浙東南火山巖礦山邊坡整體變形破壞機制及穩(wěn)定性研究

鄭東華，劉 吉，胡 斌

（1.浙江省第十一地質大隊，浙江 溫州 325006；2.四川省水利工程建設質量與安全中心站，四川 成都 610017）

我國東南沿海地區(qū)經濟發(fā)達，工業(yè)、交通等基礎設施建設對建筑石料的需求量十分巨大，今后數(shù)年，以火山巖為主的建筑石料露天礦山邊坡數(shù)量十分龐大。不同于公路、鐵路及市政等進行支護的永久性邊坡[1-3]，礦山邊坡普遍為不進行支護的臨時性邊坡[4]，崩塌、滑坡等地質災害發(fā)生概率更大[5-6]，邊坡穩(wěn)定性及其管理問題將越來越突出，制約著礦產資源的安全、高效開發(fā)。

近年來，針對露天非金屬礦山邊坡變形破壞模式和穩(wěn)定性評價的研究較多[7-13]。以上研究均是從宏觀上總結礦山邊坡的變形破壞模式，并未區(qū)分變形破壞規(guī)模，對邊坡局部破壞和整體破壞特點及其處置方式的差異性缺乏深入研究，沒有按照礦山邊坡尺度規(guī)模特征進行穩(wěn)定性評價。為此，以浙江溫州市某海島火山巖露天礦山邊坡為研究對象，在全面調查礦山邊坡巖體結構特征和變形破壞特征基礎上，結合監(jiān)測成果和三維數(shù)值模擬結果，詳細分析了邊坡變形破壞機制與發(fā)展趨勢，總結了此類邊坡整體變形破壞與穩(wěn)定性規(guī)律，為東南沿海地區(qū)火山巖露天礦山地質災害評估、終了邊坡設計與治理提供借鑒。

1 邊坡概況

1.1 地質條件

邊坡區(qū)主要出露強～中風化燕山晚期鉀長花崗巖（ξγ53），呈淺肉色－淺肉紅色，細?；◢徑Y構和顯微文象結構，塊狀構造，巖石平均抗壓強度143.0 MPa。區(qū)內未見斷層、夾層和脈巖，發(fā)育北東東、北東、北西、近南北向四組節(jié)理。區(qū)內地下水類型主要為基巖裂隙水，透水性差，水量貧乏。

邊坡區(qū)域發(fā)育的4 組裂隙參數(shù)如下：

1）裂隙Ⅰ。產狀320°～350°∠51°～88°，間距0.1～0.6 m，延伸長度5.0 m～10.0 m。

2）裂隙Ⅱ。產狀40°～60°∠61°～79°，間距0.2～1.0 m，延伸長度10.0 m。

3）裂隙Ⅲ。產狀110°～135°∠50°～73°，間距0.2～0.8 m，延伸長度5.0～10.0 m。

4）裂隙Ⅳ。產狀250°～280°∠62°～84°，間距0.25～0.5 m，延伸長度3.5 m～10.0 m。

1.2 邊坡形態(tài)和變形破壞特征

最終邊坡總體傾向333°，臺階坡面傾角60°，最終邊坡角40°～50°，平臺寬度4.0～6.0 m，臺階高度為15.0 m，當前坡底高程為＋70.0 m，坡頂最大高程為＋150.0 m。

邊坡在2021 年至2022 年已發(fā)生過多次坍塌與滑坡，以2022 年7 月＋85.0 m 水平平臺以上的滑坡變形范圍最大。滑坡平面總體形態(tài)呈扇形。后緣寬20.0～30.0 m，前緣寬85.0～90.0 m，縱向水平長度55.0～60.0 m，后緣高程＋140.0～＋144.0 m，前緣剪出口高程＋82.0～＋85.0 m，西側界限較為明顯，與邊坡近垂直，裂縫方向與裂隙Ⅱ走向基本一致。初步估算滑體厚度5.0～17.0 m，體積9.5×104m3。

滑坡后緣以張拉裂縫為主，裂縫最大張開寬度0.8～1.0 m，可見深度超過2.0 m，后緣裂縫與西側緣裂縫近垂直相交，裂縫方向與裂隙Ⅰ走向基本一致。在145.0 m 高程附近，后緣裂縫呈“之”字型向東發(fā)展，并從張拉變形為主演變?yōu)橐韵洛e剪切變形為主，最大下錯量達到1.7 m，后緣東側緣滑壁可見明顯斜向擦痕，滑壁面產狀295°∠50°。

2 邊坡變形監(jiān)測

在滑坡體＋115.0 m 高程以上坡面布置7 個地表變形監(jiān)測點，其中J1、J2位于滑坡后緣原始邊坡，J3～J7位于滑坡體。取2022 年7 月22 日至8 月16 日的監(jiān)測數(shù)據(jù)（監(jiān)測期間未降雨）進行邊坡變形特征分析。監(jiān)測點水平位移速率隨時間變化特征如圖1，監(jiān)測點沉降速率隨時間變化特征如圖2，監(jiān)測點變形方向隨時間變化特征如圖3。

圖1 監(jiān)測點水平位移速率—時間變化曲線

圖2 監(jiān)測點沉降速率—時間變化曲線

圖3 監(jiān)測點變形方向—時間變化曲線

1）水平變形特征。由圖1 可知：J1、J2監(jiān)測點開始階段位移變化較大，說明后緣邊坡在滑坡滑動后出現(xiàn)臨空，坡體應力開始調整，隨著時間推移，應力調整完成，后緣邊坡變形趨于穩(wěn)定，變形速率趨于0；J3～J7監(jiān)測點位于滑坡體上，x 方向上變形速率較大，大部分超過5.0 mm/d，隨后逐漸降至3.0～5.0 mm/d；y 方向開始階段變形速率達到15.0 mm/d，并逐漸降至5.0 mm/d 以下，之后基本穩(wěn)定在2.0～3.0 mm/d。

2）沉降變形特征。由圖2 可知：J1、J2監(jiān)測點開始階段沉降變化較大，隨著時間推移，沉降變形逐漸趨于零；J3～J7監(jiān)測點在前期呈加速趨勢，至7 月29 日變形速率最大，可達15.0～20.0 mm/d，之后變形速率逐步降至5.0 mm/d 以內。

3）變形方向特征。由圖3 可知：J1、J2監(jiān)測點處于穩(wěn)定后緣邊坡上，水平位移和垂直位移變形方向規(guī)律性不強；J3～J7監(jiān)測點水平位移變形方向都趨于一致，方向角平均值為342°，垂直位移變形方向也都趨于穩(wěn)定，變形傾角在38°～52°，平均值為45°。

3 數(shù)值模擬

為進一步驗證開挖邊坡變形破壞模式，利用離散元程序（3DEC）建立邊坡三維數(shù)值模型對邊坡變形情況進行模擬。

3.1 模型和參數(shù)

模擬范圍為變形破壞邊界外25.0～30.0 m，平面130.0 m×160.0 m，底高程＋60.0 m，最大高程＋150.0 m。實際邊坡形態(tài)復雜，為便于計算，將邊坡簡化為強～中風化巖體，巖體受4 組裂隙切割。計算模型采用摩爾—庫倫彈塑性模型[14]。同時，在邊坡表面沿主變形方向設置1 條監(jiān)測斷面，從坡頂向坡腳等間隔布置6 個位移監(jiān)測點。

根據(jù)前期勘察成果和現(xiàn)場調查數(shù)據(jù)，結合地區(qū)經驗，邊坡巖體與結構面力學參數(shù)如下：

1）強～弱風化花崗巖。具體參數(shù)為：彈性模量10.8 GPa；泊松比0.32；密度2 550 kg/m3；黏聚力150 kPa；內摩擦角32°。

2）結構面。具體參數(shù)為：切向剛度0.75 MPa/mm；法向剛度1.7 MPa/mm；黏聚力26 kPa；內摩擦角28°。

3.2 模擬結果

根據(jù)模擬過程分析，2 000 計算時步后最大不平衡力趨于穩(wěn)定，5 000 計算時步后位移趨于穩(wěn)定，因此，變形云圖分析取2 000 計算時步數(shù)據(jù)，變形監(jiān)測點取5 000 計算時步數(shù)據(jù)。邊坡水平x、y 方向與垂直z 方向位移場分布情況如圖4，邊坡監(jiān)測點變形水平方向角（與N 方向夾角）及位移傾角隨計算時步變化曲線如圖5。

圖4 邊坡位移云圖

圖5 監(jiān)測點變形方向—計算時步變化曲線

1）位移場分布規(guī)律。從各云圖變形量來看：開挖邊坡中上部變形量相對較大，模擬區(qū)東側凸出部位（也即主滑體部分）變形量最大，且受坡面大角度相交的裂隙Ⅱ切割控制，裂隙兩側巖體變形不一致，出現(xiàn)順坡向的位移差，表現(xiàn)為云圖呈錯斷狀的不連續(xù)，這與實際邊坡東側垂直坡面存在明顯的滑坡側緣情況相符。從各云圖變形位置來看：邊坡下部的水平方向變形量較邊坡上部大，而垂直方向的變形量則剛好相反。

2）變形方向規(guī)律。從曲線圖5（a）可以看出，除2＃監(jiān)測點外，邊坡其余監(jiān)測點總體變形方向為333°～350°，平均值343°。從曲線圖5（b）可以看出:1＃、2＃監(jiān)測點位于邊坡上部，變形以垂直方向為主，傾角較大，而邊坡中下部以水平變形為主，3?！?＃監(jiān)測點變形傾角最終趨于43°。

4 變形破壞機制

大量研究表明[15-19]，巖土體強度、節(jié)理裂隙發(fā)育特征是邊坡變形的內因，人工開挖是導致邊坡變形的外因，也是邊坡破壞的最直接原因。通過對研究區(qū)邊坡巖土體物理力學性質、節(jié)理裂隙發(fā)育情況和地表變形監(jiān)測成果的深入分析，結合數(shù)值模擬結果，認為露天礦山邊坡的整體變形破壞受區(qū)域主要結構面產出狀態(tài)控制，邊坡凸出部位臨空面較多，是邊坡穩(wěn)定性的薄弱點。

從邊坡變形情況分析，研究區(qū)發(fā)育的4 組裂隙將礦山巖體切割成大小不一的松散巖塊，裂隙面與邊坡開挖面的不利組合（組合面或者組合線外傾坡面）使得巖塊在自重力的作用下發(fā)生向坡外的變形，裂隙Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ的組合均指向坡外，方向320°～360°/0°～20°，交線傾角20°～50°，水平與垂直變形方向與不利結構面或其組合基本一致，成為邊坡變形的控制性結構面。

邊坡平面線形對整體穩(wěn)定性也有不可忽略的影響。邊坡線形變化愈大，則與結構面的組合關系愈多，產生不利結構面的機會相應增大。研究區(qū)東側部分明顯凸出于整體坡面，呈圓弧狀，邊坡臨空面顯著增加，因此成為滑坡變形的主體，數(shù)值模擬也顯示該部分位移量最大。

5 結語

1）現(xiàn)場調查顯示，研究區(qū)邊坡受＋85 m 高程以下未完全開挖較完整新鮮巖體限制，變形破壞僅僅發(fā)生在該高程以上。地表變形監(jiān)測結果表明，隨時間推移，邊坡變形速率逐漸減緩，各個監(jiān)測點水平變形方向與垂直變形傾角都將趨于一致，且與邊坡巖體中主要結構面的產狀有密切關系。

2）離散元法充分考慮節(jié)理巖體的不連續(xù)性，對多裂隙巖體是較理想的數(shù)值計算方法，分析火山巖露天礦山邊坡整體變形特征與穩(wěn)定性方面優(yōu)勢明顯。數(shù)值模擬結果表明，研究區(qū)邊坡受坡底完整巖體阻擋，變形從坡頂?shù)拇怪弊冃螢橹鳎饾u向坡底過度為水平變形為主，變形方向與實際監(jiān)測結果吻合。

3）節(jié)理裂隙發(fā)育的露天礦山邊坡整體穩(wěn)定性受區(qū)域主要結構面產出狀態(tài)控制，邊坡變形破壞通常以切割邊坡的多組裂隙面為邊界。其中，與坡面大角度相交的裂隙多演化為變形側邊界，與坡面小角度相交、傾向坡外的裂隙面或其組合則演化為變形底邊界。

4）邊坡凸出部位臨空面較多，是邊坡穩(wěn)定性的薄弱點。在礦山邊坡設計中應盡量減少邊坡平面線形的變化，降低不利結構面形成的概率，從而增強邊坡整體穩(wěn)定性。