高陡邊坡在斷裂帶影響下的變形破壞機理研究

袁 偉，徐榮忠

（1.山西省地球物理化學(xué)勘查院，山西運城 044000；2.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710065）

1 概述

礦區(qū)位于陜西省華縣縣城東南28km處金堆鎮(zhèn)。邊坡最高處高程為1356m，目前露天礦北幫已開挖至1130m高程。礦區(qū)出露地層主要為下震旦長城系熊耳群（A）黑云母安山玢巖、下震旦長城系熊耳群（Sch）和晚燕山期花崗斑巖（γπ）。整個北幫邊坡處于燕門凹斷裂帶內(nèi)，受該斷裂帶的影響，北幫邊坡巖體松散破碎，力學(xué)強度低，各臺階自1152～1270m均有不同程度的滑塌、張拉、沖刷破壞[1]。邊坡很多臺階已不復(fù)存在，形成一坡到底的局面。

2 燕門凹斷裂帶工程地質(zhì)特征研究

2.1 燕門凹斷裂帶基本特征

燕門凹斷裂總長達(dá)6～7km，在礦區(qū)范圍內(nèi)出露最大長度1300m左右，出露最大寬度580m左右，構(gòu)成了礦區(qū)整個北幫邊坡。燕門凹斷裂呈NE65°～75°展布，斷層面以高角度向南東傾斜，平均傾角70°左右自北向南燕門凹斷裂內(nèi)主要有4種構(gòu)造巖：劈理化安山玢巖、張性角礫巖、壓扭性角礫巖和壓碎巖，此外還有少量糜棱巖。

2.2 燕門凹斷裂帶的物質(zhì)組成及空間分布

燕門凹斷裂帶自北向南主要由4種構(gòu)造巖帶組成：劈理化帶，張性角礫巖帶，壓扭性角礫巖帶和壓碎巖帶（見圖1）?，F(xiàn)分述如下：

（1）劈理化帶：為構(gòu)造應(yīng)力作用所產(chǎn)出的一組密集發(fā)育的壓扭性結(jié)構(gòu)面。間距約為3～5cm，一般無充填，劈理傾向145°～150°，傾角一般70°～80°。帶內(nèi)常見擠壓揉皺現(xiàn)象。

（2）張性角礫巖帶：沿劈理化帶南緣分布，局部與之相通。中風(fēng)化到強風(fēng)化，呈碎塊狀。角礫分布不均，大小一般1～5cm，角礫多呈棱角狀、次棱角狀，一般為巖粉充填，少量泥質(zhì)充填，膠結(jié)緊密。

（3）壓扭性角礫巖帶：分布于張性角礫巖南側(cè)，中間寬度較寬，向東西兩側(cè)變窄。由于構(gòu)造作用巖石被切割為形狀不規(guī)則的板狀和塊狀結(jié)構(gòu)，大小從20～50cm不等，局部由于構(gòu)造作用強烈，巖石呈碎裂狀。該壓扭性角礫巖帶內(nèi)巖體風(fēng)化強烈，強度較低，工程性質(zhì)較差。

該壓扭性角礫巖帶內(nèi)強烈發(fā)育多組次級斷層面，斷層面上多見擦痕和階步，強烈的構(gòu)造作用使巖石礦物發(fā)生變質(zhì)、重結(jié)晶作用，導(dǎo)致斷層面呈紅色，斷層面產(chǎn)狀與燕門凹主斷裂帶相近。

（4）壓碎巖帶：該壓碎巖內(nèi)節(jié)理裂隙極為發(fā)育，巖體破碎，形成大小不等，分布不均，多呈棱角狀的碎塊集合體，碎塊之間粘結(jié)力較差，一般為碎屑或巖粉充填。

上述4類構(gòu)造巖之間以及構(gòu)造巖和安山玢巖之間一般呈過渡接觸，他們中間一般沒有明顯的分界線，并且這四類構(gòu)造巖并不是成分單一的。4類構(gòu)造巖在成因上都是構(gòu)造作用，并且相互關(guān)聯(lián)，密不可分。從力學(xué)角度上看，它們同屬力學(xué)強度軟弱的巖體，共同組成一個軟弱帶。

2.3 燕門凹斷裂的力學(xué)性質(zhì)與多期活動

燕門凹斷裂帶內(nèi)存主要存在4種構(gòu)造巖：劈理化安山玢巖、張性角礫巖、其壓扭性角礫巖、壓碎巖。除張性角礫巖是在張性斷層環(huán)境下形成外，其余3種構(gòu)造巖都是在壓扭性斷層活動下形成，充分說明燕門凹斷裂帶的多期活動特征。

圖1 北幫工程地質(zhì)剖面圖

張性角礫巖內(nèi)的角礫并非完全是斷裂張性活動期的特征（角礫大小懸殊、棱角明顯、排列無序），而是后期發(fā)生了變化，表現(xiàn)為：部分張性角礫巖有磨圓化現(xiàn)象，張性角礫在空間上并非排列無序，而是有一定的定向排列。除此之外，壓扭性角礫巖內(nèi)含有少量張性角礫巖，由此可判斷張性角礫巖形成早于壓扭性角礫巖。由以上分析可知燕門凹斷裂早期為張性，晚期為壓扭性的多期活動時序。

整體上看，燕門凹斷裂帶內(nèi)的壓性構(gòu)造巖（劈理化安山玢巖、壓扭性角礫巖、壓碎巖以及少量糜棱巖）在空間分布上多余單一的張性角礫巖，且后者已被壓應(yīng)力改造，因此可判斷燕門凹斷裂帶以壓扭性為主，張性為輔。

3 邊坡變形破壞特征

3.1 邊坡變形破壞現(xiàn)狀

北幫邊坡上發(fā)育數(shù)條裂縫：1250平臺東側(cè)發(fā)育一個倒“Y”字形裂縫，裂縫寬約15cm，出現(xiàn)約4.5cm的錯臺，且裂縫寬及錯臺高度均有增大趨勢；1250平臺中間偏東發(fā)育兩條交叉的裂縫，為新發(fā)育裂縫，寬度及錯臺高度較??；1186平臺西側(cè)發(fā)育3條平行的反錯裂縫，錯臺高度約15cm，最西側(cè)的裂縫向上延伸多個臺階。

北幫邊坡巖體呈上部完整性較好，下部較差的特征。此現(xiàn)象主要是受燕門凹斷裂的影響，燕門凹斷裂傾向140°～160°，與北幫邊坡大致相同，傾角65°～75°，大于北幫邊坡坡角，小于單臺階坡角，因此燕門凹斷裂帶內(nèi)的壓扭性角礫巖帶在邊坡下部出露，壓扭性角礫巖內(nèi)發(fā)育多條與燕門凹主斷裂產(chǎn)狀相近的次級斷層，從而導(dǎo)致北幫下部巖體邊坡沿外傾斷層面發(fā)生變形破壞，出現(xiàn)多個臺階垮塌的現(xiàn)象。上部邊坡巖體以張性角礫巖為主，工程性能相對較好。上部較好的巖體坐落在下部較差的巖體上，形成下軟上硬的邊坡結(jié)構(gòu)，這樣隨著開采深度的進(jìn)一步加大，整體邊坡極易產(chǎn)生大規(guī)模的變形失穩(wěn)現(xiàn)象。

北幫邊坡壓碎巖出露地段，由于壓碎巖巖性松散破碎，膠結(jié)程度差，邊坡主要以小規(guī)模崩塌為主，局部已形成較大規(guī)模的崩塌。

3.2 邊坡的破壞模式

影響北幫邊坡的結(jié)構(gòu)面主要為燕門凹斷裂以及發(fā)育的次級斷裂，產(chǎn)狀155°～165°∠70°，與邊坡總體走向一致，邊坡單臺階坡角約70°～75°，邊坡總體坡角約40°。

北幫邊坡的結(jié)構(gòu)面、單臺階坡面以及邊坡整體坡面見圖2。

由圖2可知，結(jié)構(gòu)面傾角小于單臺階坡面的傾角，并且結(jié)構(gòu)面傾向跟單臺階坡面傾向基本一致，因此單臺階坡面容易沿結(jié)構(gòu)面下滑，而整體邊坡不會下滑。由以上分析可知：北幫邊坡整體不會沿結(jié)構(gòu)面下滑，在壓扭性角礫巖出露地段的單臺階穩(wěn)定性差，易發(fā)生失穩(wěn)破壞。整個邊坡上部沿斷裂帶拉開，下部沿最大剪應(yīng)力集中帶剪出，滑面形式為圓弧形[2]。

4 露天礦北幫邊坡變形與破壞的數(shù)值模擬分析

采用FLAC2D軟件對北幫邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，來分析露天礦北幫邊坡開挖之后的變形破壞機理。建立模型的過程中，對安山玢巖、角閃片巖、張性角礫巖、花崗斑巖及壓碎巖采用摩爾—庫倫模型，劈理化安山玢巖和壓扭性角礫巖采用節(jié)理化塑性模型[3-6]。

4.1 天然應(yīng)力狀態(tài)

圖2 赤平投影圖

在FLAC中，計算初始地應(yīng)力場是十分必要的，沒有計算初始地應(yīng)力場會使模型在重力作用下發(fā)生過大的變形，從而不能與實際情況相符[7]。本次天然應(yīng)力計算僅考慮自重情況下的天然應(yīng)力，根據(jù)計算結(jié)果可知，主應(yīng)力在單一巖性范圍內(nèi)表現(xiàn)為最大主應(yīng)力為豎直，最小主應(yīng)力為水平；在巖性變化的分界面附近，主應(yīng)力表現(xiàn)為最大主應(yīng)力與巖性分界面平行，最小主應(yīng)力與巖性分界面垂直[8]。

4.2 開挖后邊坡應(yīng)力重分布特征

在巖體中開挖形成人工邊坡后，邊坡的應(yīng)力會發(fā)生重新分布，在這種情況下，邊坡會發(fā)生變形和破壞，以適應(yīng)這種應(yīng)力重分布。由計算結(jié)果可知：（1）邊坡坡面附近最大主應(yīng)力與坡面平行，最小主應(yīng)力與坡面近于正交，向邊坡內(nèi)部則逐漸恢復(fù)正常的應(yīng)力狀態(tài)；（2）由于應(yīng)力重分布，使坡面附近產(chǎn)生應(yīng)力集中帶，不同的部位應(yīng)力狀態(tài)不同：坡腳附近形成了剪應(yīng)力增高帶，易發(fā)生剪切破壞；坡肩附近，形成拉應(yīng)力帶，易發(fā)生拉裂破壞[9]。

4.3 邊坡的變形與破壞

（1）開挖之后邊坡的水平位移等值線圖見圖3。

由圖3可知，水平位移主要發(fā)生在坡腳處，是由于在坡腳處形成剪應(yīng)力集中帶，最大位移量約15cm。另外，在劈理帶和張性角礫巖帶分界處出現(xiàn)一個位移突變的分界面，是由于巖性不同所致。

開挖之后邊坡的豎向位移等值線圖見圖4。

由圖4可知，豎直位移在邊坡頂部表現(xiàn)為沉降，在邊坡中下部及礦坑底部表現(xiàn)為隆起，最大位移處在坑底中部平臺處，最大位移量約35cm，為卸荷回彈的結(jié)果。

圖3 水平位移等值線圖

圖4 豎直位移等值線圖

圖5 邊坡剪應(yīng)變速率圖

4.4 邊坡破壞模式

邊坡的剪應(yīng)變速率圖見圖5。

由圖5可以明顯看到塑性貫通區(qū)域，即存在潛在滑面，滑面形式為圓弧形，此滑面上部沿劈理帶與張性角礫巖中間、中部沿張性角礫巖帶、下部沿壓扭性角礫巖剪出。由于燕門凹斷裂帶的影響，張性角礫巖和壓扭性角礫巖較松散，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體風(fēng)化嚴(yán)重，工程地質(zhì)性質(zhì)較差，而劈理化安山玢巖相對堅硬、完整，工程地質(zhì)性質(zhì)相對較好，因而出現(xiàn)上述結(jié)果。

5 結(jié)論與建議

（1）燕門凹斷裂帶主要存在4種形式的構(gòu)造巖：劈理化安山玢巖、張性角礫巖、壓扭性角礫巖和壓碎巖，各種巖性的工程性質(zhì)不同，但總體工程地質(zhì)性質(zhì)較差。燕門凹斷裂帶以壓扭性為主，張性為輔，表現(xiàn)為前期張性、后期壓—壓扭性的多期活動特征；

（2）北幫邊坡的變形破壞主要為邊坡上發(fā)育的數(shù)條裂縫、沿外傾結(jié)構(gòu)面的垮塌破壞以及壓碎巖出露段發(fā)生的崩塌破壞；

（3）北幫邊坡整體不會沿結(jié)構(gòu)面下滑，在壓扭性角礫巖出露地段的單臺階穩(wěn)定性差，易發(fā)生失穩(wěn)破壞。整個邊坡上部沿斷裂帶拉開，下部沿最大剪應(yīng)力集中帶剪出，滑面形式為圓弧形；

（4）工程治理措施建議：①在1160m平臺設(shè)置排水孔；②采取減震措施[9]；③在1240m以上平臺進(jìn)行削方；④對壓碎巖出露地段采取加固措施。

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