近年来,在国内外的露天矿山、水利、铁路工程等方面,层状岩质反倾边坡倾倒变形和滑坡破坏时常发生,对人类工程活动产生严重威胁,因此开展反倾边坡失稳机理及治理措施探究极为必要。本文以内蒙古长山壕矿区反倾边坡大规模倾倒滑坡现象为例,根据边坡工程地质现场调查,从地形地貌特征、地质构造特征、水文地质特征和局部区域岩体质量完整性和岩体质量评价等方面对长山壕矿区的地质特征进行了系统分析。同时对西南采场已有滑坡体的失稳特征和破坏模式进行了总结归纳,并结合以前学者的研究,基于叠合悬臂梁理论和最大拉应力强度理论,利用弯曲—倾倒破坏模式分析了反倾岩层条块的受力情况,建立了反倾岩质边坡倾倒破坏的力学机制,提出了判定岩质边坡失稳的方法。最后针对该矿区典型岩石的物理力学特性进行了探究,为后续开展室内物理模型试验和数值模拟提供准确的地质资料信息。运用实验室研发的“工程灾害单元板结构物理模型实验系统”,以长山壕矿区西南采场滑坡区域某段具有代表性边坡为研究背景,构建地质概化模型开展物理模型实验。根据物理相似模拟理论,结合现场岩体力学参数,确定了模型岩体的几何参数、应变参数等各项参数,通过对采用不同材料配比方案的标准试件进行三轴压缩试验,找出符合模型岩体力学性能的最佳材料配比方案,按照确定的材料配比方案制作物理单元板,并按照设计方案堆叠单元板开展物理模型实验。主要内容如下:实验1:根据内蒙古长山壕矿区岩层分布特征与物理单元板原理,构建75度岩层倾角的反倾边坡物理模型体,边坡模型倾角为36°。为较好模拟真实岩层的成层状态,在模型搭建过程中,采用40cm×40cm×2cm和40cm×20cm×2cm两种规格的石膏单元板交错堆叠。搭建的物理模型体尺寸:长*宽*高=160*40*145 cm,边坡开挖区域位于坡脚。在实验过程中,首先对模型两侧施加P=0.2Mpa的水平荷载,使其逐步密实达到现场初始地应力水平,待其预压10分钟后,保持水平围压0.2Mpa不变,开始对边坡进行逐层开挖。边坡开挖共分为9层,开挖区域总体长度为37cm,深度为40.5cm,边坡每层开挖深度为4.5cm。在实验过程中,运用静态应变数据采集设备、红外热成像仪和数字散斑位移变形场测量设备来捕捉边坡模型的变形破坏信息。通过对边坡模型位移场、应变场和温度场演变特征研究及分析,揭示在开挖作用下层状反倾边坡变形破坏的内在力学机制,分析该边坡岩体随工程发展的变形破坏过程及其机理,并与现场边坡的变形破坏特征进行对比验证。最后以反倾边坡物理模型为模拟对象,根据物理边坡模型的力学参数和边坡开挖路径,运用3DEC软件建立了相应的反倾边坡数值模型,模拟了边坡开挖破坏的过程,与物理模型破坏失稳特征进行了对比,对物理模型实验中得出的反倾边坡倾倒变形破坏机理的准确性进行验证。实验2:以工程尺度恒阻大变形锚索(NPR锚索)超常力学特性研究成果为理论基础,根据相似理论研制出模型尺度NPR锚索。基于反倾边坡倾倒破坏模型实验,并结合现场边坡的变形破坏情况,本次实验在边坡模型两侧分别预埋模型尺度NPR锚索和普通锚索(PR锚索)对模型进行加固。模型尺寸、材料配比、加载设计及开挖路径均与试验1相同。通过静态应变数据采集设备、红外热像仪、拉力传感器和数字散斑位移场测量设备对物理模型进行监测,可得到锚索加固后物理模型在开挖作用下位移场、应变场、温度场和锚索力的演变特征,通过其与已开展的反倾边坡物理模型失稳破坏试验图像及不同锚索加固下边坡两侧变形特征的对比,揭示出NPR锚索对层状反倾边坡变形破坏的控制机理,为NPR锚索应用于层状反倾岩质边坡治理中提供可靠的参考依据。同理,最后利用3DEC软件建立了锚索加固后的边坡数值模型,通过与物理模型实验结果进行对比,深入探究了NPR锚索对反倾边坡倾倒变形的控制作用。基于现场工程地质调查,首先沿西南采场东西向轴线选取13个断面,运用FLAC3D软件对长山壕矿区西南采场的稳定性进行分析,每个断面采用现状境界与最终境界2类工况进行计算。数值计算结果显示:西南采场主要危险区位于北帮中部W8断面附近、西部U型口北帮节理切割带和东部U型口北帮(已滑坡区)。其中W8区域北帮具有整体滑动趋势,最终境界开挖后沿北帮底部的节理化带可能会发生大规模滑坡灾害,且最终境界大部分断面的潜在滑动面深度约10-18 m,滑体长度为30-110 m。结合长山壕矿区反倾边坡倾倒变形破坏特征,从采矿设计、材料设计、能量设计和动荷载设计四个方面总结了边坡破坏机理和加固失效机理;最后选取西南采场典型已破坏截面W13作为数值计算剖面,运用FLAC3D软件探究分别在NPR锚索和普通锚索支护下边坡的变形演变规律。通过对比两者加固后边坡位移情况可知:经过设计值为70KN的普通锚索加固后边坡倾倒破坏现象并未得到明显改善,所设置的整个滑体出现了大范围位移破坏;另一方面,经过恒阻值设计值为70KN的NPR锚索加固后,边坡破坏得到了有效遏制,仅下部坡脚位置出现局部破坏,上部滑块局部小位移后得到了有效的能量释放,从而整体保持了较好的稳定性。因此基于NPR锚索加固理念,根据西南采场现场调查结果及数值计算结论,提出了西南采场各剖面的加固治理方案,以保证长壕山矿山的正常开采。随着长山壕矿区开采深度和规模逐年增加,在风化、降雨和开采扰动力的作用下,除了引发倾倒滑坡之外,也会伴随一系列滚石次生灾害的发生。因此结合各断面边坡稳定性分析结果,辨识出各剖面边坡滚石易发区域,并根据不同边坡上滚石的分布特征采取相应的防治措施。最后以W6和W8边坡为例,利用Rocfall软件探究了采用碎石垫层和防护网耦合措施对滚石的治理效果,通过数值计算证明了针对该采场提出的滚石防治措施的合理性和有效性。