基于三維攝影測(cè)量地質(zhì)調(diào)查的邊坡破壞模式分析

阮琰文，牛小明

(1.鑫都礦業(yè)有限公司， 北京 100055；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

基于三維攝影測(cè)量地質(zhì)調(diào)查的邊坡破壞模式分析

阮琰文1，牛小明2

(1.鑫都礦業(yè)有限公司， 北京 100055；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

邊坡安全是露天礦山安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確計(jì)算分析邊坡穩(wěn)定性必須了解巖體節(jié)理產(chǎn)狀。通過三維攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查，查明了圖木爾廷-敖包鋅礦巖體節(jié)理裂隙產(chǎn)狀，并對(duì)每種巖體的節(jié)理裂隙進(jìn)行了分析，得出了其可能導(dǎo)致的邊坡破壞模式，為邊坡穩(wěn)定性計(jì)算提供了基本依據(jù)。

工程地質(zhì)調(diào)查；三維攝影測(cè)量；邊坡破壞模式

圖木爾廷-敖包鋅礦位于蒙古國東部的無林草原帶，該地區(qū)是典型的丘陵地形，相對(duì)高差較小，海拔標(biāo)高一般在1000～1100 m之間。礦山為露天開采，設(shè)計(jì)規(guī)模為30萬t/a。設(shè)計(jì)凹陷露天采場(chǎng)規(guī)格為上口尺寸660 m×460 m，下口尺寸為160 m×(20～50) m，坑底標(biāo)高902 m，地面封閉圈標(biāo)高1070 m，露天邊坡最大高差下盤208 m，上盤170 m。目前露天開采階段主要有1070 m臺(tái)階、1058 m臺(tái)階、1046 m臺(tái)階、1034 m臺(tái)階和1022 m臺(tái)階。根據(jù)露天邊坡采場(chǎng)巖體的賦存條件，采場(chǎng)頂幫一般為中—粗粒花崗巖、粘土板巖、鈉長(zhǎng)角巖、晶狀石灰?guī)r、大理石，底幫和西端幫為晶狀石灰?guī)r、大理石，東端幫為中-粗?；◢弾r。

為計(jì)算分析露天采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性，須對(duì)邊坡巖體進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查，尤其是查明巖體節(jié)理裂隙情況。傳統(tǒng)的調(diào)查方法主要采用測(cè)線法和體積密度法，主要是用羅盤、卷尺等工具對(duì)待調(diào)查的巖體對(duì)象進(jìn)行手工測(cè)量并記錄相應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)(包括節(jié)理裂隙產(chǎn)狀，結(jié)構(gòu)面間距、長(zhǎng)度和寬度，充填物厚度等)，同時(shí)對(duì)巖體的結(jié)構(gòu)面形狀、干燥程度等內(nèi)容進(jìn)行描述。這種方法現(xiàn)場(chǎng)工作量大、效率較低且因人而異調(diào)查結(jié)果會(huì)產(chǎn)生誤差。本次工程采用了較為先進(jìn)的三維攝影測(cè)量系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)測(cè)量巖體節(jié)理裂隙參數(shù)并通過分析參數(shù)得到了不同邊坡的破壞模式。這種方法可極大地減輕現(xiàn)場(chǎng)工作量，同時(shí)獲得較為準(zhǔn)確的調(diào)查結(jié)果。

1 地質(zhì)調(diào)查

露天礦邊坡穩(wěn)定性受到諸多因素的影響，包括工程地質(zhì)條件(主要是邊坡所在位置的巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及應(yīng)力環(huán)境)、水文地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)邊坡參數(shù)和外力影響等。其中對(duì)邊坡巖體的節(jié)理裂隙現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查是巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)和邊坡破壞模式分析的重要步驟，對(duì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析有重要影響。

1.1 調(diào)查方法

為查清礦山節(jié)理裂隙情況，采用的調(diào)查方法是SIROVISION三維數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量和巖體結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用數(shù)碼相機(jī)獲取待調(diào)查的地質(zhì)體的高清圖像，經(jīng)過系統(tǒng)軟件將高清圖像合成為三維模型，并通過對(duì)此三維模型進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)參數(shù)分析獲得調(diào)查對(duì)象的地質(zhì)信息。SIROVISION系統(tǒng)主要用于礦山及巖體工程領(lǐng)域，為快速、高效和安全地進(jìn)行地質(zhì)信息調(diào)查、巖體穩(wěn)定性分析提供了新型處理工具。

該系統(tǒng)由兩大部分組成：硬件部分主要為相機(jī)以及配套支架、測(cè)距儀、羅盤等，軟件部分主要為具備三維成像功能的SIRO3D軟件和三維模型分析軟件SIROJOINT。

1.2 調(diào)查內(nèi)容

為分析邊坡巖體的破壞模式，本次調(diào)查主要包括巖體中的節(jié)理裂隙產(chǎn)狀、規(guī)模等，主要是：節(jié)理面在空間上的分布狀態(tài)用傾向和傾角表示，節(jié)理間距、長(zhǎng)度和寬度等用線節(jié)理密度或體積節(jié)理密度表示，節(jié)理性質(zhì)，節(jié)理裂隙充填物性質(zhì)，節(jié)理裂隙含水情況等。最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果用極點(diǎn)等密度圖和赤平極射投影圖表示。

1.3 邊坡巖體攝影測(cè)量

根據(jù)前期資料，該區(qū)域邊坡主要以大理巖、矽卡巖和花崗巖為主。因此將本次調(diào)查對(duì)象分為3組，分別是大理巖組、矽卡巖組、花崗巖組。邊坡巖體攝影測(cè)量分析見圖1～圖3所示。

圖1 矽卡巖攝影測(cè)量分析

圖2 花崗巖攝影測(cè)量分析

圖3 大理巖攝影測(cè)量分析

2 破壞模式分析

2.1 矽卡巖

根據(jù)攝影測(cè)量分析統(tǒng)計(jì)，矽卡巖主要分布在北邊坡，由石灰?guī)r經(jīng)雙交代作用形成，巖體結(jié)構(gòu)類型為塊狀結(jié)構(gòu)，主要發(fā)育有3組節(jié)理：

(1) J1組節(jié)理，產(chǎn)狀為179°∠86°；

(2) J2組節(jié)理，產(chǎn)狀為233°∠63°；

(3) J3組節(jié)理，產(chǎn)狀為312°∠71°。

節(jié)理長(zhǎng)度大于2 m，同一地點(diǎn)一般發(fā)育3組節(jié)理，基本以剪節(jié)理為主，局部充填有少量的方解石、鐵質(zhì)和泥質(zhì)，節(jié)理面平直、干燥；節(jié)理間距為0.1～2.1 m，平均線節(jié)理密度λ為2.10條/m，經(jīng)換算的RQD值為98.1%。其中第1、第3組節(jié)理斜切邊坡，節(jié)理與邊坡方位見圖4。

圖4 矽卡巖破壞模式

從圖4可以看出，該邊坡破壞模式主要為楔體滑動(dòng)破壞，在第1、第3組節(jié)理與邊坡面的共同作用下，邊坡巖體被切割為楔形體，由于1、3組節(jié)理交線的傾角小于坡面角，楔形體將沿交線往下滑動(dòng)(圖中所示方向)。同時(shí)由于第2組節(jié)理(平行邊坡的陡傾斜順層節(jié)理)的存在，楔形體被分割為多個(gè)小的楔體產(chǎn)生滑動(dòng)破壞，破壞模式見圖5，現(xiàn)場(chǎng)照片見圖6。

圖5 矽卡巖邊坡破壞模式

圖6 矽卡巖邊坡破壞情況

2.2 花崗巖

花崗巖主要分布在南部邊坡，為中風(fēng)化中-粗顆?；◢弾r，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，由于風(fēng)化蝕變強(qiáng)烈，強(qiáng)度較低，巖體為塊狀和碎裂結(jié)構(gòu)。通過攝影測(cè)量可知，該巖體主要發(fā)育有3組節(jié)理：

(1) J1組節(jié)理，產(chǎn)狀為154°∠38°；

(2) J2組節(jié)理，產(chǎn)狀為255°∠82°；

(3) J3組節(jié)理，產(chǎn)狀為350°∠40°。

節(jié)理長(zhǎng)度一般為10 m左右，同一地點(diǎn)一般發(fā)育3組節(jié)理，基本以剪節(jié)理為主，節(jié)理面一般無充填物，局部有少量的泥質(zhì)，節(jié)理面平直、干燥；節(jié)理間距為0.1～2.5 m，平均節(jié)理間距為0.82 m，平均體積節(jié)理密度Jv為5.15條/m3，平均線節(jié)理密度λ為1.22條/m，經(jīng)換算的RQD值為98%。節(jié)理與邊坡方位見圖7。

圖7 花崗巖破壞模式

通過圖7可以看出，邊坡被3組節(jié)理切割為長(zhǎng)方形巖塊，其中J3組節(jié)理近平行于邊坡面，邊坡破壞容易產(chǎn)生沿該組節(jié)理的滑動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查被切割后的單個(gè)巖塊高度約為H=0.4～2.5 m，底邊長(zhǎng)為b=0.5～1.3 m，斜面傾角α=55°，節(jié)理面摩擦角φ=30°，由此可以得出：α>φ并且b/H

2.3 大理巖

大理巖主要分布在西邊坡，巖體結(jié)構(gòu)類型為塊狀結(jié)構(gòu)，通過攝影測(cè)量可知，主要發(fā)育4組節(jié)理：

(1) J1組節(jié)理，產(chǎn)狀為121°～128°∠71°～80°；

(2) J2組節(jié)理，產(chǎn)狀為210°～240°∠60°～63°；

(3) J3組節(jié)理，產(chǎn)狀為38°～43°∠60°～67°；

(4) J4組節(jié)理，產(chǎn)狀為38°～49°∠38°～40°。

節(jié)理長(zhǎng)度一般為3～5 m，同一地點(diǎn)一般發(fā)育3～4組節(jié)理，基本以剪節(jié)理為主，節(jié)理面一般無充填物，節(jié)理面平直、干燥；節(jié)理間距為0.2～1.0 m，平均節(jié)理間距為0.57 m，平均線節(jié)理密度λ為1.75條/m，經(jīng)換算的RQD值為98.6%。節(jié)理與邊坡方位見圖10。

圖8 花崗巖邊坡破壞模式

圖9 花崗巖邊坡破壞情況

圖10 大理角巖破壞模式

通過圖10可以看出，大理巖巖體邊坡被4組節(jié)理切割，其中J1組節(jié)理近平行于邊坡面，邊坡破壞容易產(chǎn)生沿該組節(jié)理的滑動(dòng)。在第2、第3組和第2、第4組節(jié)理與邊坡面共同作用下，邊坡巖體被切割為楔形體，由于楔體交線傾角小于坡面角，楔形體將沿交線往下滑動(dòng)。破壞模式見圖11，現(xiàn)場(chǎng)照片見圖12。

圖11 大理巖邊坡破壞模式

圖12 大理巖邊坡破壞情況

3 結(jié) 論

通過SIROVISION三維數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量和巖體結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)對(duì)圖木爾廷—敖包鋅礦各巖組邊坡節(jié)理裂隙進(jìn)行了工程地質(zhì)調(diào)查，綜合分析調(diào)查數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況得到了不同邊坡破壞模式，主要形成了以下結(jié)論：

(1) 三維攝影測(cè)量系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確獲取露天邊坡巖體節(jié)理裂隙產(chǎn)狀等參數(shù)，其具有測(cè)量精度高、測(cè)量速度快和攜帶方便等特點(diǎn)。

(2) 通過對(duì)邊坡巖體節(jié)理裂隙的調(diào)查，可分析出邊坡破壞模式，為邊坡穩(wěn)定性分析提供依據(jù)。

[1]賈 沛,常玉鋒,王 欣.極限平衡法在露天礦邊坡穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2010(9):50-52.

[2]李榮偉,侯恩科.邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].西部探礦工程,2007(3):4-7.

[3]蔣 華.巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性的有限元分析[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2006.

[4]張 明,吳 野.巖石邊坡穩(wěn)定性分析方法[J].西部探礦工程,2005(S):414-415.

[5]陳祖煌.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析[M].北京:中國水利水電出版社,2003:15-20.

2017-04-05)

阮琰文，男，陜西渭南人，工程師，主要從事露天開采現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理工作,Email：476418948@qq.com。