制多场耦合作用造成的，影响高海拔寒区岩 体的因素众多，边坡稳定性研究非常复杂，但是边

坡失稳的根源是水-热-力多场耦合作用旳，寒区

金属矿山开采过程中冻融温度场、应力场、渗流

场耦合作用影响岩质边坡稳定性，与常温多场耦 合不同的是寒区岩体内会出现水冰相变，寒区岩

体工程岩-水-冰与多场耦合关系如图4所示.Huang等皆知根据能量守恒定律、质量守恒工程科学学报，第41卷，第11期图4岩-水-冰系统与多场耦合关系网Fig.4 Relationship of coupled rock-water-ice system卩可定律并考虑水/冰相变的静力平衡原理，推求低温

冻结岩体热-水-力(thermo-hydro-mechanical简写

为THM)完全耦合控制方程,并应用于寒区隧道的

稳定性分析.刘乃飞阀建立了高海拔寒区裂隙岩 体的应力-渗流-温度-化学四场耦合数学模型，基

于自行开发的4G2017岩土工程仿真软件建立典 型寒区岩体工程模型.李国峰等泗推导寒区岩体

含相变的温度场-渗流场-应力场三场耦合简化算 法，通过FLAC30对室内岩样力学试验仿真验证了 该算法的正确性.Shen等⑷］对准砂岩试样进行了

从20 t到-20 T冻融循环试验，建立了考虑潜热 效应的表观热容模型(AHCM),并将该模型嵌入

COMSOL程序中，模拟岩体内部温度场的变化规

律.李滨鍔跑建立非饱和土固-液-气三相耦合模

型，揭示了非饱和边坡渗流、气体运移对边坡稳定 系数的影响.陈益峰等跑建立了岩土固-液-气三

相THM完全耦合模型.班改革和戴剑勇跑建立

了非饱和岩体基于固-液-气三相系统守恒定律的

热-流-固完全耦合数学模型.从以上研究成果来看，国内外学者针对寒区 岩体建立了多个耦合模型，但目前关于高寒岩体

的多场耦合模型多是在冻土力学的理论基础上,

将岩体看作各向同性的孔隙介质，对于寒区露天

矿山岩体各向异性、裂隙内水冰相变、流-固-气

多相多场耦合模型的研究较少，边坡多场多相耦

合致灾过程方面的研究尚不完善.1.4高海拔寒区岩质边坡变形破坏原位监测研究

现状为了更好地研究高寒边坡的变形破坏机理，国 内外专家学者对寒区边坡使用多种手段进行了监测.李长洪等：高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势• 1379 •1.4.1声发射（AE）监测冻融温度循环时（如图5）,与岩体冻融循环产生的 近年来，声发射（AE）监测系统在岩石材料中

高能量等变化产生了清晰的声发射信号.Smith

的应用前景受到广泛关注，通过分析采集到的

和Dixon等使用声发射实时监测系统（预警）对滑

响应信息可以为岩体破坏失稳提供早期预警.

坡进行评估，通过监测产生的有源波导声发射，可 Codeglia等W7V）研制了一种利用波导将声发射波

以实现边坡变形的实时连续量化，能够为边坡失 从形变区传输到压电换能器的系统，当边坡受到

稳提供早期预警〔炉迥8 o

CT——

水平波导1M/ (

墓)

*Aa4 o og

o —水平波导2 (3 o oo

蓬2OO O

)

10 00M

60000緊E云4500傘 (曙墓30000搽炭)5

K

00O日期图5冻融循环条件下岩质边坡的声发射率旳Fig.5 Acoustic emissions of rock slopes under freeze-thaw cycle14711.4.2遥感监测技术（SAR）的主要技术特点，并总结了不同SAR技术 地面激光扫描（TLS）、红外热像仪（IRT）及摄 和其他监测系统的主要特点（如表1所示）.Matteo 影测量等非接触式遥感技术的发展，使有效地绘

等［55］使用陆基干涉合成孔径雷达（GB-InSAR）对

制岩体边坡地形及监测地质力学行为能够快速实 奥地利某高寒边坡进行了监测，指出造成滑坡的

现.Luo等的利用地面激光扫描技术，结合全球导

重要影响因素包括快速融雪、春季降雨以及岩石 航卫星系统（GNSS）监测青藏高原永冻土坡面变

热膨胀等.秦宏楠网首次在国内矿山排土场边坡

化，揭示了融冻层的水文热动力学特征.Teza等网

采用GB-InSAR进行监测，通过对监测信息的分析 为研究意大利某岩质边坡稳定性，利用地面激光

揭示了矿山排土场的变形破坏动态发展过程，包 扫描和红外热像仪监测倾斜不连续面，并确认了

括边坡裂缝形成、扩展及最终剪断.Meng等旳通

一条清晰地开放节理.Draebing等〔冏通过地面激 过连续的高时空分辨率地形合成孔径雷达

光扫描和延时摄影观察积雪深度分布，研究雪对

（TerraSAR）图像，指出寒区边坡变形速率在春末 瑞士阿尔卑斯山脉斯坦泰利山（Steintaelli）永久冻

晚秋有明显增加的趋势，而在冬季则略有增加，边 岩边坡稳定性的影响，结果表明岩质边坡的失稳

坡坡面中部至坡脚部位经常发生移动.主要由昼夜性以及季节性冰性断裂的反复发生破 1.4.3其他原位监测试验坏而引起.Atzeni等何论述了现代合成孔径雷达

传统监测边坡地表位移的仪器主要有经纬-1380表1不同监测技术的特点冋工程科学学报，第41卷，第11期Table 1 Characteristics of different monitoring technologies1541监测技术精度平均扫描时间空间分辨率连续图像,成千上万像素连续图像，几千像素连续图像，百万点逐点逐点范围信息密度高GB-InSAR真实孔径雷达WmmWmmWcm<3 min（不限覆盖范围）W4 km5 ~ 30 min（依据覆盖范围）几分钟~几小时（依据覆盖范围）W2.5 kmW3 kmW1 km几十公里高、中激光扫描仪自动化全站仪全球导航卫星系统（RAR）超高逐点逐点mmWcm几十分钟几分钟仪、全站仪，受环境条件，它们在高寒边坡的

使用适应性较差.针对传统的测斜仪存在的精度

降雨饱和之后，受冻融循环作用，水冰相变致使裂

隙逐渐扩展至最终贯通，从而引起岩质边坡失稳

崩塌（失稳过程如图6所示）.刘泉声等㈣采用冻结缘理论研究裂隙岩体的 冻融损伤机理.黄勇㈤指出高寒边坡岩体裂隙结

低及耐久性差等缺点，裴华富等网开发了一套新 型测斜仪，该仪器采用光纤光栅传感技术，并在某

高速公路高危边坡布置了 3套装置进行长期监 测，测得不同边坡台阶处的水平位移.张云龙网

构面上静水压力超过其抗拉强度后，裂隙发展贯

通致使边坡失稳.周志东等冋通过对多个高

构建了北斗/GPS抗差位移探测模型，研发北斗高

精度位移探测技术.此外，多点位移计、地理信息

寒边坡进行研究，总结工程边坡的失稳机理包括 开挖-热融滑塌变形破坏、卸荷-松动-滑塌变形破

系统（GIS）等位移监测技术也为边坡工程变形监

测提供了多种便捷有效的手段.从以上研究成果来看，声发射（AE）监测准确

坏、松动-牵引-开裂-滑塌变形破坏、卸荷-倾倒-

溃决变形破坏.率与布点数量、位置有较大关系，目前的遥感监测

1.5.2岩体结构变异机理Li等1661应用Hoek-Brown经验准则计算了冻

设备在高寒高海拔地区适应性较差，而高海拔低

温条件下矿山存在冻融滑坡发展快、预报难，传统

融循环前后边坡的安全系数，结果表明冻融循环

作用降低了花岗岩的抗压强度以及边坡安全系

的边坡监测手段布点少、精度低，人工监测工作量

和难度大，难以实时精确监测预警等问题.1.5高海拔寒区岩质边坡失稳机理研究现状国内外关于寒区土质边坡稳定性的研究取得 了丰硕的研究成果1心7相对而言较成熟，而冻岩

数.Luo等冋建立了地质强度指数（GSI）与天山边

坡岩体等级（TSMR）系统之间的线性关系，分析了

边坡力学特征和稳定状态.Chen等冏指出对边坡 稳定性影响最大的两个参数是含水量和FT周期

边坡的失稳机理研究较少，主要采用数值模型，室 内试验、原位监测等手段研究高海拔寒区岩质边 坡的失稳机理，大体上分为岩体结构面劣化机理

和岩体结构变异机理.1.5.1结构面劣化机理Zhou等阿指出构成岩体边坡滑坡的主要原因

数.贾海梁等阴将由水的冻结膨胀引起的岩石损

伤定义为岩石冻融损伤第一类机制，将其他原因

的岩石损伤定义为第二类机制，将FT循环作用视 作一种疲劳荷载.纪洪广等刚综合“三带”理论及

高密度电法探测结果，探究边坡岩体稳定性与岩

体开采后力学参数劣化变异的关系，指出由于开

采扰动及采空区作用，致使边坡岩体孔隙率增大,

是冻融循环作用、冰川融化加之强降雨导致结构

面强度降低.Li等丽指出高寒岩质边坡原生裂隙

岩体结构完整性破坏，岩体参数劣化致使边坡失

图6高寒岩质边坡冻融破坏示意图冋.（a）裂隙充水；（b）产生新裂隙;（c）裂隙扩展；（d）表面崩塌Fig.6 Freeze-thaw failure diagrams of alpine rock slopes1631: (a) fracture filling; (b) new fractures extension; (c) melt water flow into the extensionfractures; (d)surface collapse李长洪等：高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势1381 •稳.姚文敏等⑷指出岩层倾角、边坡走向与岩层 走向的夹角对岩质边坡的稳定系数、破坏模式有

显著影响.1.5.3稳定性评价方法重大问题，也是岩石力学领域的经典应用性命题. 岩质边坡稳定受到岩体节理、含水量、环境风化、

覆盖层以及爆破开挖等多种因素影响，国内外学 者对边坡稳定性的评价方法不胜枚举，归纳起来,

主要有五大类㈤，如表2所示.露天矿山边坡稳定性不仅是矿山安全生产的

表2边坡稳定性分析方法Table 2 Slope stability analysis methods工程地质分析法分析边坡地质体 成因、演化史、变 形破坏方式、力学 机制、影响稳定性 的因素等,是定性 分析方法极限平衡分析法极限分析法将滑坡体看作服从流动法则的理 想塑性材料，以极限状态时自重 和外荷载所做的功等于滑裂面上 阻力所消耗的功为条件，结合塑 性极限分析的上、下限定理，求得 边坡极限荷载与安全系数数值分析方法可靠性分析方法蒙特卡洛模拟法

假设边坡出现滑动面且处于 极限平衡状态，然后将边坡离 散成有垂直边界的刚体条块， 建立条块之间的静力平衡方 程，通过求解静力平衡方程得 到边坡的安全系数基于强度折减的有限元法(SRM)、基 于滑面应力分析的有限元法(SSA)、 有限差分法、有限单元法、边界元法、 无单元法、无网格法、离散单元法、不 连续变形分析方法、快速拉格朗日插 值方法、流形元方法等(Monte Carlo )

一次二阶矩法统 计矩法随机有限 元法由于高寒岩质边坡稳定性影响因素多而复 化以至于整体滑坡.因此，综合运用宏细观岩石力

学理论，开展有针对性的室内岩石力学试验和相

杂，一些学者在传统边坡稳定性评价的基础上对

高寒岩质边坡稳定性做出了很多有益的尝试.李 建峰等㈤基于模糊综合评价法(AHP),选取12类

似物理模拟试验，研究在冻融循环及开采扰动条 件下高寒边坡失稳机理，再现边坡岩体结构变形

对高寒岩质边坡有主要影响的指标，构建模糊综

合评价体系模型.乔国文等冋综合考虑边坡岩体

破坏过程中应变场演化过程，揭示高寒边坡采动

响应特征及岩体结构渐进性破坏特征，探明开采 扰动条件下高寒边坡岩体结构损伤劣化机制，而

上述工作的开展将为高寒边坡稳定性在未来的研

结构面、水文条件、冻融风化、地震和爆破开挖等

因素，建立了高寒岩质边坡稳定性的预测评价体

系(TFBQ).王斌等\"I采用物质点法评价边坡的稳 定性，不仅可以揭示边坡失稳破坏机制，而且可以

究提供重要基础理论.(2)冻融循环条件下流-固-气多相多场耦合 边坡失稳时效特征与评价方法.评价边坡导致的次生灾害.综上所述，高海拔寒区岩质边坡的失稳机理 可以归纳为两类，一是岩体结构面劣化导致边坡

高海拔寒区岩体边坡失稳的根源是水-热-力 多场耦合作用，目前有关寒区岩体物理力学性质

失稳，二是岩体结构变异所致，但已有研究成果考 虑因素并不全面，而高海拔寒区岩质边坡变形破 坏影响因素众多，高寒地区岩质边坡稳定性评价

标准和评价体系尚不完善.2关键问题探讨与分析的研究多有报道，而有关高寒边坡岩体在多场多

相耦合致灾过程方面的研究尚不完善.为此，对典

型节理岩体进行工程地质调查和岩芯定向勘查,

获取单一节理及多组密集节理岩体的变形和强度

特征，研究适用于高海拔寒区节理岩体结构的非

接触识别方法，实现不同岩体结构单元的探测和

2.1关键问题探讨针对高海拔高寒地区金属露天矿山开采过程

识别，建立高寒地区裂隙岩体流-固-气多相耦合

模型，构建表征裂隙岩体边坡真实结构的多相多

中所面临的边坡失稳问题，笔者尝试总结岀未来

该领域亟待解决的两项关键问题.场耦合工程地质力学模型，研究高海拔高寒地区

露天采场边坡储能机制及释能机制，揭示坡体冻

胀变形、蠕滑拉裂、坡体加剧变形、锁骨段失效致

(1)开采扰动条件下高海拔寒区矿山边坡岩

体结构损伤劣化机制.冻融循环诱发高寒边坡岩体结构冻融损伤,

灾的动态演化链式灾害模式.2.2未来研究方向及发展趋势露天矿山受连续开挖及强开采扰动影响，岩体结

构进一步损伤劣化，产生更多节理裂隙并使节理

通过上述对髙海拔寒区边坡变形和破坏研究 现状的大量调研以及未来关键问题探讨，本文从

如下六个方面对未来高寒边坡的变形和破坏研究

裂隙扩展发育，其影响稳定性的因素较常温地区

更多更复杂，在受到雨水侵蚀、风化及地震荷载等

方向及发展趋势作出一定的建议与展望.(1)开展不同应力路径冻融循环耦合作用下

作用时，边坡岩体结构会出现不同程度的损伤劣

-1382 -岩体结构损伤劣化机理研究.选取我国西部典型高寒金属矿露天边坡，对 现场工程地质、开挖扰动因素、构造形迹、细观结 构等进行调查并取样，开展不同应力路径下冻融 岩石的单轴压缩以及三轴卸围压试验，获取边坡

地质体材料的冻融参数以及抗压强度(单轴和三

轴)、弹性模量(动态和静态)、泊松比等力学参 数，采用声发射及压后CT扫描等手段进行观测分 析，研究不同加载频率、不同加载幅值、低围压下

高寒岩体结构损伤劣化机制，研究不同冻结温度、 冻融循环次数、风化侵蚀条件下结构面物理性状 损伤劣化特征，揭示结构面冻胀过程中的应变响

应机制，建立不同环境因素下结构面损伤劣化与 冻融循环的关系.从宏、细观两方面分析冻融扰

动岩体结构损伤劣化机制并寻求其宏、细观关联

特征规律.(2) 开展爆破采动条件下高海拔寒区岩质边

坡结构面致溃机制及边坡失稳破坏研究.研究冻融循环条件下岩体边坡结构面在开采 扰动下力学性能损伤劣化时效特征，提出冻融循

环条件下的抗剪强度经验公式和本构方程.通过

现场大量监测并采用多组数据回归获得爆破振动 波形数据、岩体结构力学参数、结构面分布特征

等资料，研发可以模拟不同爆破荷载大小、不同爆 破方向、不同爆破荷载加载方式的爆破振动试验

台，采用相似原理设计并制作符合工程实际边坡 岩体复杂结构模型，进行爆破振动台模拟试验，全

面模拟爆破振动效应，研究高寒边坡岩体结构面 裂隙产生、扩展与贯通规律以及爆破采动作用下

的岩体结构劣化变异特性，提岀高寒岩体爆破采 动作用下的边坡稳定性评判标准，为评价高寒岩

体结构在爆破采动作用下的边坡稳定性提供科学

依据.(3) 开展地震荷载作用下高海拔寒区节理岩

质边坡地震动力响应及致灾规律研究.研发能够模拟真实冻融环境并能够准确监测 大变形的振动模拟试验台，以高海拔高寒地区典

型露天矿山岩质边坡为研究对象，构建具有实际 矿山复杂节理体系的边坡模型，开展不同振幅、不

同震源及不同持续时间的边坡振动台模拟试验,

基于高寒边坡模型破坏过程中采集到的加速度和 位移数据，分析边坡地形、地质和震源参数在地震

荷载作用下的响应特征，研究地震荷载作用下结 构面与岩体结构三维运动的差异性，揭示高寒边

坡地震动力响应及节理裂隙产生、发展及贯通时

工程科学学报.第41卷，第11期效致灾规律.(4) 研究多场多相耦合条件下节理岩体损伤

劣化机理.目前我国对于冻土工程的研究较为深入广

泛，而风化土石料、黄土及尾矿等散体材料，尤其

是矿山边坡近地表土石混合料受冻融循环作用的

劣化特性目前研究仍然不够深入，而这些散体结 构孔隙、裂隙较多，构成了有岩-水-冰-气等多相

组分耦合而成多孔介质结构.因此,需要考虑岩体

裂隙储水空间、补水通道、冻融范围等因素，构建

高海拔寒区裂隙岩体在温度场、渗流场、应力场

及化学场等多场扰动条件下流-固-气多相耦合损

伤演化模型，分析孔隙水的相变过程中温度场及 水冰含量的相对变化，探究节理岩体冻融过程中

未冻水的迁移及冻胀力的变化规律，基于连续-

离散方法的先进数值仿真技术构建表征裂隙岩体

边坡真实结构的工程地质力学模型，再现开采扰

动作用下边坡局部开裂、破裂损伤、裂纹扩展到

滑面贯通的全过程，揭示多场多相耦合条件下髙

海拔寒区裂隙岩体损伤与灾变机理.(5) 开展高海拔矿山边坡抗寒多参量实时安

全监测及失稳预警技术研究.高海拔地区低温、低气压使一些监测和预警 设备精度降低、寿命缩短甚至失灵，应研发具备自

发电、全天时、全天候的拖车式边坡合成孔径雷

达工作站，实现对边坡进行大范围、高精度、长距 离的实时监测，自动获取边坡表面位移数据，研发

以拖车式边坡合成孔径雷达为主要监测手段的抗

寒多参量实时监测系统，开发一套适用于高海拔

寒区露天矿山边坡的综合实时监测预警系统，研 究多源信息耦合的边坡地质评价模型，提出冻融 循环岩体破裂度指标判定准则，研究冻融滑坡的

分级预警技术，建立一整套高寒地区滑坡前兆识

别、预警与险情解危体系，建立高寒边坡三维时空 预警模型，形成一套高海拔高寒地区节理边坡结

构特征识别、前兆信息获取与预警一体的边坡失

稳预警技术.3结论(1) 本文对高海拔寒区岩质边坡变形和破坏

的室内试验、相似模拟、数值模拟、原位监测以及

失稳机理五个方面做了大量的文献调研，通过对 研究现状的全面梳理和总结，分析当下研究成果

的不足之处.(2) 针对高海拔高寒地区金属露天矿山开采

李长洪等：高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势• 1383 -过程中所面临的边坡失稳问题，探讨性地凝练出

两项亟待解决的关键问题，即：开采扰动条件下高

寒边坡岩体结构损伤劣化机制、冻融循环条件下

流-固-气多相多场耦合边坡失稳时效特征与评价 方法.(3)对高海拔寒区岩质边坡变形和破坏研究

的五个研究方向和发展趋势进行了具体的建议性

展望，探讨了该领域学术界和工程界未来研究的

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