我国东南沿海的福建、广东等都是多山的省份,随着建设开发在这些省份的兴起,众多边坡将应运而生。如京—福高速公路福建段仅200多公里内就有180多处高于40米的边坡。在矿产开发方面,露天采场、尾矿坝等都会形成众多的高边坡,如紫金山露天矿的东帮边坡原设计坡高将达880米。大量的工程建设、矿山开采形成的高边坡也带来了边坡稳定性问题。边坡的开挖不当将导致边坡的变形破坏,进而延误工期,影响施工安全,并且耗费大量的治理费用。特别是在大型露天采矿工程中,由于露天矿的采矿深度越来越深,如果对矿山边坡稳定性认识不足或处理不当将会造成巨大的经济损失和重大人员伤亡。因此研究边坡稳定性问题具有十分重要的意义。我国要建立一个环境友好型、资源节约型社会,在工程中就得落实优化设计。优化设计就是在保证边坡稳定性的前提下,尽可能地节约成本。在矿山边坡中,由于边坡规模巨大,优化设计要考虑到利用边坡岩体的自稳能力,采场高边坡坡角的大小成为边坡优化设计的主要对象,对矿山的安全生产和经济效益有着直接的关系。可见对露天采场高边坡坡角的优化进行研究,具有十分重要的经济价值和工程实践意义。因此,本论文以紫金山露天采场边坡工程为例,研究该边坡的稳定性及其坡角优化。本论文从边坡工程地质条件着手,通过对结构面的特征进行分析以及优势结构面进行分组来研究边坡的岩体结构,进而确定边坡变形破坏模式及其影响因素。根据室内岩块试验的结果,结合Hoek-Brown强度准则确定岩体强度参数。然后采用极限平衡法中的Sarma法定量计算边坡的整体稳定性和局部稳定性,再利用有限差分数值模拟方法通过分析边坡的变形、应力、应变,进一步验证边坡整体与局部的稳定性。在此基础上,建立优化模型,并且引入线性规划理论计算确定了最优坡角组合,以指导施工和设计工作。文章的主要内容如下：(一)首先从地形地貌、岩性、水文地质和物理地质现象角度对紫金山采场边坡进行工程地质条件分析。在定性分析中侧重对岩体结构特性进行分析研究。通过对紫金山采场边坡工程地质现场调查,了解紫金山露天采场边坡结构面的分布特征、规模,并对节理进行优势分组研究,进而对岩体结构进行分类,然后采用赤平投影法研究岩体结构组合规律、稳定性和边坡变形特征。然后,根据岩性和岩体结构特征,进行边坡岩体的岩组划分,为后续的稳定性计算奠定基础。(二)在此基础上,对采场不同类型岩石做室内岩块物理力学试验,根据Hoek-Brown经验强度准则,取得比较可靠的岩体强度参数,选取有代表性的强度参数用于边坡稳定性分析。(三)通过边坡稳定性的定性分析得出采场边坡的破坏模式总体上分为两大类,即局部(浅层)破坏模式和整体(深层)破坏模式。局部破坏模式按潜在滑动面的形状又可细分为沿碎裂结构岩体中最不利滑动面滑移的圆弧破坏模式和Ⅲ级结构面组合切割岩体形成的楔形破坏模式。整体破坏模式主要为沿结构面的折线破坏模式。(四)在以上定性分析的基础上,选取符合边坡工程实际情况的计算参数,并选择边坡工程代表性计算剖面,采用极限平衡法中的Sarma法,在天然、暴雨、地震、暴雨加地震4种工况下定量计算采场边坡的整体稳定性系数和局部稳定性系数并综合分析稳定性计算结果,评价露天采场边坡的稳定性。在整体稳定性方面,考虑了结构面对稳定性的影响,以Ⅲ级结构面划分条块。局部稳定性计算中采用自动搜索最危险滑动面的方法,搜索出碎裂结构岩体中的最不利滑动面,并以此作为局部稳定性分析的滑动面。(五)按边坡岩组的划分建立准三维计算模型,在Mohr-Coulomb本构模型上,采用有限差分法,应用FLAC3D程序,模拟了该边坡在天然工况下的局部稳定性及其变形特征,以及考虑了优势节理J3、J5后的整体稳定性及其变形特征。然后将有限差分模拟与Sarma法计算结果对比,表明两种方法所得结果基本吻合,从而获得了边坡变形机制的深入了解,验证了边坡破坏模式。(六)从安全和经济角度对紫金山露天采场边坡进行坡角的优化设计,以边坡整体稳定性和局部稳定性为约束条件,构建起边坡坡角与最小工程费用的目标函数关系,并且引入线性规划理论,确定了紫金山露天采场边坡的最优坡角组合。将优化前后结果对比,研究表明原设计方案经过坡角的优化计算后,在满足的边坡的稳定性要求的前提下,通过提高下部块状结构岩体边坡的坡角,并放缓上部碎裂、散体结构岩体边坡的坡角,总坡角保持不变的调整方案,达到了节约开挖工程费用的目的。综上所述,本论文特色在于：(1)针对紫金山采场边坡岩性主要为花岗岩,属于岩质边坡,在定性分析方面,重点放在岩体结构分析上,对节理进行统计、优势分组,对结构面进行赤平投影分析,提出了该边坡可能的几种破坏模式；(2)在定量分析上,分别运用Sarma法与有限差分法,既分析边坡的整体稳定性又分析边坡的局部稳定性；(3)结合紫金山露天采场边坡岩体结构的特点,以标高604米为界,将其分为上下两个部分,构建了以边坡整体稳定性和局部稳定性为约束条件,以最小开挖工程费用为目标函数的最优化模型,并且引入应用成熟的最优化理论—线性规划,求解出最优的上下坡角组合,节约了工程费用。