露天礦邊坡形變影響因素研究

王文軍+李靜濤

摘 要：本文深入研究了影響礦區(qū)邊坡形變的內(nèi)部因素和誘發(fā)因素，并以平朔安家?guī)X露天礦北幫邊坡為例，結(jié)合地層巖性、邊坡坡度、坡向、地表切割度、地形起伏度以及氣象因素等，進(jìn)行了形變影響因素格網(wǎng)化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從研究區(qū)域形變各主控因素之間的關(guān)系和聯(lián)系、數(shù)據(jù)特點(diǎn)以及可視化角度對(duì)邊坡形變因素進(jìn)行了研究及總結(jié)。

關(guān)鍵詞：礦山邊坡形變監(jiān)測(cè)；地基干涉雷達(dá)；影響因素

中圖分類號(hào)：TD824 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

礦區(qū)邊坡形變影響因素研究一直是廣大研究學(xué)者著重研究的重要熱點(diǎn)課題。本文通過對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)來分析致災(zāi)可能，主要的判斷依據(jù)包括主控因素（地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌、地表覆蓋等），同時(shí)也要結(jié)合一些誘發(fā)因素（降雨、人類工程活動(dòng)），深入研究各影響因素的特征和特點(diǎn)，為地面災(zāi)害的預(yù)防預(yù)測(cè)提供新的思路和方法。

1 邊坡形變影響因素分析

在對(duì)內(nèi)部因素規(guī)律的研究中，巖層巖性決定了巖石的軟硬程度及成因，從整體邊坡的構(gòu)成上決定了邊坡的穩(wěn)定性。地形地貌因素作為最基本的自然地理要素，也一直受到研究者的重視。依據(jù)反映地表信息的空間結(jié)構(gòu)層面，可將主要的地形因素劃分為微觀因子和宏觀因子。微觀因子包括坡度和坡向等，它們所描述的是地面具體點(diǎn)位的地形信息特征；宏觀因子包括地形起伏度和地表切割深度等，它們所描述的是一定區(qū)域的地形特征。選取分析的影響因素主要包括地質(zhì)影響因素和地形地貌影響因素。其中，地質(zhì)影響因素選取了地層巖性分布信息；地形地貌因素主要包括：坡度、坡向、地形起伏度以及地表切割度等因素。降雨量、人類工程活動(dòng)等誘發(fā)因素是邊坡發(fā)生形變乃至發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的誘因，也是短期發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的主要影響因素。

2 內(nèi)部因素分析

2.1 地層巖性

根據(jù)該研究礦區(qū)提供的地層綜合柱狀圖等地質(zhì)資料，獲取安家?guī)X北端幫地層巖性、累深以及地層屬性等信息，結(jié)合研究礦區(qū)地層綜合柱狀圖、地基雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及相關(guān)地質(zhì)資料，確定了安家?guī)X露天礦區(qū)北端幫巖體的累深、高程以及對(duì)應(yīng)的巖性類別，見表1。安家?guī)X北幫邊坡按照格網(wǎng)劃分的研究區(qū)域巖性分布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如圖1所示。

2.2 地形因素

2.2.1 坡度

地形地貌是影響斜坡穩(wěn)定性主控因素之一，其中坡度是描述地形地貌的一個(gè)重要參數(shù)?；屡c坡度間存在密不可分的聯(lián)系，坡度是滑坡，尤其是淺層堆積物滑坡發(fā)生的一個(gè)重要內(nèi)在條件。從目前研究情況來看，對(duì)滑坡與坡度間關(guān)系認(rèn)識(shí)得不是很明確，普遍認(rèn)為隨著坡度的增加，越容易發(fā)生滑坡，但事實(shí)情況并非如此，大量的統(tǒng)計(jì)已表明易發(fā)生滑坡的坡度約在20°～50°。根據(jù)安家?guī)X礦北幫DEM數(shù)據(jù)，分析獲取該研究區(qū)域邊坡的最大坡度為62.2742°。按照格網(wǎng)對(duì)研究區(qū)域的坡度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析研究，將獲取的坡度數(shù)據(jù)分為4級(jí)，按照格網(wǎng)劃分的研究區(qū)域坡度數(shù)據(jù)如圖2所示。

2.2.2 坡向

坡向定義為坡面法線在水平面上的投影的方向，坡向?qū)τ谶吰律鷳B(tài)有著較大的作用。邊坡的方位對(duì)日照時(shí)數(shù)和太陽輻射強(qiáng)度有影響。利用ArcGIS把坡向分為9種坡向，劃分的詳細(xì)范圍見表2。按照格網(wǎng)劃分的研究區(qū)域坡向數(shù)據(jù)如圖3所示。

2.3 地表切割度

地表切割度是指地面某點(diǎn)的領(lǐng)域范圍的平均高程與該領(lǐng)域范圍內(nèi)的最小高程的差值?？捎靡韵鹿奖硎荆?/p>

D=Hmean-Hmin （1）

式（1）中，D是指地面每一點(diǎn)的地表切割度，Hmean指一個(gè)固定分析窗口內(nèi)的平均高程，Hmin指一個(gè)固定分析窗口內(nèi)的最低高程。地表切割度是反映地表受外力作用或其他影響，使地面形態(tài)發(fā)生的垂直變化，如溝壑、坑穴、陡崖、滑坡等微地貌形態(tài)，該指標(biāo)反映了地表受外界影響發(fā)生變化后的破碎程度，破碎程度對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有一定的影響。圖4為安家?guī)X露天礦北幫邊坡按照格網(wǎng)劃分的研究區(qū)域地表切割度數(shù)據(jù)。

2.4 地形起伏度

地形起伏度是指在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)，最高點(diǎn)海拔高度與最低點(diǎn)海拔高度的差值，其數(shù)值對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有一定的影響。按照實(shí)際礦山情況，把北幫邊坡地形起伏度劃分為<3.0，3.0-6.0，6.0-9.0，9.0-12.0，12.0-14.9。最終獲取了按照格網(wǎng)劃分的研究區(qū)域地形起伏度數(shù)據(jù)，如圖5所示，從圖中可以看出，礦山邊坡實(shí)際環(huán)境中易于發(fā)生滑坡等地面災(zāi)害的邊坡坡體區(qū)域的地形起伏度明顯高于露天礦坑和平盤區(qū)域。

2.5 地形高程

高程因素也是影響滑坡災(zāi)害發(fā)生的一個(gè)重要因素。隨著邊坡高程的增加，坡體應(yīng)力值會(huì)隨之增加；隨著邊坡高程的增加，不同高程范圍溫度不同，導(dǎo)致植被覆蓋不同，人類開采活動(dòng)種類和強(qiáng)度也不同；隨著邊坡高程的增加，滑坡發(fā)生崩塌滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的勢(shì)能也不同。因此，本文也將高程作為一個(gè)影響邊坡穩(wěn)定性的因素，并對(duì)研究區(qū)域的高程信息按照數(shù)據(jù)格網(wǎng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并按照格網(wǎng)劃分的研究區(qū)域高程數(shù)據(jù)，如圖6所示。

3 誘發(fā)因素分析

誘發(fā)條件是在基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的誘發(fā)因素，主要包括使邊坡應(yīng)力條件改變和導(dǎo)致巖土強(qiáng)度改變的因素，主要包括降雨、侵蝕、風(fēng)化、地下水水位變動(dòng)、地震、水庫水位漲落、人類工程活動(dòng)、土地利用變化等自然和人為的相對(duì)動(dòng)態(tài)變化因素，其中有些屬于突發(fā)性因素，有些屬于緩變性因素。根據(jù)誘發(fā)條件的動(dòng)力源差異將誘發(fā)條件劃分為4個(gè)類別：氣象、水的作用、人類工程活動(dòng)和地質(zhì)災(zāi)害，其中，降雨和人類工程活動(dòng)是相對(duì)普遍的誘發(fā)因素。

3.1 降雨因素

露天礦礦區(qū)邊坡地面災(zāi)害大量發(fā)生在雨后、雨季和解凍時(shí)期，水是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。安家?guī)X露天礦屬典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬春干旱少雨、寒冷、多風(fēng)，夏秋降水集中、溫涼少風(fēng)。區(qū)內(nèi)年平均降雨量為428.2mm～449.0mm，最高年降水757.4mm，最低年降水195.6mm，降水集中分布在7、8、9三個(gè)月，占全年總降水量的75%。這種降雨的集中性對(duì)邊坡穩(wěn)定卻是很不利的。

在氣象因素中，降雨影響因素能夠顯著的影響礦山邊坡形變程度。從降雨造成的地表徑流角度考慮，一方面，地表徑流是沖刷礦山邊坡的主要外力因素。地表雨水沖刷侵蝕著邊坡坡面和坡腳，并且形成地表徑流。另一方面，雨水滲透將會(huì)增加孔隙水壓力，使得土壤的黏結(jié)力和阻尼力降低。因此，降雨能夠?qū)е碌V山邊坡滑坡的發(fā)生。圖7為降雨對(duì)邊坡滑坡影響機(jī)理。

3.2 人類工程活動(dòng)因素

如礦山工程切割邊坡下部強(qiáng)度低的沿層面、弱層，邊坡下部超挖，邊坡內(nèi)有地下開采活動(dòng)等都會(huì)影響邊坡的穩(wěn)定性。當(dāng)邊坡下部有地下開采活動(dòng)時(shí)，會(huì)破壞邊坡巖體的完整性，引起邊坡的沉陷、冒落、滑動(dòng)等，其影像程度應(yīng)綜合地下開采的位置、規(guī)模、開采時(shí)間、邊坡地質(zhì)條件等進(jìn)行具體分析。

結(jié)語

由于露天礦邊坡高、巖體多變、地質(zhì)構(gòu)造及水文條件復(fù)雜、服務(wù)年限不同、礦山工程活動(dòng)多樣，因而其穩(wěn)定性影響因素非常復(fù)雜。礦區(qū)邊坡形變影響因素的研究，使我們更加了解影響邊坡發(fā)生形變的各種內(nèi)部和外部因素，掌握邊坡的穩(wěn)定性，依據(jù)邊坡穩(wěn)定性以及邊坡影響因素，對(duì)露天礦邊坡進(jìn)行滑坡危險(xiǎn)性等級(jí)劃分，能夠降低災(zāi)害發(fā)生概率以及災(zāi)害的破壞程度，防止災(zāi)害性滑坡發(fā)生，為露天礦安全生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

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