[发明专利]一种平面折线形凸边坡三维稳定性计算方法

说明书

本发明提供一种平面折线形凸边坡三维稳定性计算方法，首先将平面折线形凸边坡的滑面视为椭球面或椭球面与弱层面组合，建立滑面方程，然后基于条柱底滑面的力学效应推导平面折线形凸边坡三维力学效应的数学模型，基于极限平衡理论和等效原理，建立平面折线形凸边坡三维稳定性的二维等效数学模型，最后剩余推力法计算平面折线形凸边坡的三维稳定性系数。本发明基于极限平衡理论和等效思想，将边坡三维力学效应的数学表达式进行二维等效，实现了平面折线形凸边坡三维稳定性的二维等效表征，规避了传统的边坡三维稳定性计算方法中数值收敛性差、计算过程复杂的问题；有效解决了该种条件下的边坡稳定性分析和设计难题。

技术领域

本发明属于露天开采技术领域，具体涉及一种平面折线形凸边坡三维稳定性计算方法。

背景技术

露天矿边坡往往受矿体赋存条件、地质构造、开采边界等因素限制，平面上呈非规则形态，折线形凸边坡是比较常见的类型，扎哈淖尔露天煤矿、宝日希勒露天煤矿、塔尔煤田II区块露天矿等多座矿山在生产过程中均存在平面折线形凸边坡。由于构成露天矿边坡岩土体具有显著的不连续性与各向异性，在分析该类边坡稳定性时，其三维效应不容忽视。

目前，在边坡三维稳定性计算方法方面，亦有大量的国内外学者展开了研究，如参考文献“HOVLAND H J.Three-dimensional slope stability analysis method[J].Journal of Geotechnical and Environmental Engineering，1977，103(9):971-986”、“HUNGR O.An extension of Bishop’ssimplified method of slope stabilityanalysis to three-dimensions[J].Geotechnique，1987，37:113-117”、“HUANG C C，TSAIC C.New method for 3D and asymmetric slope stability analysis[J].Journal ofGeotechnical and Environmental Engineering，2000，126(10):917-927”、“陈祖煜,弥宏亮,汪小刚.边坡稳定三维分析的极限平衡方法[J].岩土工程学报,2001,23(5):524-529”等对经典二维极限平衡法进行了扩展，形成了一系列三维方法。总结现有的技术状况，可认识到已有的边坡稳定性分析方法根本无法应用于平面折线形凸边坡稳定性定量分析和形态参数设计，迫切需要对平面折线形凸边坡稳定性问题开展深入研究，为科学评价、设计该类边坡提供科学手段。

发明内容

基于上述问题，本发明兼顾圆弧滑动和组合滑动两种最常见的滑坡模式，提出一种平面折线形凸边坡三维稳定性计算方法，包括：

步骤1：将平面折线形凸边坡的滑面视为椭球面或椭球面与弱层面组合，建立滑面方程；

步骤2：基于条柱底滑面的力学效应推导平面折线形凸边坡三维力学效应的数学模型；

步骤3：基于极限平衡理论和等效原理，建立平面折线形凸边坡三维稳定性的二维等效数学模型；

步骤4：建立平面折线形凸边坡三维稳定性的计算方法。

所述步骤1包括：

步骤1.1：根据三维极限平衡法确定边坡的坡面方程z_p为：

式中：α为坡面角，β为1/2折线夹角，(x,y)为平面坐标；

步骤1.2：当滑坡模式为圆弧滑动时，确定边坡的滑面方程z_h为：

式中：R_a为长轴半径，R_b为短轴半径，(x₀,z₀)为圆心坐标；