石佳礦山高邊坡崩塌特征與失穩(wěn)模式分析

羅 越，劉江偉，明偉庭

（成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059）

露天礦邊坡是我國主要人工邊坡工程之一，相比于一般工程邊坡，露天礦邊坡更為高陡且坡面受節(jié)理裂隙控制，巖體破碎，地質災害頻發(fā)，崩塌作為最常見的礦山地質災害破壞形式，具有突發(fā)性、急劇性、快速性等特點，一旦發(fā)生損失巨大[1?6]。目前眾多學者針對礦山邊坡災害進行了研究[7?8]，并取得了顯著成果。洪儒寶等[9]認為露天礦邊坡失穩(wěn)模式有危巖崩塌、平面滑動、楔形體破壞、傾倒破壞和圓弧滑動破壞等。代永新等[10]在梳理國內外文獻基礎上分析了露天礦超高邊坡災變影響因素和防控關機技術，并指出未來面臨的挑戰(zhàn)；Anabestani 等[11]通過多準則決策方法研究了如何確定露天礦邊坡危巖體。Rose 等[12]通過建立裂隙位移與時間關系曲線預測了露天礦邊坡的破壞情況。徐博等[13]認為山西磺廠溝煤礦崩塌成因是采煤擾動和差異風化共同作用結果，并提出治理方案。針對邊坡危巖崩塌災害，Rocfall 能較好地模擬崩落軌跡、狀態(tài)并預測落點位置，確定大致危險區(qū)范圍。唐紅梅等[14]運用Rocfall 對重慶市萬州區(qū)天生城危巖崩落進行模擬，確定落石對坡腳公路和學校的影響概率為100%，其結果為三峽庫區(qū)危巖落石的防治提供了重要依據(jù)；鐘傳欣[15]基于Rocfall 模擬了坡高與坡角相同條件下5 類坡型（直線型、凹弧形、階梯型、直線–平臺型、實地型）的落石運動特征；韓超明等[16]對6 級常用坡率巖質邊坡落石運動軌跡進行了Rocfall 模擬。

河津市礦產(chǎn)資源豐富，北部沿山一帶分布有大量石灰?guī)r礦山，由于長期不科學開采遺留大量邊坡，坡面高陡，巖體結構破碎，在降雨、荷載、爆破振動以及開挖卸荷下災害頻發(fā)，準確把握區(qū)內崩塌落石發(fā)育規(guī)律以及失穩(wěn)類型具有現(xiàn)實意義。鑒于此，本文通過對河津市石佳礦區(qū)內遺留礦山邊坡現(xiàn)場進行調查，對區(qū)內邊坡結構、危巖體特征及結構面特性等進行分析，總結崩塌發(fā)育特征及失穩(wěn)模式，采用Rocfall 模擬典型危巖體崩塌運動過程，獲取運動路徑、彈跳高度、平移速度以及動能，大致確定危害程度。本研究可為礦山地質災害識別及防治提供一定指導。

1 礦山基本概況

1.1 區(qū)域地質條件

石佳礦山位于河津市北東方向，地理坐標：110°48′48″E，35°42′24″N。礦區(qū)地勢整體北高南低，屬中低山地貌，地形切割較深，相對高差200～300 m。區(qū)內溝谷發(fā)育，呈“V”字形。溝谷多為干溝，無常年流水，水源以大氣降水為主，人類工程活動強烈。礦區(qū)出露有寒武系下統(tǒng)毛莊組（∈2mz）、中統(tǒng)徐莊組(∈2x)、張夏組（∈2z）及寒武系上統(tǒng)及奧陶系下統(tǒng)地層（∈3-O1），以碳酸鹽巖為主（圖1）。主要開采巖層為張夏組（∈2z）廣泛分布于礦區(qū)中部，地貌上表現(xiàn)為大陡坎。中上部為深灰色中厚層灰?guī)r夾青灰色薄—中厚層灰?guī)r及白云質灰?guī)r。下部主要為深灰色中厚層泥質條帶灰?guī)r夾黃綠色頁巖，總厚度40～60 m。厚度變化較大，底部頁巖及薄板狀泥質條帶灰?guī)r常呈不明顯小緩坡，中上部多為高差較大的大陡崖。巖層產(chǎn)狀340°∠9°。區(qū)內構造線總體呈北東-南西向單斜構造，與地層產(chǎn)狀一致。礦區(qū)南西部為羅云山山前斷裂[17]，該斷裂河津區(qū)段總體走向NWW，是晚更新世斷層。

圖1 石佳工程地質圖

1.2 礦山邊坡概況

石佳礦山屬于典型露天石礦，倚坡隨地形開挖后形成巖體裸露面，根據(jù)坡向不同劃分成3 個坡段，自西向東分別為B1、B2、B3（圖2），邊坡特征見表1。坡體上陡下緩，頂部有植被覆蓋，坡面基巖裸露，邊坡整體為切向坡。坡面整體平面形態(tài)呈圓弧形，發(fā)育與臨空面平行的陡傾裂隙，上寬下窄，少量碎石充填。坡體表層巖體松動破碎，深部較為完整。

表1 邊坡特征

圖2 礦山邊坡全貌（無人機影像圖）

2 崩塌發(fā)育特征

2.1 分布及規(guī)模特征

調查發(fā)現(xiàn)3 個坡體表面均分布有大量松動巖體，現(xiàn)場不時有石塊從高處滾落。從位置分布上，危巖體分布在坡體中上部，800～830 m 高程居多。從規(guī)模上，最大危巖體體積2 568 m3，屬于小型崩塌。巖體被結構面切割成塊狀、板狀、棱柱等。對各坡面典型危巖體分析，具體特征見表2。根據(jù)坡體結構和坡面變形情況可分為六個區(qū)（見圖3），各區(qū)特征（見圖4）：Ⅰ區(qū)、Ⅴ區(qū)位于邊坡兩側邊緣，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體被切割成大小不一的碎塊；Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)位于邊坡頂部，坡面高陡，巖石風化破碎，長大裂隙面發(fā)育，卸荷較為充分，巖體結多被結構面切割成板狀和柱狀，已發(fā)生塊體崩塌；Ⅳ區(qū)位于邊坡中部，結構面發(fā)育，受多組節(jié)理切割，巖體呈碎裂狀，危巖體較多；Ⅵ區(qū)以崩塌堆積體為主。

圖3 坡面分區(qū)圖

圖4 危巖體特征

表2 典型危巖體特征

2.2 結構特征

根據(jù)現(xiàn)場調查，巖層產(chǎn)狀近水平，坡面巖體被切割成大小不等的塊體，已經(jīng)出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象。根據(jù)坡體結構類型劃分[18]，區(qū)內3 個邊坡均屬于節(jié)理控制性邊坡，其穩(wěn)定性主要受控于坡面與結構面組合關系。由于邊坡高陡且下部被歷史崩塌堆積體和礦渣覆蓋，難以測量結構面，其中B1 邊坡高度相對較小，巖層露頭好，坡底堆積體較小，所以選擇B1 作為代表性區(qū)域進行分析。忽略細小裂隙，主要測量長大結構面，主要發(fā)育4 組:J1：357°∠78°，走向與邊坡延伸方向近于平行，結構面長大、粗糙，貫通性好;J2：84°∠88°，與邊坡大角度相交，平直粗糙，貫通性較好；J3：253°∠58°，結構面短小、貫通性一般；J4：110°∠70°，結構面短小，貫通性一般。邊坡214°∠67°，層面340°∠9°，赤平投影關系見圖5，可通過每兩組節(jié)理相交所得交線與邊坡傾向傾角相對關系判定穩(wěn)定性[19]。層面-J1、J2-J3、J2-J4、J3-J4 交線傾向均與坡面傾向相反，交線傾角小于坡面傾角，為不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 危巖體赤平投影

2.3 堆積體特征

堆積體多呈倒石堆狀，整體結構松散，大小混雜，分選性差。主要由石灰?guī)r塊石、碎屑棄渣體及粉質黏土組成。堆積體表面巖體風化程度不一。堆積體主要分布在邊坡底部，部分堆積于溝谷中。各堆積體中較大塊石主要分布在坡體表面以及坡腳前緣較遠處，較小石塊堆積在下層以及坡腳處，而從堆積體沖刷斷面發(fā)現(xiàn)下部堆積有大塊石，上部反而為小石塊（圖6（a）），可推測是多次崩塌堆積而成?？纱笾聞澐譃? 個區(qū)域（圖1），Ⅰ區(qū)堆積體平面形態(tài)呈舌形，縱長約183 m，平均寬度約48 m，體積約22 698 m3；Ⅱ區(qū)堆積體為長條形，橫長約82 m，寬約16 m，體積約1 053 m3；Ⅲ區(qū)呈不規(guī)則狀，堆積體長約86 m，寬約36 m，體積約5 471 m3，上部為堅硬塊狀灰?guī)r體，灰褐色，主要粒徑為20～50 cm，含量約40%，下部為碎石與黏土混雜層，主要粒徑為10～15 cm，含量50%～60%，前緣大塊石2.2 m×1.8 m×0.8 m（圖6（b））；Ⅳ區(qū)呈不規(guī)則狀，縱長260 m，平均寬度約56 m，體積約30 862 m3，前緣大塊石1.5 m×1.3 m×0.9 m（圖6（c）），堆積體表面受雨水沖刷發(fā)育多條沖溝，沖溝長約6 m，寬約0.5 m，深約0.5 m（圖6（c））；Ⅴ區(qū)平面呈舌形，縱長148 m，寬約70 m，體積約13 472 m3，前緣巨石6 m×3 m×4 m（圖6（d））。

圖6 崩塌堆積體剖面

3 失穩(wěn)模式與影響因素

爆破振動和人工開挖致使邊坡側向卸荷，產(chǎn)生回彈變形，應力重分布[20]，具體表現(xiàn)為坡內向坡面、坡腳向坡頂壓應力漸變?yōu)槔瓚?，在坡頂部分出現(xiàn)拉應力帶，所以在坡頂容易形成與坡面平行的陡傾裂隙，卸荷裂隙也不斷擴展，隨著時間效應，邊坡不斷向臨空方向發(fā)展，受降雨、地震、荷載等因素誘發(fā)崩塌。區(qū)內邊坡崩塌成因模式屬于卸荷?拉裂類，根據(jù)各危巖體發(fā)育特性其崩塌模式可進一步劃分為卸荷?拉裂?滑移、卸荷?拉裂?傾倒、卸荷?擠壓?鼓脹、卸荷?拉裂?墜落。

3.1 失穩(wěn)模式

3.1.1 卸荷?拉裂?滑移式

W3 為典型拉裂-滑移破壞模式（圖7（a）），該危巖體位于B2 中部左側邊緣處，巖層近水平，上部為厚層白云質灰?guī)r下部為夾泥質條帶，下部屬于相對軟弱結構面。發(fā)育有陡傾結構面L1、L2、L3。裂隙1 延伸長度約10 m，張開度約40 cm，已貫通；裂隙2 延伸長度約8 m，張開度約18 cm；裂隙3 延伸長度約3 m，張開度約14 cm，少量碎石充填。陡傾裂隙使危巖體后緣拉裂，由于上覆巖體的重力作用、降雨入滲以及軟硬巖層的差異風化作用，裂隙不斷貫通至軟弱層，當抗滑力不足以抵抗滑動力，巖體將向臨空面滑出，主崩方向204°。

3.1.2 卸荷?拉裂?傾倒式

W6（圖7（b））位于B3 頂部邊緣處，被與坡面平行的垂直拉張裂隙切割成板狀或長柱狀，此類不穩(wěn)定巖體高且長，橫向穩(wěn)定性差，危巖體高達26 m，裂隙延伸長度約20 m，間距1～2 m，張開度約15 cm。被切割危巖重心向外偏移，對巖體作用有拉應力，當拉應力超過巖體強度，發(fā)生拉裂破壞。目前危巖處于基本穩(wěn)定?欠穩(wěn)定狀態(tài)，在重力作用以及雨水入滲條件下，裂隙不斷向下擴展當與緩傾結構面貫通時，巖體將向臨空面轉動傾倒產(chǎn)生崩塌災害，主崩方向137°。

圖7 危巖體破壞模式

3.1.3 卸荷?擠壓?鼓脹式

B2 邊坡左側坡腳處發(fā)育危巖體（圖7（c）），下部為泥質條帶軟弱層，上部危巖體由于重力作用將對下部軟弱層產(chǎn)生向下的壓應力，下部軟弱層不斷受到向外的擠壓力將不斷下沉和外移產(chǎn)生破裂面，同時發(fā)生傾斜，若重心移出坡外即產(chǎn)生崩塌。該危巖體破裂面長約1 m，下沉距離2 cm 左右。

3.1.4 卸荷?拉裂?墜落式

由于采礦開挖結構面切割作用其頂部部分巖體底部懸空，凸出巖體頂部及兩側均受結構面控制。此類危巖體主要發(fā)育在邊坡頂部，B2（圖7（d））坡體上部近乎直立，卸荷裂隙發(fā)育，在風化、重力、人為擾動下產(chǎn)生墜落，運動軌跡近似于自由落體。

3.2 影響因素

3.2.1 露天開采擾動

長時間爆破振動與卸荷開挖造就崩塌發(fā)生背景。區(qū)內原山體地形坡度約25°～35°，殘坡積較薄，基巖裸露，邊坡巖石結構較完整，風化破碎帶小，基本不存在陡傾結構面或危巖體，整體結構穩(wěn)定。石佳礦山開采方法為露天爆破后人工開挖剝離，爆破振動與卸荷開挖雙重作用致使原山體結構遭到破壞，坡面巖體松動破碎，危巖體遍布，可在不確定的時間失穩(wěn)致災。同時為了加工運輸方便，經(jīng)常會在坡腳開挖道路以及施工堆料場等，若支護不到位，也易失穩(wěn)。石佳礦山有長大十年的開采歷史，強烈的人類工程活動改變了區(qū)內地質環(huán)境，破壞原有應力平衡，高陡坡體及危巖體為崩塌發(fā)生提供了一定地質背景。

3.2.2 地形地貌與巖性結構

坡體結構與巖性結構面是控制崩塌發(fā)生的主要因素。開采后邊坡坡高且陡，為高位崩塌發(fā)生提供良好的臨空條件。礦區(qū)主要發(fā)育厚層狀白云質灰?guī)r，堅硬性脆，在外力、構造力以及自重下容易產(chǎn)生節(jié)理裂隙，由于應力集中加之爆破振動的端部效應，坡體上部極易發(fā)育大量與坡面平行的陡傾裂隙，結構面組合切割，將厚層狀灰?guī)r切割成塊狀、板狀等，坡面危巖體發(fā)育，容易發(fā)生變形破壞。下部有泥質灰?guī)r和頁巖夾層，軟硬巖層組合也利于崩塌發(fā)生。

3.2.3 差異風化

露天礦高邊坡的形成是長期作用的結果，開采時間越長，巖體裸露時間越長，風化作用越嚴重。邊坡組成巖體主要為質地堅硬的白云質灰?guī)r，中下部含軟弱層，軟硬巖層的差異風化將加快崩塌進程。

3.2.4 氣候條件

受氣候條件影響，崩塌災害具有季節(jié)性特征，河津市屬大陸性溫暖氣候，四季分明夏季多雨，節(jié)理裂隙將成為降雨入滲通道，其產(chǎn)生的靜（動）水壓力以及水的濕潤作用使巖體結構強度降低。降雨入滲將誘發(fā)崩塌發(fā)生。

4 危巖失穩(wěn)過程模擬

采用Rocfall 軟件對區(qū)內典型危巖體進行數(shù)值模擬分析。建立危巖邊坡二維模型，并根據(jù)邊坡特性對碰撞恢復系數(shù)以及摩擦系數(shù)賦值，模擬危巖崩塌滾落過程的運動狀態(tài)，獲得大致運動路徑、彈跳高度、總動能、平移速度等理論值，為后期崩塌災害防治提供一定依據(jù)。

4.1 參數(shù)確定

石佳采石場邊坡高陡，上部為陡峭的基巖裸露面，中下部為無植被的崩塌堆積體，根據(jù)前人研究成果[14,21]及該地區(qū)經(jīng)驗參數(shù)，計算參數(shù)取值見表3，計算中滾石數(shù)量為50 塊。由于各典型危巖體整體規(guī)模較大，模擬時以節(jié)理所切割的小塊體作為目標對象（表4）。

表3 計算參數(shù)

表4 危巖體積

4.2 模擬結果分析

4.2.1 運動路徑

危巖失穩(wěn)運動主要以沿坡面滾落和彈跳為主（圖8），崩塌落石運動方式與邊坡結構相關，當坡形簡單且邊坡整體平緩時以滾落為主，運動軌跡與坡形大致吻合，當邊坡高陡且陡緩分明時以碰撞彈跳為主。如W2、W3、W4、W5 的模擬運動路徑與坡體剖面線走勢大致重合，在坡度發(fā)生變化時會有小幅彈跳，危巖W1、W6 邊坡剖面陡緩分明，能明顯看出巖體碰撞彈跳軌跡。

4.2.2 分布特征

對滾石落點位置進行統(tǒng)計，W1 有50%的滾石停留在35.82 m 處，12%停留在41.33 m 最遠處，對平臺道路暫時無危害；W2 有48%滾石停留在19.30 m 處，28%停 留 在57.89 m 最 遠 處，54～81 m 處是礦區(qū)道路和施工平臺，若W2 失穩(wěn)，理論上54～57.89 m（道路及平臺區(qū)）將被滾石覆蓋，屬于毀壞區(qū)，57.89～81 m 為危險區(qū)；W3 有52%停留在219.63 m 處，14%停留在192.59 處，12%停留在185.84 m 處，6%停留在199.35 m 處，4%停留在172.32 m 處，4%停留在179.08 m 處，其中102～120 m 為礦區(qū)內道路，若W3 失穩(wěn)，滾石會將道路全毀壞并繼續(xù)運動最終停積于溝谷之中；W4 有30%停留在212.69 m 處，24%停留在160.24 m 處，20%停留在171.9 m 處，16%停留在218 m 處，1%停留在224.35 m 處，100～118 m 為礦區(qū)內道路，屬于滾石路徑范圍內，屬于毀壞區(qū)，238 m 處有廠房，屬于危險區(qū)；W5 有54%停留在109.12 m 處，44%停留在114.45 m 處，2%停留在119.77 m 處，104 m 處為道路，屬于毀壞區(qū)；W6 有48%停留在193.57 m 處，26%停留在198.35 m 處，18%停留在188.79 m 處，6%停留在184.01 m 處，2%停留在203.13 m 處，169～204 m 處為道路及施工平臺，滾石將堆積于此區(qū)域。區(qū)內危巖體失穩(wěn)對坡腳公路、施工平臺、廠房均有危害影響。因此，有必要設置擋石墻，擋石網(wǎng)等被動防護措施進行安全防護。

4.2.3 彈跳高度

對比圖8、圖9，滾石彈跳峰值一般出現(xiàn)在陡坡。以W6 為例，共有3 個明顯彈跳峰值，對應圖8中C、E、G 處。滾石先經(jīng)歷一小段滾落，即AB 段，運動至B 處，此時坡面變陡，坡度約80°，滾石滑出同時在自重作用下加速向下，此過程中巖體以飛躍為主，在C 點達到彈跳最大值24 m。D 點碰撞以后再次被彈出，在E 點出現(xiàn)第二次明顯彈跳，高度約10 m，此次彈跳落點在F 點附近，隨后巖體沿坡面運動直至坡底碰撞后在G 點出現(xiàn)第三次小型彈跳，高度約1.7 m，落點于H 附近。第二次、第三次彈跳值明顯低于比第一次。

圖8 運動路徑圖

圖9 彈跳高度、總動能、平移速度

4.2.4 總動能、平移速度

總動能與平移速度包絡線走勢大致相同，在前期呈線性增長趨勢，滾石與坡面碰撞后，能量損失，速度減小，有研究表明由于摩擦消能作用危巖落石切向速度在碰撞過程中消失10%[22]，甚至停止增長。碰撞后滾石或回彈或滾落，當做回彈運動時，彈出后會有一個上升過程，動能逐漸減小，上升到最高點后危巖體繼續(xù)做重力作用主導的落體運動，勢能減小速度也會不斷增加，總動能又會持續(xù)增加直至下一次碰撞；若巖體以滾落為主，與坡面不斷摩擦后，動能增長速率會減小，平移速度減小。

5 結論

1）河津市石佳礦山崩塌災害以小型高位巖質崩塌為主，受采礦活動影響后形成高陡巖質邊坡。邊坡巖性主要為寒武系堅硬灰?guī)r夾有頁巖軟弱層，坡面節(jié)理裂隙組合切割，巖體呈碎裂狀，穩(wěn)定性差。在不利坡體結構、地形地質組合以及差異風化下，巖體失穩(wěn)崩塌。

2）礦區(qū)遺留高陡邊坡中上部分布有大量危巖體，高程800～830 m 居多，體積大小不等，被結構面切割成塊狀、板狀、棱柱狀等。根據(jù)危巖體發(fā)育特征及邊坡結構面組合，推測潛在崩塌模式有滑移、傾倒、墜落等?，F(xiàn)有堆積體由多次崩塌事件堆積而成，呈倒石堆狀。

3）礦區(qū)遺留高邊坡崩塌失穩(wěn)原因可歸納為：爆破振動與卸荷開挖造就崩塌地質背景；高陡坡體與不利結構面耦合控制崩塌發(fā)生機制；軟硬巖層差異風化加速崩塌失穩(wěn)進程；降雨最終導致崩塌發(fā)生。具體失穩(wěn)模式可分為卸荷?拉裂?滑移式、卸荷?拉裂?傾倒、卸荷?擠壓?鼓脹、卸荷?拉裂?墜落四種類型。為同類型礦山地質災害識別提供一定理論參考。

4）通過Rockfall 對研究區(qū)典型危巖體進行崩落軌跡模擬，揭示危巖在巖體在重力主導下做初速度為零的落體運動，在不斷碰撞彈跳摩擦中實現(xiàn)能量轉換與消耗，直至停積。根據(jù)模擬運動軌跡及落點位置，石佳采石場礦區(qū)道路、施工平臺、廠房等均處于危巖滾落危險區(qū)范圍內，后期需設置攔石墻等支擋防護。模擬結果為同類型石灰?guī)r礦危巖崩落災害防治提供一定技術指導。