在河流冲击地区开挖露天矿是一个世界性难题,如何预防地下水的渗入成了影响露天矿边坡稳定性和矿山安全生产的关键问题。国内外许多类似矿山在该领域展开了大量的探索工作,但鲜有成功的先例,富水露天矿山面临着“水患难止、边坡难固、有矿难采”的窘境。针对如何在地下水丰富地区开挖露天矿这一难题,本文以河北省迁安市腾龙露天矿边坡的止水固坡工程为背景,对邻近河流的矿山边坡稳定性评价方法、有限土体土压力和地下连续墙稳定性解析解等内容进行研究。在此基础上提出地下连续墙止水固坡技术方案,对地下连续墙施工参数和工艺进行优化设计,并对地下连续墙在冬季冻胀作用下的受力特性、损伤机理及冻融疲劳寿命等内容进行了深入研究。课题成果成功解决了腾龙露天矿止水固坡工程的技术难题,地下连续墙止水固坡方案可避免抽排水造成的地下水环境破坏、水资源浪费等问题,符合“绿色、安全、可持续发展”要求,可为类似矿山边坡的防渗工程提供有益参考,对提高我国乃至世界矿石产量具有积极意义。主要的研究工作和研究成果如下:(1)露天矿边坡稳定性双安全系数评价方法研究。从岩土体材料软化特性出发,根据岩土体强度参数从峰值强度到残余强度的变化规律,建立了岩土体非等比折减系数间的数学关系式;结合强度理论和边坡潜滑面上岩土单元体的应力状态,以折减前后单元体的抗剪强度之比定义安全系数,计算边坡任一点安全系数和综合安全系数,实现同时从局部和整体评价边坡稳定性;最终以单元体最大剪应变率为特征量,引入高斯平滑滤波技术,建立一种新的边坡滑面纵横双向路径搜索法,并分析了折减方式、岩土体强度参数及坡形参数等因素对边坡滑面的影响规律。(2)考虑露天矿边坡平台宽度的有限土体土压力研究。根据极限平衡理论和平面滑动假设条件,考虑墙体平台有限土体尺寸参数、强度参数和墙土间摩擦角等因素,构建了不同形状有限土体土压力的计算模型,分别建立了有限土体主动和被动土压力计算公式;然后分析了有限土体土压力公式的适用范围,并详细研究了各种因素对有限土体破裂面倾角、土压力合力和土压力损失量的影响规律。(3)考虑有限土体效应的复杂工况下地下连续墙稳定性研究。重新构建了地震工况下有限土体被动土压力公式,在此基础上,建立了考虑地震(爆破震动)、地下水和冻胀作用等因素的地下连续墙体稳定性计算模型,分别推导了地下连续墙抗滑移安全系数、抗倾倒安全系数和抗“踢脚”安全系数解析解,并分析了不同因素对地下连续墙稳定性的影响规律,为地下连续墙等支挡结构的设计提供理论基础。(4)富水砂砾石地层露天矿止水固坡技术研究。为解决富水砂砾石地层露天矿止水固坡技术难题,针对边坡高水压-低强度的复杂条件,引入大型地下连续墙技术;根据墙体不同被动土压力水平,开发了两种地下连续墙止水固坡结构:单一地下连续墙结构和锚拉式地下连续墙结构;以单一地下连续墙结构为例,建立正交试验对地下连续墙施工参数进行优化设计;针对砾卵石地层厚度大,易塌槽难题,提出采用抓斗与冲击钻相结合的“三钻两抓”、“旋喷改性成槽”等工艺技术,克服了地下连续墙成槽难题。成功解决了富水砂砾石地层中开挖露天矿边坡的重大技术难题,地下连续墙止水固坡方案可避免抽排水造成的地下水环境破坏、水资源浪费等问题,符合“绿色、安全、可持续发展”要求,可为类似矿山边坡的防渗工程提供有益参考。(5)越冬期地下连续墙受力变形特性与冻胀损伤机理研究。考虑岩土体热力学参数随温度变化特性,建立了地下连续墙水-力-热三场耦合模型,分析了矿山不同开挖阶段,无冻胀、单向冻胀和双向冻胀工况下边坡和地下连续墙的变形和受力特性;研究了冻胀温度和冻胀时间对地下连续墙受力、变形和损伤机理的影响规律;在此基础上结合混凝土 S-N曲线,对地下连续墙不同部位处混凝土的抗压、抗拉和抗拉-压疲劳寿命进行了研究。