邊坡臺階平面破壞的識別和分析

國仕磊 葛汝豪 熊晶晶

（北方礦業(yè)有限責(zé)任公司，北京 100054）

0 引言

巖質(zhì)邊坡的破壞模式多種多樣，目前就研究成果來看，巖質(zhì)邊坡的破壞模式主要分為平面破壞、楔形破壞、傾倒破壞、圓弧破壞和折線破壞以及復(fù)合型破壞等等[1]。平面破壞在礦山開采過程中十分常見，可以在單個臺階上產(chǎn)生局部的破壞，也可以連接多個臺階產(chǎn)生大面積的破壞，后者產(chǎn)生的可能性較小。平面破壞典型的巖質(zhì)邊坡的平面滑動破壞通常是滑體沿與山坡傾向大致相近的單一滑面滑移，滑面可以是巖體內(nèi)發(fā)育的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面等，如巖層層面、層間軟弱夾層和長大斷層節(jié)理裂隙[2]。

對于邊坡平面破壞的識別和分析研究，國內(nèi)學(xué)者開展了相關(guān)的研究工作。李長洪等結(jié)合水廠鐵礦的地質(zhì)環(huán)境、構(gòu)造、巖性和水文地質(zhì)條件，確定了各巖組可能產(chǎn)生的破壞模式[3]。王飛飛等銅山口銅礦為例，分析了采場各分區(qū)平面破壞的可能性，結(jié)合分析結(jié)果推薦了并段邊坡和不并段邊坡的坡面角[4]。賀超等分析了剛果（金）南II 礦邊坡的平面破壞的可能性，得到了在自重和地下水的基礎(chǔ)條件下，有張裂縫存在和施加爆破振動力最易產(chǎn)生平面破壞[5]。路為等將巖質(zhì)順層邊坡的平面破壞根據(jù)其變形破壞的力學(xué)機制分成兩種地質(zhì)力學(xué)模式:滑移-拉裂型和水力驅(qū)動型，并探討了平面破壞產(chǎn)生的破壞機制[6]。李連祥、馮開帥、李紀良等都針對平面破壞機制進行了相關(guān)的試驗和研究[7-9]。

本文以剛果（金）龐比銅鈷礦為研究對象，針對采場產(chǎn)生的平面破壞開展，研討臺階平面破壞的識別和分析方法。

1 礦山概況

剛果（金）龐比銅鈷礦位于剛果（金）盧阿拉巴省，在科盧韋齊市以東約70km，海拔標高在1470m～1550m之間，地勢平坦，僅有一些小山丘，礦區(qū)現(xiàn)場植被發(fā)育，植被覆蓋良好。屬熱帶草原氣候，全年一般有兩季，11月到4月為雨季，5月到10月為旱季，雨季的特點是經(jīng)常下大暴雨，時間長短不定，年平均降雨量1220mm，全年最高溫度變化不大。礦區(qū)位于區(qū)域加丹加弧形構(gòu)造帶北西部，礦區(qū)范圍內(nèi)出露地層由老至新主要為羅安群（R1及R2）、恩古巴群（Ng），其多被覆蓋于第四系殘坡積（Q）粉質(zhì)粘土層下，僅在脊狀地表、南部沖溝及零星分布的人工采坑等部位有出露，礦區(qū)內(nèi)未見巖漿巖產(chǎn)出。礦區(qū)內(nèi)褶皺以緊湊、平行的背斜—向斜為主，構(gòu)造帶內(nèi)次級構(gòu)造極其復(fù)雜，穹隆、殘丘、背向斜、推覆構(gòu)造和斷裂極其發(fā)育。

礦區(qū)內(nèi)共有PN 礦、KE 礦、KS 礦和PG 礦四個采場，目前只有PN 和KE 采場正在進行開采。現(xiàn)場不具備產(chǎn)生大型平面破壞的條件，臺階平面破壞時有發(fā)生。

2 臺階平面破壞形成原理

臺階平面破壞的形成條件必然是有一條結(jié)構(gòu)面，且結(jié)構(gòu)面的走向與邊坡面的走向平行或近似平行，結(jié)構(gòu)面的摩擦角小于結(jié)構(gòu)面的傾角小于邊坡面的傾角，平面破壞才會在自然條件下產(chǎn)生，如圖1 所示。結(jié)構(gòu)面傾角小于邊坡面傾角是產(chǎn)生平面破壞或順層破壞的基礎(chǔ)條件，倘若結(jié)構(gòu)面傾角大于邊坡面傾角則不會產(chǎn)生破壞或產(chǎn)生傾倒破壞；結(jié)構(gòu)面摩擦角小于結(jié)構(gòu)面傾角是平面破壞滑動的條件。因此基于平面破壞產(chǎn)生的條件，同時結(jié)構(gòu)面摩擦角小于結(jié)構(gòu)面傾角時，平面破壞才會產(chǎn)生滑動。

圖1 平面破壞原理分析圖

圖2 整體平面破壞

圖3 上部斷裂平面破壞

3 臺階平面破壞的識別

平面破壞的識別方法主要有現(xiàn)場勘察和赤平投影分析兩種方式。在現(xiàn)場勘察中比較容易識別，且其重要的特征也較為單一，即在平臺坡面上出現(xiàn)一個規(guī)整的平面，面上的巖石掉落。

在現(xiàn)場勘察中發(fā)現(xiàn)采場出現(xiàn)的平面破壞主要有兩種形式，第一種為整體平面破壞，從臺階上部整體沿著平面滑落，堆積在坡面下部；第二種為上部斷裂平面破壞，臺階并未整體發(fā)生破壞，而是上部巖石斷裂導(dǎo)致平面破壞沿著上部斷裂面滑落，堆積在坡面下部。

赤平投影分析主要方法為通過現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面測量得到巖體的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，與邊坡坡面的產(chǎn)狀進行對比分析，得到可能會產(chǎn)生平面破壞的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，之后結(jié)合巖石的三軸試驗得到的粘聚力和內(nèi)摩擦角換算出等效內(nèi)摩擦角，進而分析結(jié)構(gòu)面傾角、邊坡傾角和內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系分析產(chǎn)生平面破壞的可能性。

從圖4 中可以看出優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面3（295°∠69°）與邊坡坡面（286°∠75°）可能產(chǎn)生平面破壞，通過傾角換算公式1 將優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的傾向劃算與邊坡坡面傾向相同，劃算后得到傾角為68.76°。

巖體等效內(nèi)摩擦角在工程中應(yīng)用較廣，也為廣大工程技術(shù)人員所接受，可用其來判斷邊坡的穩(wěn)定性。等效內(nèi)摩擦角計算公式如下：

式中：φ—內(nèi)摩擦角，°；

φd—等效內(nèi)摩擦角，°；

c—內(nèi)聚力，kPa；

σ—正應(yīng)力，kPa。

表1 白云巖等效內(nèi)摩擦角

圖5 中為邊坡面、為結(jié)構(gòu)面、為臺階高度為12m時飽和和自然狀態(tài)下的等效內(nèi)摩擦角，根據(jù)平面破壞產(chǎn)生的條件，結(jié)構(gòu)面的摩擦角小于結(jié)構(gòu)面的傾角小于邊坡面的傾角，可以得到臺階高度為12m，自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下都不會產(chǎn)生平面破壞。

4 臺階平面破壞安全分析

（1）結(jié)構(gòu)面參數(shù)

根據(jù)《工程巖體分級標準》中巖體結(jié)構(gòu)面抗剪斷峰值強度建議[10]，參考《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中結(jié)構(gòu)面、軟弱層、斷層的抗剪斷強度和抗剪強度要求[11]，對結(jié)構(gòu)面進行綜合選值，見表2。

（2）分析工況及許用安全系數(shù)

對龐比銅鈷礦邊坡結(jié)構(gòu)面平面破壞進行如下6種受力情況的分析及許用安全系數(shù)，安全系數(shù)的選用參考《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》要求進行選?。?/p>

I：自重（無張裂隙）+地下水狀況，K=1.21；

II：自重（無張裂隙）+地下水+爆破振動力狀況，K=1.19；

III：自重（無張裂隙）+地下水+地震力狀況，K=1.16；

IV：自重（有張裂隙）+地下水狀況，K=1.21；

V：自重（有張裂隙）+地下水+爆破振動力狀況，K=1.19；

VI：自重（有張裂隙）+地下水+地震力狀況，K=1.16。

根據(jù)以上六種工況，計算分析時白云巖結(jié)構(gòu)面參數(shù)采用飽水狀態(tài)的數(shù)據(jù)。

（3）分析結(jié)果

采用RocPlane 分析軟件，分析北部邊坡可能發(fā)生平面破壞的可能性。本次平面破壞分析主要考慮臺階高度為12m 情況，并考慮到坡頂有張裂縫存在。典型的平面破壞分析結(jié)果圖如圖6所示，計算結(jié)果如表3所示。從分析結(jié)果表得知：

表3 白云巖臺階平面破壞分析結(jié)果

圖6 12m臺階（坡面角75°）受力I和IV時分析結(jié)果圖

1）受力I～III、IV～VI 條件下，隨著坡面角度增大或臺階高度增大臺階安全系數(shù)依次降低。

2）白云巖邊坡臺階高度為12m 的情況下，坡面角70～75°時，六種受力情況邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會發(fā)生平面破壞。

3）計算分析結(jié)果與赤平投影分析結(jié)果一致。

5 結(jié)論

（1）平面破壞識別兩種主要途徑，現(xiàn)場勘察和赤平投影分析，其中赤平投影分析能夠判斷平面破壞發(fā)生的可能性，通過分析可以坡面角為75°，臺階高度為15m時平面破壞不會產(chǎn)生。

（2）通過RocPlane 分析臺階高度為12m 的情況下，坡面角70～75°時，六種受力情況邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會發(fā)生平面破壞。

（3）計算分析結(jié)果與赤平投影分析的結(jié)果相同，表明結(jié)果可靠。