松樹南溝礦區(qū)邊坡巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)與邊坡穩(wěn)定性分析

王 偉 胡 斌 甘 露 歐光勁

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610011；3.四川金頂(集團(tuán))股份有限公司，四川 峨眉山 614224)

松樹南溝礦區(qū)邊坡巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)與邊坡穩(wěn)定性分析

王 偉1胡 斌1甘 露2歐光勁3

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610011；3.四川金頂(集團(tuán))股份有限公司，四川 峨眉山 614224)

為了評(píng)價(jià)松樹南溝礦區(qū)邊坡巖體開挖穩(wěn)定性情況，指導(dǎo)礦山的安全施工，以結(jié)構(gòu)面測(cè)量與工程勘察為基礎(chǔ)，分析邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的分布及巖體結(jié)構(gòu)特征，得到對(duì)邊坡穩(wěn)定起控制作用的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面。利用結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)，對(duì)上述優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，建立結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模型，再現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)。分別沿平行和垂直各測(cè)線走向方向切割網(wǎng)絡(luò)模型，發(fā)現(xiàn)巖體部分區(qū)域被結(jié)構(gòu)面切割嚴(yán)重，為形成小規(guī)模的可動(dòng)塊體提供了有利條件。運(yùn)用分形理論計(jì)算了各切面的分形維數(shù)，計(jì)算得出邊坡巖體處于一般或差的狀態(tài)；借助有限差分軟件FLAC3D，計(jì)算開挖后邊坡巖體的穩(wěn)定性情況，結(jié)果表明：由于開挖卸荷局部邊坡臺(tái)階處出現(xiàn)了較大的位移和塑性區(qū)，可能出現(xiàn)崩塌、滑移破壞，與質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果一致，建議適當(dāng)放緩該區(qū)域臺(tái)階坡面角。

巖體結(jié)構(gòu) 分形理論 網(wǎng)絡(luò)模擬 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

巖體在其形成與存在的過程中，長(zhǎng)期經(jīng)受著復(fù)雜的建造和改造2大地質(zhì)作用，生成了各種類型和規(guī)模的結(jié)構(gòu)面，如斷層、節(jié)理、層理、裂隙等[1]。巖體失穩(wěn)破壞的決定因素在于巖體結(jié)構(gòu)，它制約著工程巖體變形、破壞的發(fā)生和發(fā)展過程[2-3]。因此，巖體結(jié)構(gòu)的研究對(duì)于正確認(rèn)識(shí)巖體的變形和強(qiáng)度特征以及工程巖體穩(wěn)定性都具有重要的意義。巖體結(jié)構(gòu)是巖體中結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體的排列組合特征，正確地調(diào)查巖體中結(jié)構(gòu)面的分布情況及規(guī)模是清楚了解巖體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。對(duì)于礦山邊坡來說，多數(shù)的礦山在自然條件下是能夠保持穩(wěn)定的，但由于開挖改造破壞了巖體原始結(jié)構(gòu)，巖體中天然應(yīng)力發(fā)生改變，導(dǎo)致次生裂隙的產(chǎn)生，以及開挖臨空面為邊坡巖體破壞提供了新的邊界條件，從而影響邊坡的穩(wěn)定性。

本研究以實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)面與工程勘察為基礎(chǔ)，采用Dips軟件將所測(cè)結(jié)構(gòu)面分為5個(gè)優(yōu)勢(shì)組。分析每組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)的數(shù)學(xué)特征和分布形式，找到其概率分布函數(shù)。運(yùn)用Monte Carlo原理，在計(jì)算機(jī)中生成服從特定分布規(guī)律的結(jié)構(gòu)面隨機(jī)數(shù)，將產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)導(dǎo)入CAD建立結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模型。運(yùn)用分形理論計(jì)算各模型各剖面的分形維數(shù)進(jìn)而對(duì)邊坡巖體進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。同時(shí)借助有限差分軟件FLAC3D，分析了開挖后整體及局部邊坡的穩(wěn)定性情況，從而指導(dǎo)礦山的安全施工。

1 工程概況

松樹南溝礦區(qū)海拔一般在3 450～3 800 m，相對(duì)高差為200～400 m，巖性主要為花崗巖和細(xì)碧巖。區(qū)內(nèi)地勢(shì)南高北低，地形坡度大致南陡北緩，平均坡角約為30°，3 700 m以下多被草甸、植被覆蓋，冬季濕冷，夏季涼爽，晝夜溫差較大，冰凍期長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月左右，冰凍深度一般在2 m左右，礦山露采施工前，自然斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)[4-5]。

2 巖體結(jié)構(gòu)面的分布特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和礦區(qū)已做礦床勘探資料，礦區(qū)結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，按成因可分為4類：①細(xì)碧巖中流層理(面)，凝灰?guī)r中的似層理和巖體中的片理；②經(jīng)過多次構(gòu)造應(yīng)力作用形成的斷裂面，如斷層和節(jié)理裂隙；③后期侵入巖與圍巖的接觸面；④風(fēng)化卸荷裂隙，其中以構(gòu)造應(yīng)力作用形成的不同規(guī)模和性質(zhì)的斷裂為主。礦區(qū)為傾向180°～210°，傾角50°～80°的單斜構(gòu)造，是本礦區(qū)重要的大型結(jié)構(gòu)面，因此除東北幫邊坡為順向坡外，其他各幫邊坡結(jié)構(gòu)為反向坡或直交坡。由于東北幫設(shè)計(jì)的最終邊坡角為23°，遠(yuǎn)小于礦區(qū)大型結(jié)構(gòu)面的傾角，說明大型結(jié)構(gòu)面對(duì)采坑各區(qū)邊坡不存在滑移破壞的邊界條件，對(duì)礦區(qū)邊坡整體穩(wěn)定性有利。此外，邊坡受到風(fēng)化等動(dòng)力作用，出現(xiàn)了較多的小型崩塌體，多堆積在臺(tái)階的坡腳附近，臺(tái)階外側(cè)也出現(xiàn)了卸荷裂隙，裂隙寬度1～10 cm不等，且裂隙仍在發(fā)育。這些小型的節(jié)理、裂隙是造成局部臺(tái)階邊坡破壞的重要因素。

礦區(qū)內(nèi)節(jié)理主要發(fā)育于西礦床地段的細(xì)碧玢巖和斑狀花崗閃長(zhǎng)巖中，西礦床主礦體分布在標(biāo)高3 650～3 800 m，屬較陡傾斜礦體(傾角58°～65°)。綜合考慮各種因素，在西幫3 760 m高程處布置3條測(cè)線，從西北幫到西南幫測(cè)線依次命名為A、B、C，其中A測(cè)線長(zhǎng)7 m，實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)面54條；B測(cè)線長(zhǎng)6.3 m，實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)面51條；C測(cè)線長(zhǎng)6.3 m，實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)面104條(見圖1)。由于3條測(cè)線都比較短、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀較為分散且受到邊坡巖體結(jié)構(gòu)面出露情況的限制，測(cè)得的結(jié)構(gòu)面數(shù)量有限。若對(duì)每條測(cè)線上結(jié)構(gòu)面進(jìn)行單獨(dú)分組則優(yōu)勢(shì)分組效果不明顯，因此將西幫3條測(cè)線所測(cè)結(jié)構(gòu)面合并統(tǒng)一處理。利用Dips軟件采用下半球等角度投影，共將結(jié)構(gòu)面分為5個(gè)優(yōu)勢(shì)組(見圖2)，各組結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀如表1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)面測(cè)線布置Fig.1 Measuring line layout of discontinuity

圖2 優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面分組Fig.2 The group of advantage discontinuity□—1個(gè)極點(diǎn)；▽—2～3個(gè)極點(diǎn)；?—4～5個(gè)極點(diǎn)；+—6～7個(gè)極點(diǎn)； ×—8～9個(gè)極點(diǎn)；◇—10～11個(gè)極點(diǎn)；○—12～13個(gè)極點(diǎn)表1 各組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀

Table 1 Occurrence of each discontinuity (°)

根據(jù)圖2，5組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面中第Ⅰ組數(shù)量最為優(yōu)勢(shì)，但是其出露跡長(zhǎng)較短、切割不深，主要影響臺(tái)階局部巖體的穩(wěn)定；第Ⅲ組規(guī)模最大，但其與西幫坡面傾向相反，威脅不大。

3 分形理論

分形理論主要是研究一些具有自相似性的不規(guī)則曲線，自反演性的不規(guī)則圖形，自平方性的分形變換和自仿射分形集等[6-7]。在實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)用最為廣泛的是自相似分形(或稱為線性分形)。分形理論定量描述分形集合特征和幾何復(fù)雜程度的最基本參數(shù)是分形維數(shù)，也可簡(jiǎn)稱為分形維、分維數(shù)。根據(jù)分形的定義，有以下表達(dá)式：

(1)

式中,N(r)為在尺度r下所得到的測(cè)量數(shù)；c為比例常數(shù)；r為測(cè)量特征尺度；Dd為分形維數(shù)。判斷系統(tǒng)是否具有分形結(jié)構(gòu)，就是看該系統(tǒng)是否具有式(1)所表述的特征。

巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面分布是隨機(jī)、不規(guī)則的，但卻具有統(tǒng)計(jì)上的自相似性，可以運(yùn)用分形理論進(jìn)行分析。計(jì)算分形維數(shù)的方法也有多種，比如碼尺法、修正的碼尺法、盒計(jì)維數(shù)法等，在結(jié)構(gòu)巖體的應(yīng)用研究中，常用的是碼尺法與盒計(jì)維數(shù)法。無論采用何種計(jì)算方法，對(duì)同一對(duì)象都可得到1組統(tǒng)計(jì)數(shù)N與測(cè)量特征尺度r的數(shù)據(jù)，繪制出其雙對(duì)數(shù)圖lnr-lnN，擬合得到其線性關(guān)系的斜率，斜率的絕對(duì)值即為分形維數(shù)[8-9]。

4 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

4.1 結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬

結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬的實(shí)現(xiàn)基于3種假設(shè)：①假設(shè)結(jié)構(gòu)面形狀為薄圓盤狀，結(jié)構(gòu)面的大小和位置可以用中心點(diǎn)坐標(biāo)和結(jié)構(gòu)面半徑來反映；②假設(shè)結(jié)構(gòu)面為平直薄板，也就是說每條結(jié)構(gòu)面只有一個(gè)統(tǒng)一的產(chǎn)狀；假設(shè)在整個(gè)模擬區(qū)內(nèi)，每組結(jié)構(gòu)面的分布均遵循一定的概率模型[10-12]。采用Origin 軟件對(duì)每組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面參數(shù)進(jìn)行擬合，得到各參數(shù)的分布規(guī)律及其均值、標(biāo)準(zhǔn)差,見表2。

表2 結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬參數(shù)Table 2 Parameters of discontinuity′s network simulation model

注：表中“負(fù)”指負(fù)指數(shù)分布。

運(yùn)用Monte Carlo原理在模型區(qū)內(nèi)共生成1 606個(gè)結(jié)構(gòu)面三維實(shí)體，選擇應(yīng)用區(qū)尺寸為5 m×5 m×5 m，得到應(yīng)用區(qū)模型見圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模型Fig.3 Network simulation model of discontinuity

4.2 礦區(qū)西幫巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

分別沿平行和垂直于A、B、C測(cè)線走向方向切取6個(gè)剖面。采用分形理論中的盒計(jì)維數(shù)法計(jì)算生成結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)的分形維數(shù)。以與C測(cè)線走向平行方向剖面為例，C測(cè)線走向如圖3所示，其剖面見圖4。

取測(cè)量特征尺度分別為50、80、100、150、200、250 mm，計(jì)算與結(jié)構(gòu)面跡線相交的盒子數(shù)N(r)，繪制雙對(duì)數(shù)曲線如圖5，擬合得到其斜率為1.64，即為該剖面分形維數(shù)。

圖4 C測(cè)線走向方向剖面結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Discontinuity section network of C measuring line

圖5 C測(cè)線走向方向剖面結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)分形維數(shù)Fig.5 Fractal dimension of discontinuity section of C measuring line

采用同樣的方法對(duì)其他剖面計(jì)算得到分維數(shù)，參照文獻(xiàn)[8，13]的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，則西幫巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果如表3。

表3 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Evaluation results of rock mass quality

由圖4結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)可以看出，部分區(qū)域巖體被結(jié)構(gòu)面切割嚴(yán)重，形成小規(guī)模的巖石塊體，很可能崩塌、滑落。從上述對(duì)6個(gè)剖面分形維數(shù)的計(jì)算可得，礦區(qū)西幫巖體質(zhì)量一般或差，加之風(fēng)化、凍融作用強(qiáng)烈，需采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施或放緩坡角。

5 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

為了計(jì)算開挖卸荷對(duì)整體及局部臺(tái)階邊坡穩(wěn)定性的影響，選取礦區(qū)節(jié)理發(fā)育、相對(duì)高差最大的西南幫邊坡進(jìn)行計(jì)算。利用ANSYS建立西南剖面邊坡計(jì)算模型，然后導(dǎo)入FLAC3D進(jìn)行計(jì)算。西南幫邊坡地層包括第四系、凝灰?guī)r、細(xì)碧巖、閃長(zhǎng)巖。三期開挖臺(tái)階邊坡坑底標(biāo)高3 650 m，坡頂標(biāo)高3 990 m，3 830 m以下安全平臺(tái)寬4 m，清掃運(yùn)輸平臺(tái)寬8 m，每隔2個(gè)安全平臺(tái)設(shè)置1個(gè)清掃平臺(tái)；3 830 m以上安全平臺(tái)寬6 m，清掃運(yùn)輸平臺(tái)寬12 m，每隔2個(gè)安全平臺(tái)設(shè)置1個(gè)清掃平臺(tái)，臺(tái)階高度為10 m，臺(tái)階坡面角為70°。模型如圖6。

圖6 西南剖面計(jì)算模型Fig.6 Calculation model of southwest section

當(dāng)三期開挖臺(tái)階邊坡開挖完成后，計(jì)算得到能直接反應(yīng)邊坡穩(wěn)定性的水平位移等值線圖及塑性區(qū)圖如圖7、圖8所示。

從圖7可以看出，西南剖面整體邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是局部臺(tái)階部位出現(xiàn)了較大的水平位移，越靠近坡角位移越大，最大位移達(dá)到231 mm，說明邊坡臺(tái)階尤其是靠近坑底的臺(tái)階產(chǎn)生破壞的可能性很大。

圖7 西南剖面開挖后X方向位移等值線(單位：m)Fig.7 Displacement contour of X direction of South-west section after excavation

圖8 西南剖面開挖后塑性區(qū)Fig.8 The plastic zone at South-west section after excavation

在圖8中，塑性區(qū)主要出現(xiàn)在各級(jí)臺(tái)階上，沒有形成整體的貫通情況，說明整體邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是由于邊坡的開挖卸荷較為嚴(yán)重地干擾了邊坡巖體內(nèi)的應(yīng)力分布情況，導(dǎo)致邊坡臨空面表層巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的破壞，其完整性也遭到某種程度的影響。考慮到礦區(qū)風(fēng)化、凍融作用的強(qiáng)烈，邊坡臺(tái)階巖體可能出現(xiàn)崩塌、滑移現(xiàn)象。

6 結(jié) 論

(1)在礦區(qū)節(jié)理最為發(fā)育的西幫布置了3條測(cè)線，在現(xiàn)場(chǎng)勘察的基礎(chǔ)上，利用Dips共將所測(cè)結(jié)構(gòu)面分為5個(gè)優(yōu)勢(shì)組，這5組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面控制著該區(qū)域邊坡的穩(wěn)定。

(2)運(yùn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)區(qū)邊坡進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬。分別沿平行和垂直于3條測(cè)線走向方向切取剖面，得到6個(gè)結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)圖。計(jì)算得到西幫邊坡巖體質(zhì)量一般或差，巖體部分位置被結(jié)構(gòu)面密集切割，形成可移動(dòng)塊體，可能崩塌或滑移。

(3)借助軟件FLAC3D，對(duì)邊坡穩(wěn)定進(jìn)行定量的分析，結(jié)果顯示：邊坡整體穩(wěn)定，但是大部分邊坡臺(tái)階產(chǎn)生塑性區(qū)且局部位移較大，可能會(huì)產(chǎn)生破壞。

(4)與其他工程邊坡相比較，礦山露采邊坡有其特殊性，其長(zhǎng)度和坡高大，在施工開挖過程中形成的邊坡處于工作狀態(tài)中，服務(wù)年限不長(zhǎng)將被挖除，對(duì)這種邊坡不宜采取工程防治措施，宜調(diào)整邊坡設(shè)計(jì)。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Quality Evaluation of Rock Mass and Stability Analysis of Slope in Songshunangou Mining Area

Wang Wei1Hu Bin1Gan Lu2Ou Guangjin3

(1.FacultyofEngineering，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan430074，China；2.ChengduDesign&ResearchInstituteofBuildingMaterialsIndustryCo.,Ltd.,Chengdu610011，China；3.SichuanGoldenSummit(Group)Co.,Ltd.,Emeishan614224，China)

In order to evaluate the stability of slope rock mass after excavation and to guide construction safety，based on the discontinuity measurement and engineering survey，the characteristics of discontinuity distribution and rock mass′ structure in Songshunangou Mining Area were analyzed，thus obtaining the advantage discontinuity which controls the slope stability.Three-dimensional network simulation technology was used to make simulation on the advantage discontinuity above and establish the network model to represent the rock-mass′s structure.The network model was cut along each measuring line in parallel or perpendicular direction.It is found that rock-mass were cut seriously by the discontinuity，which provides favorable conditions for the formation of small-scale movable ore blocks.The fractal dimension of each section was calculated by the fractal geometry theory，finding that rock mass is in general or poor state.With the aid of the finite difference software FLAC3D，the stability of rock mass after excavation was calculated.The results showed that due to the excavation and unloading，larger displacement and plastic zone in some parts of slope were generated，possibly resulting in collapse and slippage.It fits with the quality assessment，so reasonably lowering the step slope angle is recommended.

Rock mass structure，F(xiàn)ractal theory，Network simulation，Quality evaluation of rock mass

2014-01-05

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(編號(hào)：2011CB710604)，國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(編號(hào)：41172281),中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(編號(hào)：CUGL100413,CUG090104)。

王 偉(1988—)，男，碩士研究生。

TD8

A

1001-1250(2014)-05-045-05