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1、辽宁工程技术大学本科毕业设计（论文）开题报告题 目 海州矿南帮边坡的支护设计分析 指 导 教 师 院（系、部） 力学与工程学院 专 业 班 级 工程力学09-1班 学 号 姓 名 日 期 2013年3月22日 教务处印制一、选题的目的、意义和研究现状1、选题的目的和意义海州露天矿发现于1913年，曾经是亚洲最大的机械化露天煤矿。该矿东西长4公里，南北宽2公里，总面积30平方公里。地势东南高，西北低。露天矿设计开采深度为350m。海州矿闭坑后遗留面积为6km2、深度达350m 的矿坑。经近几年的监测，海州露天南帮已有移动现象：E18区域已累计水平位移2320mm，垂直位移397mm；E12区域已
2、累计水平位移397mm，垂直位移551mm；W2区域已累计水平位移800mm，垂直位移867mm。据统计，露天南帮边坡不稳定区（滑坡易发区）面积333万m2，现有滑坡遗迹20余处。由于边坡变形造成的南帮整体移动，使得边帮影响范围内的地表发生变形、地面沉降等地质灾害。工程建设和运营以及自然地质环境都会涉及到众多的边坡问题。 边坡按其形成可分为自然边坡和人工边坡；按其介质又分为土质边坡、岩质边坡和土岩组合边坡；按其稳定状态又分为稳定边坡、不稳定边坡和潜在不稳定边坡等。边坡类型细分起来十分复杂。边坡支护主要针对不稳定边坡，以及那些潜在不稳定或者稳定系数不能满足要求的边坡。边坡支护结构的形式很多，有挡
3、墙、抗滑桩、锚固等，可以说百花齐放。支护中主要使用其中一种、两种，或将不同类型的支护结构组合起来使用。究竟选择什么样的支护结构，要针对实际情况进行多方论证，从可选方案中推荐最优方案，最重要的就是要保证所采用方案是否做到了安全、经济、合理、可行。如何做到方案最优，是支护工程设计参与者必须考虑的，因为支护结构形式的选择要考虑诸多方面的因素。海州露天煤矿边坡在过去的采煤运营期间属于临时性的边坡，现今海州露天煤矿随着地质公园的建立，边坡就相应地转变成了永久性边坡。因此，对海州露天煤矿南帮边坡的安全与稳定性评价工作非常重要。因此，有必要针对海州露天矿南帮开展边坡支护设计分析，并提供有效的设计方案。2、国
4、内外的研究现状随着我国工程建设的高潮迭起，出现了大量的边坡稳定问题亟待解决，给工程建设和人民生命和财产安全造成了巨大的隐患。边坡的失稳是多因素复杂作用的结果，不同环境下的影响因素各不相同，这就决定了针对特定工程，必须首先要明确边坡灾害的产生机理，再选择相适宜的防治防护措施。我国在滑坡灾害的防治方面，主要是以预防为主，防重于治。治理强调统一考虑边坡稳定的各影响因素，并根据各因素所起的作用，按照有先有后、有主有次、有选择性的对滑坡进行防治。目前滑坡的防治措施主要为绕避、完善排水系统、抗滑支挡和滑带土改良等。为了满足治理目的，滑坡防治中一般都是联合使用这几种防治措施。而对于人工边坡的防护来说，还往往
5、还同时使用植物来起到防表土冲刷、固坡和美化环境的效果。对于露天矿边坡问题的研究，早期的极限平衡条分法是1916年由瑞典人彼德森提出，后来Fellenius，Taylor，Bishop，Janbu，Morgenstern和Price，Spencer，Sarma，陈祖煜等很多学者致力于对条分法的改进。目前，刚体极限平衡方法已经从二维发展到了三维，我国学者陈祖煜、朱大勇、郑宏在理论计算方面做出了突出的贡献。刚体极限平衡法其力学模型简单，可对边坡稳定性进行定量评价，但不能考虑坡体中的应力-应变状态，只是给出所有可能的危险滑动范围，对于均匀土质边坡计算结果较好。塑性极限分析最早由Drucker和Prag
6、er于1952年提出，70年代潘家铮提出了滑坡极限分析的两条基本原理极大和极小值原理，Donald和陈祖煜从变形协调出发建立运动许可速度场，根据外力功和内能耗散的原理确定安全系数。离散单元法和FLAC-3D（快速拉格朗日法）是美国学者Cundall教授提出的两种计算方法，在解决离散的、非连续的问题和大变形问题方面有着极其广泛的应用范围与发展前途，其不足之处是缺乏严密的理论基础。一些不连续变形分析方法、流形元、PFC（particle flow code）、RFPA（realistic failure process analysis）等数值方法广泛应用于边坡稳定性分析中，促进了人们对边坡破坏失
7、稳机制的认识。有限元法是一种较成熟的数值方法，在边坡岩土体的稳定性分析中应用最早于1967年，也是目前最广泛使用的一种数值分析方法。可靠度理论应用于边坡工程是从20 世纪70 年代后期开始的，许多学者对边坡可靠度的研究做出了卓有成效的贡献。尤其是祝玉学的边坡可靠性分析和王家臣的边坡工程随机分析原理专著的出版，标志着我国对于边坡可靠性理论方面的研究进入了一个崭新的阶段。边坡可靠性分析所常用的方法有：蒙特卡洛模拟法、一次二阶矩法、统计矩法、随机有限元法。近些年有很多学者致力于可靠性分析方法的应用研究，在大冶铁矿东露天扩帮区边坡稳定性分析、黄河山东堤段边坡稳定性分析、三峡库区滑坡和小浪底进水口边坡稳
8、定性分析中得到成功应用。由于边坡岩体性质、地质构造等多方面的差异，实际边坡的渐进破坏与理论模型有一定的差距。郑颍人院士指出：“边坡的稳定分析、参数选用，至今仍是一大技术难题，特别是岩质边坡尚没有实用的分析方法”。边坡病害防治的支挡工程的结构类型丰富多样，其发展可大致分为以下几个段：第一阶段（20世纪50年代以前），大量采用抗滑挡墙结合支撑锚杆，曾取得一定效果，但由于滑坡推力大，致使抗滑挡墙体积庞大、胸坡缓，墙基必须置于滑面以下一定深度，施工开挖对滑体稳定影响大。第二阶段（20世纪60、70年代），在相应疏截滑带水的情况下，采用抗滑桩支挡，工程效果明显；国外多采用钢筋混凝土钻孔桩和钢桩（直径小）
9、，用群桩加承台共同受力。国内采用矩形截面的钢筋混凝土挖孔桩（最大截面4m7m，长达46米），抗滑桩因提供的抗力大，施工对滑体的扰动小、安全、见效快，在这一时期曾被广泛采用。第三阶段（20世纪80年代以后），随着锚固技术的发展，在滑坡前缘使用群孔疏干前部岩土，预应力锚索在边坡加固中得到了广泛的应用，在工程实践中演化出了各种各样的结构形式，主要有：预应力锚索地墩或地梁；预应力锚索抗滑挡墙；预应力锚索抗滑桩；预应力锚索抗滑桩板墙；预应力锚索格构。预应力锚索的应用大大地改善了抗滑结构的受力状态，降低了工程造价。据不完全统计，在同样的条件下，锚索抗滑桩比普通抗滑桩节约投资30%左右。回顾我国露天矿边坡稳
10、定性研究的发展进程，我国在边坡稳定性评价的理论研究及工程实践方面均取得不少丰硕的成果且其经过由发展到逐步完善的过程。这里要特别强调的是,岩体工程地质力学的创立奠定了我国露天矿边坡稳定性研究的理论基础，具有里程碑的意义,在这方面中国科学院地质研究所作出了杰出的贡献。随后赤平极射投影在岩体工程地质力学中的应用，以及实体比例投影方法的提出，更为地质工程及露天矿边坡稳定性分析提供了一种简便的作图分析方法。其后在总结大量工程实践的基础上，建立的我国岩质边坡变形破坏的地质模型，不但具有理论上的意义，而且更具有工程实际意义,是对工程地质类比的理论深化和提高。上述用于岩质边坡稳定性评价的原理与方法已形成比较完
11、善的体系，且日臻完善,在工程实践中得到普遍的推广应用。这种评价方法的特点在于工程地质与岩体力学的有机结合,而其本质是以地质条件或地质背景为依据，以岩体结构为理论基础，以地质构造控制为纲，形成了独具特色的岩质边坡稳定性评价的原理与方法。二、研究方案及预期结果1、设计方案或论文主要研究内容1.1 主要设计方案思路本设计为海州矿南帮边坡支护设计分析，在设计之前，首先了解了关于边坡支护的各种方案，从中分析各种方案的优缺点，根据本工程实际边坡支护的发展现状初步选取支护方案。经过方案选定之后，进行正式的设计与计算。设计的步骤、过程要符合规范要求，参数的选取要有依据。计算完成后根据自己的计算结果绘制相关图纸
12、。最后进行方案的比选，确定最终的支护方案。设计原则为1、本边坡工程为永久性支护，边坡等级为一级；2、采用不平衡传递系数法计算滑坡推力；3、设计本着安全、经济的原则进行。1.2论文研究主要内容项目基于海州矿具体地质条件，应用理论分析和数值模拟相结合的方法，分块建立了南帮三维边坡模型、边坡稳定性数值计算等工作。具体内容如下：（1）、海州矿南帮边坡稳定性三维数值模拟；（2）、海州矿南帮W9-E26 各剖面稳定性系数；（3）、依据稳定性计算结果给出相应的加固建议措施。2、主要解决的问题、理论、方法、技术路线2.1本文的主要研究内容有如下几个方面:（1）本论文结合工程实例,对边坡支护效果的各种因素进行了
13、详细的分析和研究；（2）建立边坡岩体锚固系统的概念，并利用有限元软件对它们的稳定性进行了模拟分析和评价；（3）对加固边坡所用的锚固进行受力分析，了解其在边坡加固中的受力特征；（4）分析边坡支护前后的稳定情况，对海州矿南帮边坡提出合理的支护加固方案并对方案进行分析。由于三维边坡模型比较复杂，所以其模型的建立大都借助其他软件来实现。我这次主要用ANSYS中建立不规则岩质边坡模型的思路。对于三维岩质边坡模型的建立，一般来说有两种方法：1、平面法：根据地形地质平面图建立模型的方法，用ANSYS建模方法这种模型一般适合于均质体的模型。2、剖面法：在某些情况下，边坡上局部区域发育有第四系的堆积体，其与基岩
14、的分界线在平面图上反映不出来，另外岩体中的风化卸荷面也是一个不规则的曲面，而且一般还包括强卸荷面，弱卸荷面等。这样只通过平面图获取不到足够的信息，这种情况下就要通过剖面来实现了。2.2技术路线搜集及整理资料提出研究问题模拟分析理论分析建立三维模型参数确定力学计算变形原理工程地质稳定性分析力学性质数值模拟海州矿南帮边坡支护设计支护前后对比分析并得到结论3、论文框架第一章：绪论。主要介绍了国内外支护结构的发展过程，介绍边坡稳定性分析的发展趋势。对几种常见支护方式的分析，并引出需研究问题。第二章：边坡稳定性和支护设计理论分析。本章通过对边坡类型的分析，了解边坡破坏的形式。还分析了边坡稳定性的影响因素
15、，介绍边坡变形破坏原理，分析力学性质的计算方法，介绍评价边坡稳定性的常用方法。并对支护理论及相关计算公式进行了介绍。第三章：海州矿边坡支护设计数值模拟。本章介绍了海州矿的工程概况、自然地理条件、工程地质条件。结合海州露天矿南帮边坡的工程实例对岩土物理力学参数确定，并进行三维地质力学数值模拟。根据工程实际情况确定支护方法，对海州露天矿南帮边坡进行支护设计。并用ANSYS软件分析力学参数及对形成的模拟图直观观察分析。第四章：结论。对设计结果进行分析总结，并讨论边坡支护的发展趋势。4、预期结果本文要达到的预期结果是，利用ANSYS建立数学模型及其理论分析，结合海州矿南帮边坡自身的结构特点，运用力学分
16、析的方法，建立了海州矿南帮边坡支护模型。并介绍了边坡支护稳定性的条件，以及影响边坡支护稳定性的因素。三、研究进度第2周第3周：毕业实习,收集资料,撰写实习报告。第3周第4周：撰写开题报告，进行开题答辩。第5周第16周：收集设计所需资料，开始进行毕业设计及毕业论文。第17周：整理设计资料，打印输出，提交设计资料。第18周：准备答辩，论文评阅。第19周：毕业设计答辩。四、主要参考文献1孙玉科,倪会宠,姚宝魁.边坡岩体稳定性分析M.北京:科学出版社,1988.2刘喜云.浅谈抗滑桩及预应力锚索在边坡治理中的综合应用J,中国地质宰害与防治学报,2002年6月第13卷第2期.3卢世宗.我国矿山边坡研究的基
17、本情况和展望C.第四届全国工程地质大会文集.4杨松林,周创兵,易珍莲.岩体稳定分析的广义条分法初步探讨J.岩土工程学报,1999,20.(1).5尉希成.支挡结构设计手册M.北京:人民交通出版社,2004.6夏元友,李梅.边坡稳定性评价方法研究及发展趋势J.岩石力学与工程学报, 2002,(7).7黄求顺,张四平,胡岱文.边坡工程M.重庆:重庆大学出版社,2004.8孙玉科,李建国.岩质边坡稳定性的工程地质研究J.地质科学,1965,(4):330-352.9赵明阶，何光春，王多垠，边坡工程处治技术M.人民交通出版社.2003.10SARMA S K .Stability analysis o
18、f embankments and slope J.Journal of Geotechnical Engineering, 1979, 05:15111524.11刘汉东,贾金禄.岩土工程数值计算方法M.郑州:黄河水利出版社,1998. 12孙广忠.岩体结构力学M.北京:科学出版社,1988.13刘钧.边界元法和有限元法耦合分析在岩土力学中的应用C.第一届全国计算岩土力学岩土研讨会论文集,西南交通大学出版社,1987.14夏元友,李梅.边坡稳定性评价方法研究与发展趋势J.岩石力学与工程学报,2002.15孙玉科,姚宝魁.我国岩质边坡变形破坏的主要地质模式J.岩石力学与工程学报，1983,2（
19、1）：67-76.16唐立强，分段多种支护形式在边坡加固治理中的应用J.中外建筑,2007年00期17李海光,(等).新型支挡结构设计与工程实例M.北京：人民交通出版社，2004.18郑颖人,陈祖煜,王恭先,(等).边坡与滑坡工程治理M.北京:人民交通出版社,2007.19闫莫明,徐祯祥,苏自约.岩土锚固技术手册M.北京:人民交通出版社,2004.20李皎，陈晋，耿宝军.海州露天矿环境地质灾害演化趋势及对策J.辽宁工程技术大学学报，2005,24（4）.21赵明鹏.阜新地区矿山地质灾害及其防治对策J.中国地质灾害与防治学报,2000,11(4):64-68.22赵明鹏,张震斌.阜新矿区矸石山灾
20、害与防治J.辽宁工程技术大学学报,2003,22(5):711-712.23申力,刘晶辉,江智明.抚顺西露天矿边坡工程地质灾害浅析J.地质灾害与环境保护，1999,10（1）.24何峰,王来贵,王振伟.海州露天矿滑坡灾害统计分析及信息库建立地质灾害与环境保护J,2006,17(2)25煤炭科学研究总院抚顺分院.露天矿闭坑前后环境灾害预测与防治技术研究J.社会公益研究专项基金项目,2002:21-24.26夏元友,李梅.边坡稳定性评价方法研究及发展趋势J.岩石力学与工程学报,2002,21(7)27GB50021-2001,岩土工程勘察规范S.中国建筑工业出版社，200128GB50086-2001,锚杆喷射混凝土支护技术规范S.中国建筑工业出版社.29朱晗轧,孙红月,汪会帮等.边坡加固锚索预应力变化规律研究J岩石力学与工程学报，2004,23（16）:2756-276030李宁,张鹏,于冲.边坡预应力锚索加固的数直模拟方法研究J.岩石力学与工程学报，2007,26(2):25426131林登阁,吴剑平.预应力锚索、抗滑桩加固设计与施工J,建井技术,2002,23(5).32王恭先,高边坡设计与加固问题的讨论J.甘肃科学学报,2003,8.33赵明阶,何光春,王多垠.边坡工程处治技术M.北京:人民交通出版社, 2003.五、指导教师签字指导教师签字：7
