某露天礦高陡邊坡結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

杜俊，侯克鵬，肖慧

（昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093）

1 引言

巖體在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史發(fā)展中經(jīng)歷了多次的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與淺表生的改造作用，其內(nèi)部廣泛分布著規(guī)模不等、產(chǎn)狀不同、性質(zhì)各異的各類(lèi)不連續(xù)結(jié)構(gòu)面。邊坡巖體中廣泛分布的結(jié)構(gòu)面是邊坡失穩(wěn)的主控因素，而結(jié)構(gòu)面的規(guī)模及其空間分布特征是開(kāi)展邊坡穩(wěn)定性分析的前提和基礎(chǔ)［1－4]。

某礦山為山坡露天開(kāi)采，為了解決過(guò)往 “一面坡”開(kāi)采形式所造成的采場(chǎng)邊坡安全隱患，經(jīng)分析論證對(duì)采場(chǎng)2 070 m標(biāo)高以上實(shí)行削坡減載，即2 070 m至坡頂2 213 m卸載為5個(gè)臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階段高30 m，平臺(tái)寬度8～12 m，臺(tái)階坡面角46°。在上部分臺(tái)階卸載與植被恢復(fù)治理后，采場(chǎng)邊坡還將自2 070 m水平向下開(kāi)采至設(shè)計(jì)采深1 840 m水平，最終邊坡高度將達(dá)到373 m。隨著采場(chǎng)逐漸下延，邊坡日漸增高，加之邊坡巖體受結(jié)構(gòu)面切割的影響，高陡邊坡失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)加大。因此，對(duì)該高陡邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)價(jià)與研究有助于工程管理人員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)與施工。

2 邊坡結(jié)構(gòu)面調(diào)查與優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面確定

2.1 工程地質(zhì)概況

采場(chǎng)邊坡位于東西走向構(gòu)造帶香條村背斜北翼東段，地層向北傾斜，呈單斜形態(tài)，區(qū)域構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，坡面產(chǎn)狀351°∠46°；區(qū)內(nèi)巖石為湖相沉積巖，從北向南主要巖層為灰黑色中厚層粉砂質(zhì)泥巖、礦體、薄層狀砂質(zhì)白云巖和細(xì)粉晶白云巖。礦區(qū)處于滇池西側(cè)低中山地帶，地形高差大，水位埋藏較深，侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高1 883.15 m，區(qū)內(nèi)地形利于自然排水，且地下水主要由大氣降水補(bǔ)給。礦山現(xiàn)狀開(kāi)采邊坡剖面圖見(jiàn)圖1所示。

2.2 結(jié)構(gòu)面測(cè)量方法

巖體中結(jié)構(gòu)面的發(fā)育具有一定的規(guī)律性和方向性，且結(jié)構(gòu)面的規(guī)模對(duì)工程巖體性質(zhì)的影響程度不同，因此全面地把握與了解巖體結(jié)構(gòu)面的空間分布特征是開(kāi)展邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的前提。本研究中依據(jù)邊坡巖體的具體條件、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量困難程度及野外工作量大小等情況，采用測(cè)線(xiàn)法對(duì)結(jié)構(gòu)面幾何特征進(jìn)行量測(cè)，見(jiàn)圖2。量測(cè)時(shí)首先在節(jié)理露頭面上人為確定一條水平線(xiàn)，作為測(cè)線(xiàn)，量測(cè)與測(cè)線(xiàn)相交的節(jié)理傾向、傾角、間距、跡長(zhǎng)等，并對(duì)結(jié)構(gòu)面起伏度、張開(kāi)度、粗糙度和充填物進(jìn)行觀(guān)測(cè)［5]。測(cè)線(xiàn)布置示意圖中1、2 A（B）、3 A（B）、4A（B）與5分別表示測(cè)帶內(nèi)的結(jié)構(gòu)面與測(cè)線(xiàn)交切關(guān)系的類(lèi)型；I表示結(jié)構(gòu)面端部至測(cè)線(xiàn)的距離。

2.3 優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的確定

圖1 開(kāi)采現(xiàn)狀邊坡剖面圖Fig.1 Profile of the currentslope

圖2 測(cè)線(xiàn)布置示意圖Fig.2 Surveying lines

粉砂質(zhì)泥巖與礦體先后被剝離和回采，細(xì)粉晶白云巖無(wú)出露，作為礦體直接底板的砂質(zhì)白云巖成為邊坡的唯一露頭。因此，結(jié)構(gòu)面的調(diào)查統(tǒng)計(jì)主要在砂質(zhì)白云巖地層中進(jìn)行，調(diào)查的樣本區(qū)域涵蓋了自2 190 m水平自2 040 m水平的45個(gè)測(cè)點(diǎn)，累計(jì)調(diào)查218.14 m，共計(jì)970條節(jié)理。結(jié)構(gòu)面類(lèi)型以V類(lèi)為主，大部分結(jié)構(gòu)面為平直型，偶有結(jié)構(gòu)面間夾雜鈣質(zhì)、泥質(zhì)充填物，且結(jié)構(gòu)面較為干燥。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)采用Rocscience Dips V5.103進(jìn)行優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面分組，分別繪制2 190～2 070 m和2 070～2 040 m兩個(gè)高程段內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)等密度圖，見(jiàn)圖3和圖4。

從圖3與圖4中可知，2 190～2 070 m水平區(qū)域調(diào)查節(jié)理375條，節(jié)理最大極密度為14.36%，結(jié)構(gòu)面傾向在358°～3°，傾角分布在45°～50°之間；2 070～2 040 m水平區(qū)域共計(jì)調(diào)查節(jié)理595條，節(jié)理最大極密度為58.90%，結(jié)構(gòu)面傾向在358°～8°，傾角分布在45°～51°之間。上述結(jié)構(gòu)面調(diào)查結(jié)果表征出，大部分節(jié)理的產(chǎn)狀與邊坡產(chǎn)狀近似，邊坡巖體的順層結(jié)構(gòu)特征顯著。邊坡巖體優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面分組見(jiàn)表1。

圖3 2 190～2 070 m砂質(zhì)白云巖節(jié)理等密度圖Fig.3 Jointsiso－density of sandy dolomite between 2 190 m and 2 070 m

表1 邊坡巖體優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面分組Table 1 Divisions of dominant structural planes

圖4 2 070～2 040 m砂質(zhì)白云巖節(jié)理等密度圖Fig.4 Jointsiso－density of sandy dolomite between 2 070 m and 2 040 m

3 優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面幾何特征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)與分析

大量的研究已表明，結(jié)構(gòu)面的幾何特征參數(shù)具有隨機(jī)分布的特點(diǎn)，且圍繞某一中心服從一定的概率分布形式［4]。因此，在有限空間內(nèi)對(duì)具有統(tǒng)計(jì)意義的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行概率分布統(tǒng)計(jì)分析，能夠幫助我們深刻認(rèn)識(shí)邊坡巖體中優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的分布特征和規(guī)律，對(duì)于分析邊坡穩(wěn)定性具有一定的指導(dǎo)意義。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的結(jié)構(gòu)面樣本數(shù)據(jù)和優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面劃分結(jié)果，對(duì)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面總體幾何特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分布分析時(shí)，首先對(duì)分組后的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理［6]。設(shè)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為α∠β，將2 070～2 190 m高程段內(nèi)第I組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面傾向?yàn)?°～10°范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀轉(zhuǎn)換為（α＋360°）∠β；2 070～2 190 m 高程段內(nèi)第II組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面陡傾，多數(shù)傾向偏南，少部分傾向偏北，在作直方圖統(tǒng)計(jì)過(guò)程中要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把傾向轉(zhuǎn)換為與優(yōu)勢(shì)傾向一致的方向，在這里把傾向偏北的結(jié)構(gòu)面轉(zhuǎn)換成偏南，轉(zhuǎn)換后的產(chǎn)狀為（α－180°）∠（180°－β）。例如，把產(chǎn)狀282°∠86°轉(zhuǎn)換成102°∠94°，傾角大于90°的含義是指其真實(shí)傾向與所列傾向（102°）相反（282°），其真實(shí)傾角為所列傾角（94°）的補(bǔ)角（86°）。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用軟件SPSS19.0版本，分別對(duì)分組處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻數(shù)直方圖的繪制（圖5）與均值、標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算（表2）。由于篇幅所限，文中僅給出第二組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面傾向、傾角、間距的統(tǒng)計(jì)分析圖件，其他兩組與此類(lèi)似。

分別對(duì)3組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的幾何特征參數(shù)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)構(gòu)面傾向服從正態(tài)分布，傾角服從正態(tài)（對(duì)數(shù)正態(tài)）分布，間距則服從負(fù)指數(shù)分布。優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面幾何特征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析是開(kāi)展結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬及確定巖體綜合抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)鍵，文獻(xiàn)［3]、［4]、［6]均是關(guān)于這方面研究的最新成果。

圖5 砂質(zhì)白云巖第II組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.5 Geometric parameter statistics for the 2－ed group of dominant structural planes

對(duì)高陡邊坡優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面分組統(tǒng)計(jì)分析可知，第一組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與邊坡坡面產(chǎn)狀近似，且這組結(jié)構(gòu)面的間距平均值小于其他兩組。由此可見(jiàn)，平行坡面的結(jié)構(gòu)面將砂質(zhì)白云巖分割成薄層狀巖體，巖體在爆破擾動(dòng)、地表水入滲及風(fēng)化作用過(guò)程中極易沿巖層層面發(fā)生脫離。第二組與第三組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面傾向坡內(nèi)，并將薄層狀巖體沿傾向方向分割為塊狀，受礦體回采擾動(dòng)，塊狀巖體自穩(wěn)能力降低，失穩(wěn)滑落的風(fēng)險(xiǎn)增大，對(duì)采場(chǎng)的安全生產(chǎn)構(gòu)成隱患。

表2 邊坡優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Geometric parameter statistics of the dominant structural planes

4 邊坡穩(wěn)定的赤平極射分析

在巖質(zhì)邊坡中，巖體的失穩(wěn)與破壞主要受巖體中結(jié)構(gòu)面的控制，結(jié)構(gòu)面相互之間的空間分布位置、組合關(guān)系和結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)性質(zhì)等，都對(duì)邊坡的穩(wěn)定性起著重要的作用。赤平極射投影法正是基于這些因素來(lái)對(duì)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析的一種圖解方法，該方法可以進(jìn)行巖質(zhì)邊坡破壞體形態(tài)、失穩(wěn)滑動(dòng)方向和穩(wěn)定程度的分析評(píng)價(jià)［7－9]。

依據(jù)前述現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)面實(shí)測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，將高陡邊坡的3組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面與其坡面產(chǎn)狀列舉在表3中。采用赤平極射投影圖關(guān)系，做出優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面赤平極射投影圖，見(jiàn)圖6。

表3 邊坡產(chǎn)狀與優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀Table 3 Occurrences of the slope and its dominant structural planes

從圖6中分析可知，優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面I與采場(chǎng)開(kāi)挖邊坡面產(chǎn)狀近似，且該組結(jié)構(gòu)面為邊坡巖層的層面，結(jié)構(gòu)面傾角47°與邊坡坡角基本相等；優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面II與邊坡坡面近似正交且陡傾于坡內(nèi)；優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面III與邊坡坡面近似正交且緩傾于坡內(nèi)。就單組結(jié)構(gòu)面分析而言，其與邊坡坡面的產(chǎn)狀關(guān)系表征出基本穩(wěn)定或穩(wěn)定狀態(tài)，然而實(shí)際中往往結(jié)構(gòu)面的組合作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成很大的影響。對(duì)該邊坡體內(nèi)主要發(fā)育的3組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面而言，不利的結(jié)構(gòu)面組合為L(zhǎng)1與L2、L1與L3，這兩組結(jié)構(gòu)面的交線(xiàn)（L1－2、L1－3）均傾向坡外，傾角小于坡角，易形成對(duì)邊坡穩(wěn)定不利的塊體?，F(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)面實(shí)測(cè)調(diào)查中也在不同地段的露頭面上找出了由這兩組結(jié)構(gòu)面相互切割而成的塊狀巖體，見(jiàn)圖7。由組合結(jié)構(gòu)面交切作用而形成的塊狀巖體在自重應(yīng)力、風(fēng)化、雨水滲透等作用下，部分巖體將沿著層面進(jìn)行滑動(dòng)，加之邊坡巖體中軟弱夾層的出露，更是加劇了這一滑動(dòng)破壞趨勢(shì)。

圖6 優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面赤平投影圖Fig.6 Stereographic projection of dominant structural planes

圖7 砂質(zhì)白云巖優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面空間分布Fig.7 Spatial distribution of dominant structural planes in sandy dolo mite

5 結(jié)論

邊坡巖體中大量且隨機(jī)分布的結(jié)構(gòu)面及其組合是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。通過(guò)對(duì)某露天礦山高陡邊坡直接底板砂質(zhì)白云巖結(jié)構(gòu)面實(shí)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析可知：

（1）該礦山高陡邊坡為一單斜順層巖質(zhì)邊坡，巖體中發(fā)育有3組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，且各組結(jié)構(gòu)面傾向服從正態(tài)分布、傾角服從（對(duì)數(shù)）正態(tài)分布、間距服從負(fù)指數(shù)分布形式。

（2）優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面Ⅰ與坡面產(chǎn)狀近似一致，優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面Ⅱ、Ⅲ與坡面近似正交且分別陡傾和緩傾于坡內(nèi)。

（3）結(jié)構(gòu)面Ⅰ和結(jié)構(gòu)面Ⅱ、Ⅲ構(gòu)成了邊坡不利的結(jié)構(gòu)面組合，其中交線(xiàn)L1－2和L1－3均傾向坡外，傾角小于坡角，易形成對(duì)邊坡穩(wěn)定不利的塊體，在后續(xù)礦體開(kāi)采作業(yè)中應(yīng)重視這類(lèi)不利的結(jié)構(gòu)面組合誘發(fā)的邊坡失穩(wěn)。

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