基于三維結構面網(wǎng)絡模擬的某磷礦邊坡巖體質量評價*

李再揚,王 鴻,甄明秀,李駿雄,何 旭

(1.甕福(集團)有限責任公司，貴州 貴陽 550002；2.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

0 引言

巖體質量評價對邊坡的穩(wěn)定性分析和定量評價至關重要，同時也是計算巖體物理力學參數(shù)的關鍵。巖體質量評價的核心在于對結構面性質、產(chǎn)狀的調查與統(tǒng)計分析，由于天然結構面分布的隨機性、非連續(xù)性以及延伸的不確定性等，導致結構面信息難以準確獲取[1]。

1987年，ISRM研究室指出結構面的產(chǎn)狀參數(shù)包括產(chǎn)狀、間距、粗糙度、裂隙張開度等，測量手段主要可分為接觸式測量(鉆孔技術、測線法等)和非接觸式測量(激光掃描、無人機攝影等)。詳細測線法作為一種接觸式測量法，是一種系統(tǒng)快速進行結構面測量取樣的直觀方法，對于優(yōu)勢結構面不顯著的巖體，可獲得精確的結構面產(chǎn)狀信息，但對于高陡邊坡，人力無法對高處位置進行接觸式測量，且當結構面調查區(qū)域較大時，人力成本較高。為此，大量學者研究了非接觸式測量方法，并取得了較好的應用效果，如董秀軍等[2]、白志華等[3]、蔣雅君等[4]將三維激光掃描技術成功應用于巖體質量評價中。但三維激光掃描法對于巖體表面較為平整(如預裂爆破后的坡體表面)、結構面出露凸起不顯著或與掃描視角較為接近的結構面產(chǎn)狀信息往往難以準確獲取。

為解決三維激光掃描法存在的局限性，不少學者又基于統(tǒng)計學原理發(fā)展了結構面網(wǎng)絡模擬反演法，用統(tǒng)計學的方法對有限的結構面信息進行統(tǒng)計學分析，并基于所統(tǒng)計的數(shù)字特征，構建與現(xiàn)場實際基本一致的虛擬結構面網(wǎng)絡，將抽象的、客觀存在的結構面空間位置、形態(tài)等進行可視化，可以更全面地認識、展現(xiàn)、反映巖體內部的結構特征[5-6]。王家臣等[7]、郭少文等[8]、張文等[9]、胡超等[10]的研究表明，非接觸式測量技術與結構面網(wǎng)絡模擬可以有效提高測量的精度及效率，再結合Monte-Carlo模擬法建立的裂隙結構面模型可以獲得更為全面的結構面信息[11]。

綜上，接觸式結構面測量法的測量范圍有限，而三維激光掃描法對局部相對較小尺度的結構面測量精度存在一定局限性。為此，本文結合接觸式測量準確度高和激光掃描法測量范圍廣、效率高的優(yōu)勢，以貴州某磷礦高陡巖質邊坡為評價對象，對兩種方法所測量的結構面信息進行統(tǒng)計分析，再利用統(tǒng)計結果對結構面的空間形態(tài)進行結構面網(wǎng)絡反演模擬，構建三維空間結構面網(wǎng)絡模型，使巖石質量指標(RQD)的獲取更加客觀，進而達到準確評價巖體質量的目的。

1 工程概況

貴州某露天磷礦采場南幫現(xiàn)狀邊坡開采最高標高1 392 m，最低標高1 092 m，開采深度較大，屬于高陡巖質邊坡。開挖形成時間較短，邊坡表面巖體受風化作用一般，巖體裂隙發(fā)育，構造出露清晰，節(jié)理清晰可見(見圖1)。

圖1 邊坡概貌

2 結構面調查

2.1 測線法

對露天采場南幫邊坡進行了實地踏勘，對南幫邊坡的SS-2測區(qū)及SS-3測區(qū)采用測線法調查，詳細調查長度為100.2 m，節(jié)理共174條。

在SS-2測區(qū)共測得節(jié)理96條，節(jié)理平均線密度1.75條/m，結構面幾何參數(shù)統(tǒng)計分布特征如圖2所示。由圖2可知，SS-2區(qū)以1組層理緩傾和2組陡傾結構面為主，臺階邊坡具備發(fā)生局部傾倒破壞和掉塊的可能。通過DIPS軟件分析優(yōu)勢結構面(見圖3)可知：層面B1產(chǎn)狀為310°∠8°；節(jié)理J1產(chǎn)狀為25°∠72°；節(jié)理J2產(chǎn)狀為292°∠80°。

(a)傾角分布直方圖

在SS-3測區(qū)共測得78條節(jié)理，節(jié)理線密度2.07條/m。傾角分布上呈現(xiàn)以節(jié)理為主的緩傾和以近乎垂直的陡傾結構面為主。層面B2產(chǎn)狀為287°∠8°；節(jié)理J3產(chǎn)狀為30°∠75°；節(jié)理J4產(chǎn)狀為305°∠76°。

2.2 三維激光掃描法

本次研究區(qū)域范圍廣、高差大，臺階邊坡高度24 m，測線法難以大范圍覆蓋，為此采用BLSS-PE 礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)進行測量，以獲得更為準確的巖質邊坡結構面產(chǎn)狀。

SS-2測區(qū)點云數(shù)據(jù)的優(yōu)勢結構面智能識別分組效果如圖4所示，將分組后處理得到的各組結構面產(chǎn)狀數(shù)據(jù)導入DIPS軟件擬合赤平投影得到3組結構面(見圖5)：層面B1產(chǎn)狀為272°∠17°，節(jié)理J1產(chǎn)狀為29°∠79°，節(jié)理J2產(chǎn)狀為291°∠82°。其中，層面B1作為總體邊坡的貫穿結構面，節(jié)理J1、J2作為總體邊坡的小規(guī)模結構面，共同控制總體邊坡的局部穩(wěn)定性。不難看出，該方法分析結果與測線法較為一致。同理， 在SS-3測區(qū)測得3組優(yōu)勢結構面：層面B2產(chǎn)狀為230°∠13°；節(jié)理J3產(chǎn)狀為49°∠76°；節(jié)理J4產(chǎn)狀為283°∠84°。

圖4 SS-2測區(qū)點云數(shù)據(jù)優(yōu)勢結構面智能識別分組

3 基于三維網(wǎng)絡模擬的巖體質量評價

巖體的結構面呈現(xiàn)隨機分布的特點，可通過統(tǒng)計學對其進行結構面網(wǎng)絡模擬，借助概率方法分析結構面各形態(tài)參數(shù)，進而得到巖體的RQD[12-15]。泊松圓盤模型將結構面視為圓盤，由產(chǎn)狀、隙寬、半跡長等進行表征，巖體表面與圓盤的交線即為結構面跡線。對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的傾向、隙寬、傾角、間距以及半跡長進行分組及分布擬合，并推算得到各組的體密度、圓盤半徑及產(chǎn)狀均值等模擬參數(shù)，然后在Excel 中運用Monte Carlo法進行隨機模擬[14]。將模擬結果導入CAD 生成三維網(wǎng)絡實體模型，繼而在模型中“鉆孔”(布置測線)，用“巖心柱”即被各個結構面切割后的測線估算RQD。通過沿不同方向、在不同位置布置“鉆孔”，可以得到各方向的RQD，并繪制各方向的RQD玫瑰花圖，分析RQD各向異性程度，以此為基礎建立RQD概率分布函數(shù)，求得RQD均值與標準差，綜合判定巖體的質量。

3.1 結構面參數(shù)獲取

取SS-2結構面模型區(qū)尺寸為5 m×5 m×5 m，根據(jù)統(tǒng)計分析獲得的各組結構面產(chǎn)狀及密度信息，在AutoCAD中共生成356個結構面三維實體，應用區(qū)尺寸包含于模型區(qū)內，尺寸為4 m×4 m×4 m，主滑方位角為305°。實體模型圖、主滑平面的網(wǎng)絡圖(見圖6、圖7)為被模擬的整個節(jié)理巖體的一小部分[15]。同理，取SS-3結構面網(wǎng)絡模型，獲得主滑方位角為340°。

圖6 SS-2測區(qū)三維

圖7 SS-2測區(qū)主滑實體模型平面網(wǎng)絡圖

3.2 RQD的精確獲取

以15°為間隔在SS-2測區(qū)網(wǎng)絡模型中模擬12個鉆孔虛擬巖心(見圖8)，并統(tǒng)計各個鉆孔中長度大于10 cm的巖心占總鉆進長度的百分比，從而得到各個方向的RQD，并將其繪制成RQD玫瑰花圖(見圖9)，將各個方向上的RQD進行加權算術平均得到該區(qū)域RQD的均值為50.208%。同理，在SS-3網(wǎng)絡模型圖中計算得到該區(qū)域RQD的均值為71.341%。

圖8 SS-2測區(qū)主滑 平面鉆孔布置

圖9 SS-2測區(qū)主滑平面RQD玫瑰花圖

3.3 巖體質量評價

根據(jù)模擬計算結果，該露天礦南幫邊坡巖石的RQD見表1。根據(jù)RQD巖體工程分類方法，整個南幫邊坡巖體質量均為“一般”(RQD在50%～75%為一般)。但具體來看，SS-2分區(qū)在區(qū)間下限，接近“差”，而SS-3分區(qū)則在上限，接近“好”。由此說明，南幫邊坡巖體質量整體“一般”，且具有“上差下好”的特點。

表1 邊坡巖石的RQD計算結果

4 結論

a.采用測線法與三維激光掃描法獲得的巖體優(yōu)勢結構面產(chǎn)狀結果基本一致，三維激光掃描法所采集到的結構面信息可作為三維結構面網(wǎng)絡模擬的基礎數(shù)據(jù)，兩種方法相互結合，可以大大提高獲取野外結構面信息的效率和準確度。

b.三維結構面網(wǎng)絡模擬法能夠考慮巖體RQD的各向異性，同時可以準確計算主滑方向上對應的RQD，對各分區(qū)邊坡的RQD表征更加客觀、真實，彌補了傳統(tǒng)方法的不足，使得巖體質量評價結果更為準確。