基于分級分析法評價結(jié)構(gòu)面對巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性的影響

謝琳， 劉文連， 王修峰， 劉迪， 許漢華

（1.昆明理工大學(xué)，a.國土資源工程學(xué)院；b.建筑工程學(xué)院，昆明 650000；2.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司，昆明 650000）

隨著社會的進(jìn)步與發(fā)展，出現(xiàn)了各種高度、形狀不同的巖質(zhì)邊坡，加大了巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的難度.巖質(zhì)邊坡中存在各種各樣的結(jié)構(gòu)面，巖質(zhì)邊坡發(fā)生滑坡的一個重要因素就是結(jié)構(gòu)面的存在.因此有必要在研究巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞時，將結(jié)構(gòu)面作為研究對象.傳統(tǒng)方法往往是將巖質(zhì)邊坡內(nèi)所有的結(jié)構(gòu)面與整體邊坡的坡面放在一起考慮，沒有區(qū)分不同層次的結(jié)構(gòu)面對整體邊坡穩(wěn)定性的影響程度，這將會使得本身規(guī)模很小的結(jié)構(gòu)面，對整體邊坡影響不大的結(jié)構(gòu)面，誤判稱為主控結(jié)構(gòu)面，使得分析結(jié)果和實際現(xiàn)場情況差距大[1-3].根據(jù)我國制定的《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016-2014）[4]指出邊坡穩(wěn)定性計算方法、參數(shù)的確定，均需建立在邊坡破壞模式分析的基礎(chǔ)上，邊坡的破壞模式是非常復(fù)雜的，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)面、地下水、爆破等因素.傳統(tǒng)的方法沒有對結(jié)構(gòu)面的規(guī)模與邊坡的匹配性進(jìn)行劃分，因此需要研究巖體結(jié)構(gòu)面規(guī)模與邊坡規(guī)模層次匹配研究，這樣才能準(zhǔn)確的確定影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的主控結(jié)構(gòu)面[5].因此，在對大型露天礦山巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評價時，應(yīng)根據(jù)不同位置、不同規(guī)模結(jié)構(gòu)面對礦山巖質(zhì)邊坡巖體穩(wěn)定性的不同影響，進(jìn)行礦山巖質(zhì)邊坡巖體工程穩(wěn)定性分級分析，對邊坡的穩(wěn)定性問題做到整體和局部上的把握[6-10].

文中主要以大平掌銅礦東部邊坡工程實例為研究對象，在綜合搜集礦區(qū)勘探資料、地質(zhì)剖面圖、地形地質(zhì)圖、斷裂構(gòu)造圖及地質(zhì)報告等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場進(jìn)行結(jié)構(gòu)面的詳細(xì)調(diào)查，運用Midas-GTS建立整體三維模型進(jìn)行大平掌銅礦東部邊坡穩(wěn)定性影響分析.

1 研究區(qū)工程概況

大平掌采場東部邊坡最高標(biāo)高為1 380 m，最低標(biāo)高為1 000 m，垂直高差達(dá)380 m.邊坡上盤為破碎的英安巖，下盤為流紋巖，中間是松軟的凝灰?guī)r.斷層發(fā)育較多，有2個較大的縱斷層和許多小斷層發(fā)育.東部巖石風(fēng)化層較厚、風(fēng)化程度較深，標(biāo)高1 200 m以上巖石風(fēng)化都比較強烈，導(dǎo)致巖石穩(wěn)定性較差.工程區(qū)內(nèi)主要分布有5條斷層，分別為F1斷層、F2斷層、F3斷層、F4斷層和 F5斷層（見圖 1）.

圖1 大平掌銅礦項目區(qū)地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Geological structure map of Dapingzhang copper mine project area

2 研究區(qū)邊坡巖體穩(wěn)定性分級分析

2.1 邊坡巖體結(jié)構(gòu)基本特征

圖2所示為大平掌銅礦采場東部邊坡全貌.總體邊坡沿北東—南西方向延伸，邊坡長1 150 m，邊坡最高標(biāo)高為1 380 m，最低標(biāo)高為1 000 m，邊坡高度 380 m，寬度530 m，坡向326°，坡角 19°.依據(jù)臺階邊坡坡角參數(shù)的變化情況，總體邊坡劃分為3個組合臺階邊坡，組合臺階邊坡A：1 000～1 160 m臺階高度10 m，平臺寬度10 m，臺階邊坡坡角53°，開采幫坡角為13°；組合臺階邊坡B：1 160～1 280 m臺階高度10 m，平臺寬度8 m，臺階邊坡坡角65°，開采幫坡角為29°；組合邊坡C：1 280～1 380 m臺階高度10 m，平臺寬度10 m，臺階邊坡坡角57°，開采幫坡角為25°.

圖2 東部邊坡全貌Fig.2 Eastern slope

邊坡巖體自下往上依次出露流紋巖、凝灰?guī)r和英安巖，其中英安巖發(fā)育新鮮未風(fēng)化、微風(fēng)化、中風(fēng)化、強風(fēng)化、全風(fēng)化完整的風(fēng)化剖面，邊坡表層覆蓋有土壤層.邊坡范圍發(fā)育5條斷層，凝灰?guī)r呈層狀分布，構(gòu)成邊坡巖體軟弱夾層，邊坡范圍內(nèi)普遍發(fā)育3組節(jié)理，強風(fēng)化英安巖還發(fā)育有一組風(fēng)化節(jié)理，邊坡巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征列于表1.（注：節(jié)理產(chǎn)狀為統(tǒng)計平均值）

圖3所示為按照傳統(tǒng)分析方法繪制的邊坡穩(wěn)定性赤平投影，該方法將貫穿總體邊坡的大規(guī)模斷層（規(guī)模分別為324 m、587 m、442 m）、貫穿臺階邊坡的小規(guī)模斷層（規(guī)模分別為15 m、20 m）、節(jié)理（規(guī)模5～25 m）、風(fēng)化節(jié)理（規(guī)模 3～5 m）投影在同一個邊坡上進(jìn)行分析，忽略了結(jié)構(gòu)面不同空間分布位置、不同規(guī)模對邊坡整體穩(wěn)定性的差異化影響，難以得到客觀、全面的穩(wěn)定性分析結(jié)論.因此，需要開展總體邊坡整體穩(wěn)定性的分級分析.

表1 邊坡巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征Table 1 Development characteristics of slope rock mass structure

圖3 邊坡巖體穩(wěn)定性赤平投影分析Fig.3 Stereospheric projection analysis of slope rock mass stability

2.2 總體邊坡巖體穩(wěn)定性分析

1）總體邊坡整體穩(wěn)定性分析：總體邊坡發(fā)育有斷層F1、斷層F2、斷層F3和層面B1等4條貫穿性結(jié)構(gòu)面.由圖4可知，總體邊坡坡向326°，坡角19°；層面B1產(chǎn)狀 300°∠14°，其傾向與邊坡傾向交角為 26°，傾向坡外，其傾角小于坡角；斷層F1產(chǎn)狀333°∠70°，其傾向與邊坡傾向交角為7°，順坡向，斷層面傾角大于坡角.斷層F1與層面B1形成的組合式潛在滑移面控制了總體邊坡的整體穩(wěn)定性.斷層F2產(chǎn)狀46°∠74°和斷層F3產(chǎn)狀21°∠80°，這兩組基本垂直的貫穿性結(jié)構(gòu)面可作為邊坡潛在滑移破壞的割離邊界.凝灰?guī)r遇水物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生劣化，可作為邊坡巖體的軟弱夾層，成為總體邊坡發(fā)生整體破壞的主滑移面.

圖4 總體邊坡整體穩(wěn)定性赤平投影分析Fig.4 Stereoscopic projection analysis of overall slope stability

2）總體邊坡局部穩(wěn)定性分析：節(jié)理和小規(guī)模斷層，與層面、斷層等貫穿性結(jié)構(gòu)面共同控制總體邊坡的局部穩(wěn)定性.依據(jù)邊坡不同部位的巖體結(jié)構(gòu)面空間分布及其組合特點，按不同邊坡部位分別進(jìn)行總體邊坡的局部穩(wěn)定性分析，圖5所示為總體邊坡局部穩(wěn)定性的赤平投影分析結(jié)果.

結(jié)果顯示邊坡后緣、邊坡上部、邊坡中部和下部、邊坡東側(cè)及邊坡西側(cè)的局部穩(wěn)定性好，總體邊坡前緣的局部穩(wěn)定性較差.

圖5 總體邊坡局部穩(wěn)定性赤平投影分析Fig.5 Analysis of the local stability of the overall slope

3 東部邊坡三維模型建立及分析

3.1 三維有限元分析東部邊坡模型的建立

在通過大量的試算，確定了計算模型范圍，見圖6.模型為長方體，其長、寬、高分別為 407 m、254 m、330 m，體積 34 114 740 m3，三維計算參數(shù)如表2所示.

三維模型建立．根據(jù)勘察資料提供的剖面圖，首先將A、B、C剖面導(dǎo)入到Midas-GTS中建立邊坡實體模型，在通過Misdas-GTS中的地形生成器生成的地表曲面，刪除地表地形上的實體，形成計算模型如圖7所示，不考慮結(jié)構(gòu)面的計算模型如圖8所示.之后進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到最終的計算模型如圖9所示.

圖6 建模范圍平面Fig.6 Modeling range plan

表2 現(xiàn)狀條件計算參數(shù)Table 2 Current condition calculation parameter

圖7 計算模型（考慮結(jié)構(gòu)面）Fig.7 Calculation model(considering structural plane)

圖8 計算模型（不考慮結(jié)構(gòu)面）Fig.8 Calculation model(regardless of structural plane)

圖9 不同加高條件下模型網(wǎng)格劃分Fig.9 Model meshing under different elevation conditions

3.2 東部邊坡穩(wěn)定性分析

3.2.1 考慮結(jié)構(gòu)面條件下穩(wěn)定性分析

圖10所示為考慮結(jié)構(gòu)面條件下位移、應(yīng)力、應(yīng)變圖的三維數(shù)值模擬結(jié)果.

3.2.2 不考慮結(jié)構(gòu)面條件下穩(wěn)定性分析

圖11所示為不考慮結(jié)構(gòu)面條件下位移、應(yīng)力、應(yīng)變圖的三維數(shù)值模擬結(jié)果.

通過圖10和圖11可知，不考慮結(jié)構(gòu)面對東部邊坡的影響時，東部邊坡的整體安全系數(shù)為1.651 6，而考慮結(jié)構(gòu)面對東部邊坡的影響時，東部邊坡的整體安全系數(shù)為1.212 9，相比較下安全系數(shù)下降了26.5%，并且根據(jù)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)面的影響時，東部邊坡的整體狀態(tài)處于極限平衡狀態(tài)，如果考慮到降雨和爆破對東部邊坡的影響，東部邊坡很可能發(fā)生破壞[11-13].

通過圖 10（A）、圖 10（B）和圖 11（A）、圖 11（B）可知，東部邊坡的整體位移都集中在坡角處，但是當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)面的影響時，總體位移集中在斷層F2附近，而不考慮結(jié)構(gòu)面時，總體位移符合正常的滑坡狀態(tài)，主要集中在滑體上，說明結(jié)構(gòu)面影響了東部邊坡的整體位移趨勢，從滑體中部轉(zhuǎn)移到了結(jié)構(gòu)面上.

通過圖 10（C）～圖 10（E）、圖 10（c）～圖 10（e）和圖 11（C）～圖 11（E）、圖 11（c）～圖 11（e）可知，在僅考慮自重的情況下，東部邊坡的總體應(yīng)力均是從上往下逐漸增大；考慮結(jié)構(gòu)面時，從云圖可知東部邊坡的最大剪應(yīng)變集中在斷層F1、斷層F2并且主要趨勢基本沿著凝灰?guī)r層；而不考慮結(jié)構(gòu)面對東部邊坡的影響時，最大剪應(yīng)變類似于圓弧狀，主要集中在坡腳臺階邊坡處，說明在不考慮結(jié)構(gòu)面的影響時，東部邊坡最容易發(fā)生破壞的地方在坡腳臺階邊坡，而當(dāng)考慮了結(jié)構(gòu)面對東部邊坡的影響時，最容易發(fā)生破壞的地方主要集中3個結(jié)構(gòu)面處：斷層F1、斷層F2和凝灰?guī)r層.

圖10 考慮結(jié)構(gòu)面條件下位移、應(yīng)力、應(yīng)變Fig.10 Consider displacement,stress and strain diagram under structural plane conditions

3.3 降雨條件下東部邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場的勘察可知，東部邊坡在凝灰?guī)r層以及1 100 m處有出水，可知地下水位線在凝灰?guī)r層上部，定義邊坡前部節(jié)點水頭為1 105 m，邊坡后部節(jié)點水頭為1 155 m.大平掌東部邊坡的日最大降雨量為145.1 mm，最長連續(xù)降雨62天，因此定義降雨后的邊坡前部節(jié)點水頭為1 115 m，邊坡后部的節(jié)點水頭為1 165 m.地下水和降雨工況下三維計算參數(shù)如表3所列.

圖11 不考慮結(jié)構(gòu)面條件下的位移、應(yīng)力、應(yīng)變Fig.11 Displacement,stress,strain diagram without considering structural plane conditions

表3 降雨條件計算參數(shù)Table 3 Rainfall condition calculation parameter

3.3.1 正常水位條件下穩(wěn)定性分析

圖12所示為正常水位下的孔隙水壓力、位移、

最大剪應(yīng)變的三維數(shù)值模擬結(jié)果.

圖12 正常水位下的孔隙水壓力、位移、最大剪應(yīng)變Fig.12 Pore water pressure,displacement and maximum shear strain at normal water level

3.3.2 降雨條件下穩(wěn)定性分析

圖13所示為降雨條件下的孔隙水壓力、位移、最大剪應(yīng)變的三維數(shù)值模擬結(jié)果.

通過圖12和圖13可知，不考慮降雨對東部邊坡的影響時，東部邊坡的整體安全系數(shù)為1.071 7，而考慮降雨對東部邊坡的影響時，東部邊坡的整體安全系數(shù)為1.055 2，相對于只考慮地下水位線安全系數(shù)下降了1.53%，并且根據(jù)規(guī)范規(guī)定，無論是否考慮降雨，東部邊坡都很可能發(fā)生破壞變形.

通過圖 12（A）、圖 12（a）和圖 13（A）、圖 13（a）可知，東部邊坡在考慮降雨的情況下，孔隙水壓力較不考慮降雨的情況下增大，因此應(yīng)該對降雨入滲所產(chǎn)生的不良影響給予足夠重視.通過圖12（B）～圖12（C）、圖 12（b）～圖 12（c）和圖 13（B）～圖 13（C）、圖 13（b）～圖13（c）可知，東部邊坡的整體位移都集中在坡角處，但是考慮降雨較不考慮降雨位移增大1.5倍.通過圖 12（D）、圖 12（d）和圖 13（D）、圖 13（d）可知，當(dāng)考慮降雨的影響時，最大剪應(yīng)變是不考慮降雨時最大剪應(yīng)變的5倍.

4 結(jié) 論

1）結(jié)構(gòu)面對于東部邊坡的Z向位移、總體方向的位移影響較大，考慮結(jié)構(gòu)面相對于不考慮結(jié)構(gòu)面的Z向位移增大了20 cm，總體方向位移增大了10～20 cm.說明結(jié)構(gòu)面的存在使得邊坡的破壞位移增大，危害性更大.

圖13 降雨條件下的孔隙水壓力、位移、最大剪應(yīng)變Fig.13 Pore water pressure,displacement and maximum shear strain under rainfall conditions

2）根據(jù)模型計算出來的安全系數(shù)來看，考慮結(jié)構(gòu)面相對于不考慮結(jié)構(gòu)面安全系數(shù)下降了26.5%.根據(jù)最大剪應(yīng)力圖來看，考慮結(jié)構(gòu)面時，東部邊坡發(fā)生破壞是沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞，而不考慮結(jié)構(gòu)面時，東部邊坡較為穩(wěn)定.說明結(jié)構(gòu)面對東部邊坡的安全系數(shù)以及破壞模式有很大的影響[14-19].

3）通過對比考慮降雨和不考慮降雨、地下水2種分析結(jié)果可知，安全系數(shù)下降了13%并且接近1.0，這種情況極易發(fā)生滑坡.當(dāng)考慮降雨時，最大剪應(yīng)變的范圍更接近斷層F1和凝灰?guī)r層，說明降雨使凝灰?guī)r層軟化，使斷層F1的力學(xué)性能降低，更容易造成東部邊坡沿斷層F1和凝灰?guī)r層下滑，尤其是沿凝灰?guī)r層的下滑趨勢更大，因此也說明了東部邊坡的主控結(jié)構(gòu)面是軟弱結(jié)構(gòu)面凝灰?guī)r層.建議對東部邊坡采用水平排水孔降水疏干，來防止降雨所導(dǎo)致的滑坡產(chǎn)生[20-24].

4）通過現(xiàn)場與實驗分析對比可以知道，結(jié)構(gòu)面對整體東部邊坡的影響很大.從經(jīng)濟和效益的角度考慮，應(yīng)該著重對整體東部邊坡的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行治理[25].