露天礦節(jié)理參數(shù)敏感性研究及邊坡穩(wěn)定性分析

黃篤學(xué) 董 鑫 王建曦 楊天鴻 王少泉 何 祥

（1.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司，河北 唐山063009；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽110819；3.中冶北方工程技術(shù)有限公司，遼寧大連116622）

新疆金寶露天礦為陡傾層狀節(jié)理巖質(zhì)邊坡，隨著開采深度不斷增加，一些不利于邊坡穩(wěn)定性的節(jié)理逐漸揭露出來。這些節(jié)理的分布、位置、發(fā)育程度以及充填介質(zhì)直接影響著巖體的物理力學(xué)參數(shù)。該類節(jié)理的脆弱性易使邊坡失穩(wěn)由其開始發(fā)展，最終形成宏觀斷裂并導(dǎo)致貫通滑移面形成［1-4］。在這些節(jié)理的影響下，金寶露天礦現(xiàn)場出現(xiàn)了順層破壞、楔形破壞、屈曲破壞、傾倒破壞、順層滑移—剪斷破壞等多種破壞模式，對礦山生產(chǎn)與人員安全造成了嚴(yán)重威脅。為提高金寶礦生產(chǎn)的安全性，有必要研究巖石節(jié)理對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，并對礦山的關(guān)鍵邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析和評價。

近年來，有關(guān)巖石節(jié)理對邊坡穩(wěn)定性影響的研究，研究學(xué)者們進(jìn)行了大量卓有成效的工作。吳順川等［5］采用系統(tǒng)聚類法準(zhǔn)確地給出了巖體節(jié)理的分類方案，并結(jié)合邊坡參數(shù)運(yùn)用赤平極射投影法直觀地判斷出邊坡潛在的失穩(wěn)模式；馮樹榮等［6］在研究節(jié)理巖體邊坡失穩(wěn)破壞時，推導(dǎo)出了2組平行節(jié)理的穩(wěn)定性計算公式，并編寫了相應(yīng)的運(yùn)算程序，為分析2組平行節(jié)理邊坡的穩(wěn)定性提供了新思路；潘皓等［7］采用正交試驗法分析了雙節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響因素，并依據(jù)權(quán)重大小對各個影響因素進(jìn)行了排序；周子涵等［8］通過建立自重應(yīng)力作用下斷續(xù)節(jié)理巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的尖點(diǎn)突變理論力學(xué)模型，研究了節(jié)理參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律；李克鋼等［9］考慮了巖體爆破擾動產(chǎn)生的節(jié)理裂隙對邊坡穩(wěn)定性的影響，采用強(qiáng)度折減法對受到不同程度擾動的礦山邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析；簡文彬等［10］通過制作室內(nèi)節(jié)理巖體邊坡模型并加載循環(huán)震動荷載，研究了節(jié)理對邊坡穩(wěn)定性的影響；程愛平等［11］采用斯皮爾曼等級相關(guān)系數(shù)分析了邊坡巖體強(qiáng)度及變形參數(shù)與現(xiàn)場調(diào)查獲得的節(jié)理參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系；王宇等［12］在研究反傾層狀邊坡變形破壞機(jī)制的過程中采用了phase2 軟件的節(jié)理有限元法（JFEM-SSR），在實際工程案例應(yīng)用中取得了良好的效果；郭雙楓等［13］將正交試驗法引入到節(jié)理巖質(zhì)邊坡中，并對8個邊坡參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析和排序。

綜上分析，現(xiàn)階段有關(guān)巖石節(jié)理對邊坡穩(wěn)定性的影響研究已經(jīng)取得了不少成果，但在有限元中使用摩爾-庫倫準(zhǔn)則來分析節(jié)理力學(xué)參數(shù)的敏感性涉及較少。本研究采用正交試驗法，量化節(jié)理傾角、內(nèi)摩擦角、黏聚力、抗拉強(qiáng)度、剛度對滑坡概率的貢獻(xiàn)程度，并結(jié)合具體的邊坡剖面，基于有限元極限平衡法進(jìn)行模擬計算并進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評價。通過金寶露天礦邊坡節(jié)理參數(shù)對穩(wěn)定性的影響規(guī)律研究與邊坡穩(wěn)定性分析，可以采取針對性的治理措施（加固邊坡），從而保證礦山人員、設(shè)備的安全，進(jìn)一步降低礦山事故發(fā)生概率，并為后續(xù)的開采、防護(hù)、建設(shè)等工作提供可靠依據(jù)。

1 金寶鐵礦概況

金寶鐵礦位于阿勒泰市南東75 km、距富蘊(yùn)縣城北西約70 km 處，礦區(qū)中心點(diǎn)坐標(biāo)為東經(jīng)89°01′28″、北緯47°31′09″，長2 000 m、寬約650 m。礦區(qū)行政區(qū)劃上隸屬新疆維吾爾自治區(qū)阿勒泰地區(qū)富蘊(yùn)縣庫爾特鄉(xiāng)管轄。礦區(qū)北東和南西兩側(cè)地形受切割影響嚴(yán)重，溝谷多呈“V”型；礦區(qū)地形切割較淺，溝谷多呈“U”型。礦區(qū)地貌由構(gòu)造剝蝕和構(gòu)造侵蝕作用形成，區(qū)內(nèi)最高海拔1 287 m，最低海拔1 072 m。礦區(qū)露天采場及典型剖面如圖1所示。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，近幾年礦區(qū)發(fā)生了數(shù)次小型滑坡、變形現(xiàn)象，例如199#～203#線1 152 m 平臺上出現(xiàn)約220 m 長裂縫，裂縫寬度為12～18 cm。該礦邊坡破壞屬于陡傾層狀巖質(zhì)邊坡破壞模式，邊坡變形破壞呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的各向異性特征，現(xiàn)場破壞模式復(fù)雜多樣，順層破壞、楔形破壞、屈曲破壞、傾倒破壞、順層滑移—剪斷破壞均有發(fā)現(xiàn)。隨著往深部開采，邊坡北幫垂直高差達(dá)196 m，南幫垂直高差達(dá)130 m，臺階坡面傾角為65°～68°。本研究采用3GSM 攝影測量技術(shù)對該礦進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)面調(diào)查與分析，以北幫1 152 m 標(biāo)高處的測點(diǎn)12 數(shù)據(jù)為例，在獲得每組結(jié)構(gòu)面信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行了數(shù)理統(tǒng)計分析［14］，獲得的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、間距、跡長等幾何參數(shù)如表1 所示。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)面測試確定第一組結(jié)構(gòu)面共32 條，線密度為0.65 條/m；第二組結(jié)構(gòu)面共117 條，線密度為1.05 條/m；第三組節(jié)理結(jié)構(gòu)面共26 條，線密度為0.72條/m，則測點(diǎn)12 的結(jié)構(gòu)面密度為2.42 條/m3。該測點(diǎn)處的臺階坡面傾向、傾角分別為214°和68°，該區(qū)域的巖性為變粒巖、局部片麻巖，內(nèi)摩擦角約38°。在繪制出的極射赤平投影圖的基礎(chǔ)上添加了邊坡基本信息（如傾向、傾角、內(nèi)摩擦角），運(yùn)用DIPS 軟件的運(yùn)動學(xué)分析（Kinematic Analysis）功能［15］對該區(qū)域邊坡進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知：該區(qū)域邊坡發(fā)生平面破壞的概率為0，發(fā)生楔體破壞的概率為6.31%，發(fā)生傾倒破壞的概率為14.86%。從概率數(shù)值上來看，該區(qū)域邊坡有發(fā)生傾倒破壞的可能性，這與現(xiàn)場實際考察情況基本相符，即在陡傾節(jié)理傾向與邊坡傾向近似一致的情況下，該區(qū)域陡傾節(jié)理面具有發(fā)生傾倒—拉裂的破壞模式。

2 巖體力學(xué)參數(shù)獲取

2.1 常規(guī)巖石力學(xué)試驗

本研究常規(guī)巖石力學(xué)試驗以《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50266-99）為基準(zhǔn)，主要包括巖石單軸抗壓強(qiáng)度和變形試驗、巖石抗拉強(qiáng)度試驗和三軸壓縮試驗，通過對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析并按不同的巖性進(jìn)行分類匯總，獲得各組巖性的力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

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2.2 各分區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)

露天邊坡分布范圍大，各區(qū)域邊坡幾何要素、地質(zhì)構(gòu)造差異較大，因而其變形破壞模式亦有所差別。為準(zhǔn)確獲取邊坡評價信息，需對整個露天采場進(jìn)行邊坡分區(qū)，其原則是將工程地質(zhì)條件、邊坡幾何要素和邊坡面傾向基本一致的區(qū)段劃為同一區(qū)［16］。結(jié)合本研究工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，將露天邊坡分為5 個分區(qū)，編號為I～V 區(qū)?？紤]到Ⅲ、Ⅳ區(qū)域的邊坡高度大、跨度長，控制兩個分區(qū)不同區(qū)域的邊坡穩(wěn)定情況存在差異，故將Ⅲ、Ⅳ區(qū)域按照巖體工程地質(zhì)條件各分為3 個亞區(qū)，即III-1、III-2、III-3 區(qū)和IV-1、IV-2、IV-3 區(qū)。邊坡工程地質(zhì)分區(qū)結(jié)果如圖3 所示。

宏觀上來看，邊坡巖體是由巖石與結(jié)構(gòu)面構(gòu)成，由于工程巖體的強(qiáng)度在自然條件下被大大削弱，因而通過本研究巖石力學(xué)試驗獲得的力學(xué)參數(shù)需經(jīng)過一定的折減方可應(yīng)用于工程實踐。本研究采用費(fèi)辛柯法、格吉（M.Georgi）法和Hoek-Brown 法［17］綜合分析得出的Ⅳ分區(qū)計算所需的巖體力學(xué)參數(shù)如表3 所示。

3 節(jié)理參數(shù)敏感性研究

在使用摩爾-庫倫準(zhǔn)則來分析節(jié)理力學(xué)方面特性時，節(jié)理黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度、剛度的取值較為關(guān)鍵。正交試驗法基本步驟有：①使用正交表安排測試；②全面比較測試結(jié)果；③獲得最佳匹配方案；④敏感性排序［18-20］。正交試驗設(shè)計表的設(shè)計原則是均衡分散搭配，綜合比較分析試驗結(jié)果［21］。本研究運(yùn)用正交試驗法時，需不斷改變節(jié)理參數(shù)（傾角、內(nèi)摩擦角、黏聚力、抗拉強(qiáng)度和剛度），每個因素共有5 種情況，即需設(shè)計六因素五水平的正交試驗表并預(yù)留空白列，記為L25（56），采用Phase2 軟件的JFEMSSR 法對節(jié)理展開分析。具體水平參數(shù)取值及方案設(shè)計如表4所示。

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本研究采用Minitab 軟件進(jìn)行正交試驗分析時，只需輸入試驗結(jié)果便可得到方差分析數(shù)據(jù)，如表5所示。設(shè)置置信區(qū)間為95%，即顯著性水平α為0.05。

注：P＜0.01，表示影響極顯著；0.01≤P＜0.05，表示影響顯著；P≥0.05，表示影響不顯著。

方差分析法可用于進(jìn)一步估計誤差的大小，精確估計各因素在試驗結(jié)果中的貢獻(xiàn)情況。由方差分析法初步觀察P 值可知：傾角的影響極為顯著，其次為黏聚力和內(nèi)摩擦角，抗拉強(qiáng)度和剛度對其幾乎無影響。所以在節(jié)理巖質(zhì)邊坡中，采取相關(guān)措施（如疏干排水以減少對節(jié)理面的弱化作用或施加抗剪錨桿以增強(qiáng)節(jié)理面的閉合狀況同時又提供相應(yīng)的抗剪力）控制節(jié)理的內(nèi)摩擦角和黏聚力，對于邊坡穩(wěn)定性至關(guān)重要。

4 金寶鐵礦邊坡穩(wěn)定性分析

Ⅳ區(qū)邊坡位于露天采場中部南幫，屬于地質(zhì)條件相對較差的高陡邊坡，本研究選取Ⅳ-1 剖面構(gòu)建現(xiàn)狀境界邊坡的有限元節(jié)理模型，分析邊坡的破壞模式，再運(yùn)用極限平衡法分別考慮3種荷載組合下的現(xiàn)狀境界的邊坡穩(wěn)定性情況。對該剖面所建立的有限元節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模型如圖4所示，模型下部長507 m，右側(cè)高度為230 m，左側(cè)高度為380 m，模型共劃分為56 877 個單元網(wǎng)格，34 395 個節(jié)點(diǎn)，節(jié)理采用平行統(tǒng)計模型（陡傾節(jié)理傾角75°，間距負(fù)指數(shù)分布6 m，跡長對數(shù)正態(tài)分布50 m，連通率正態(tài)分布0.5；緩傾節(jié)理傾角25°，間距負(fù)指數(shù)分布6 m，跡長正態(tài)分布50 m，連通率正態(tài)分布0.5）。

該區(qū)域受控于F3斷層，其強(qiáng)度較低，潛在的滑坡模式為上部沿F3斷層滑移，下部沿緩傾結(jié)構(gòu)面從坡腳剪出破壞。根據(jù)有限元模擬計算得到開挖后邊坡的變形、應(yīng)力分布，繪制了如圖5 所示的邊坡表面位移變化曲線圖。由圖5 可知：在1 128 m 平臺F3斷層出露處為位移突變點(diǎn)，當(dāng)臨界系數(shù)為1.33 時，由于斷層的存在導(dǎo)致位移直接由0.18 cm 突變到4.47 cm，即邊坡由此處開始失穩(wěn)，從1 080 m平臺的坡腳處剪出。滑坡區(qū)的范圍略小于滑坡影響區(qū)的范圍，表明該區(qū)域邊坡的潛在危害具有很強(qiáng)的延續(xù)性，隨著距離不斷加大，邊坡的影響逐漸減弱直至消失。

根據(jù)礦山邊坡現(xiàn)狀，邊坡發(fā)生破壞將影響礦區(qū)正常生產(chǎn)，有可能造成人員重大傷亡及財產(chǎn)損失。因此，根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016—2014）規(guī)定，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)在不同的安全等級下因荷載組合的不同而不同。而邊坡設(shè)計穩(wěn)定性系數(shù)是衡量邊坡穩(wěn)定性的最終定量指標(biāo)，它與邊坡治理工作內(nèi)容的原理、方法、代表性以及各項定量參數(shù)取用、邊坡高陡程度和服務(wù)年限、工程重要等級相關(guān)。本研究選定的邊坡工程設(shè)計穩(wěn)定性系數(shù)如表6所示。

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Ⅳ-1 剖面現(xiàn)狀邊坡高度136 m，邊坡角為44°～53°。如圖6 所示，在3 種工況下，M-P 法計算結(jié)果表明，Ⅳ-1 剖面現(xiàn)狀邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)大于1.20，反映出該區(qū)域現(xiàn)狀邊坡整體雖處于穩(wěn)定狀態(tài)，但從現(xiàn)場實際調(diào)查來看，邊坡受褶皺的影響較大，區(qū)內(nèi)受斜長角閃巖、F3斷層和褶皺層面控制，局部滑塌、屈曲破壞較為突出，該區(qū)域局部組合臺階邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，安全儲備不足，建議開展治理工作清理危巖，并加強(qiáng)監(jiān)測、巡檢、安全警示等工作。

5 結(jié) 論

（1）通過現(xiàn)場地質(zhì)踏勘并由DIPS 軟件定性分析可知：新疆金寶鐵礦1 152 m 標(biāo)高處發(fā)生傾倒破壞的概率為14.86%，這一點(diǎn)與現(xiàn)場實際考察結(jié)果較為相符。

（2）由方差分析法初步觀察P 值可知：礦區(qū)節(jié)理傾角的影響極為顯著，其次為黏聚力和內(nèi)摩擦角，抗拉強(qiáng)度和剛度對其幾乎無影響。

（3）由JFEM-SSR法識別出Ⅳ-1剖面邊坡的潛在破壞模式后，經(jīng)過M-P法計算，認(rèn)為Ⅳ-1剖面現(xiàn)狀邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。