北廠—架崖山東部露天采場(chǎng)正交結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性分析

李燕飛

（云南金鼎鋅業(yè)有限公司，云南 蘭坪 671400）

目前大部分研究集中于單組節(jié)理或結(jié)構(gòu)面切割巖體，而對(duì)多組結(jié)構(gòu)面切割形成的巖體結(jié)構(gòu)鮮有研究，甚至沒有。但在工程巖體中多組結(jié)構(gòu)面切割巖體卻已屢見不鮮，尤其正交結(jié)構(gòu)巖體，不同巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯然不同，滑移模式亦不盡相同。因此本文將對(duì)兩組結(jié)構(gòu)面切割形成的正交結(jié)構(gòu)巖體展開分析，對(duì)正交結(jié)構(gòu)面切割巖體穩(wěn)定性及變形破壞模式進(jìn)行探討，并以北廠-架崖山東部正交結(jié)構(gòu)巖體為例，研究考慮正交結(jié)構(gòu)面切割巖體帶來的穩(wěn)定性問題，從而為類似邊坡的失穩(wěn)模式判別及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)。

1 邊坡巖體結(jié)構(gòu)面切割特征

1.1 北廠-架崖山東部露天采場(chǎng)開采現(xiàn)狀

北廠-架崖山礦段露天采場(chǎng)目前形成山坡+凹陷采場(chǎng)，北廠礦段露天采場(chǎng)最低開采標(biāo)高2552m，最高開采2748m，最大高差196m，作業(yè)臺(tái)階標(biāo)高12m，平臺(tái)寬4m～20m，封閉圈標(biāo)高2576m，凹陷露天采深24m，邊坡坡面角15°～30°。架崖山礦段露天采場(chǎng)最低開采標(biāo)高2636m，最高開采2748m，最大高差112m，作業(yè)臺(tái)階標(biāo)高12m，平臺(tái)寬4m～18m，封閉圈標(biāo)高2672m，凹陷露天采深36m，邊坡坡面角20°～28°。東部采場(chǎng)邊坡坡面角設(shè)計(jì)為38°。

1.2 結(jié)構(gòu)面正交切割特征

礦段北東幫屬多層結(jié)構(gòu)的切層（或反向）坡；基本由外來系統(tǒng)地層組成；巖體結(jié)構(gòu)面具多期、多方向性特征；主要結(jié)構(gòu)體形式為碎塊狀、塊狀，塊度在0.02m～0.5m間，多為碎裂散體結(jié)構(gòu)軟、較軟～半堅(jiān)硬巖巖體，巖體力學(xué)強(qiáng)度普遍較低。露采開挖，破壞了巖體原來的應(yīng)力狀態(tài)，引起應(yīng)力重分布，產(chǎn)生應(yīng)力不均勻釋放；由于坡體基座軟-較軟弱巖層較厚，易在坡腳形成應(yīng)力集中帶，造成塑流變形，向臨空區(qū)擠出；在坡頂一定范圍產(chǎn)生拉張松動(dòng)變形，形成平行坡口線的卸荷張拉裂隙，產(chǎn)生中、小型崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的可能性較大。

東采場(chǎng)邊坡屬多層結(jié)構(gòu)切層的正交結(jié)構(gòu)邊坡，地層巖層層間結(jié)合性差，同時(shí)多條斷裂交匯，斷裂集中，易造成應(yīng)力集中，開采中易導(dǎo)致邊坡發(fā)生崩塌和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的可能。

2 不同邊坡層理結(jié)構(gòu)形式及破壞模式分析

2.1 層狀邊坡破壞模式

正交結(jié)構(gòu)邊坡主要由順傾結(jié)構(gòu)面和逆傾結(jié)構(gòu)面切割邊坡體產(chǎn)生，使得巖體被切割成矩形、菱形等四邊形形狀。然大多數(shù)僅討論順傾結(jié)構(gòu)體邊坡或逆傾結(jié)構(gòu)體邊坡，對(duì)順、逆傾共同作用下的邊坡穩(wěn)定性并未做分析。Hoek和Bray于1977年詳細(xì)介紹了Goodman和Bray提出的邊坡傾倒穩(wěn)定分析方法。該分析方法認(rèn)為邊坡存在三種狀態(tài)：①穩(wěn)定；②傾倒破壞；③滑動(dòng)破壞，并將滑坡體分為穩(wěn)定區(qū)、傾到區(qū)、滑動(dòng)區(qū)三部分。不同巖體巖層結(jié)構(gòu)巖體破壞模式不同，當(dāng)層理結(jié)構(gòu)傾角越接近90°越易發(fā)生傾倒破壞；于順傾結(jié)構(gòu)邊坡，當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角小于邊坡角時(shí)發(fā)生順層滑移，當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角大于邊坡角時(shí)則發(fā)生潰屈+傾倒破壞；于逆傾結(jié)構(gòu)邊坡，隨結(jié)構(gòu)面傾角增加邊坡破壞逐漸由沿坡趾剪出向傾倒破壞發(fā)展為主導(dǎo)，表明順層滑移主要發(fā)生于順傾結(jié)構(gòu)邊坡，傾倒破壞則主要發(fā)生于逆傾結(jié)構(gòu)邊坡。

2.2 正交結(jié)構(gòu)邊坡破壞模式

正交結(jié)構(gòu)邊坡破壞具有單一結(jié)構(gòu)面切割產(chǎn)生的雙重破壞特征。即在結(jié)構(gòu)面傾角均較小時(shí)，邊坡破壞以順傾結(jié)構(gòu)面破壞為主，隨著正交結(jié)構(gòu)面傾角的增加邊坡變形出現(xiàn)潰屈和沿坡趾剪出現(xiàn)象；當(dāng)正交結(jié)構(gòu)面傾角與邊坡傾角相等時(shí)，則以潰屈破壞為主，但仍保留部分沿坡趾剪出的特征；當(dāng)繼續(xù)增加結(jié)構(gòu)面切割傾角時(shí)，邊坡破壞則以傾倒破壞為主，潰屈現(xiàn)象不明顯；當(dāng)正交結(jié)構(gòu)面傾角均增加至臨近90°時(shí)，邊坡破壞仍以傾倒失穩(wěn)為主，相較于順傾陡結(jié)構(gòu)面潰屈現(xiàn)象明顯減弱，傾倒破壞更加顯著，說明逆傾結(jié)構(gòu)面的存在促進(jìn)了邊坡巖體的傾倒破壞，順傾結(jié)構(gòu)面則促進(jìn)了順層滑移破壞。從整體來看，邊坡失穩(wěn)仍以順傾切割結(jié)構(gòu)破壞特征為主導(dǎo)，側(cè)面說明順傾結(jié)構(gòu)邊坡更加危險(xiǎn)，這與許多工程實(shí)際相符合。

3 工程實(shí)例分析

3.1 數(shù)值計(jì)算

為分析北廠-架崖山東部采場(chǎng)正交結(jié)構(gòu)邊坡的穩(wěn)定性及失穩(wěn)破壞模式，選取東部邊坡典型代表性剖面進(jìn)行計(jì)算分析。邊坡巖體力學(xué)參數(shù)依據(jù)工勘地質(zhì)報(bào)告及室內(nèi)試驗(yàn)確定，選取值見表1。分別采用強(qiáng)度折減法對(duì)該巖體結(jié)構(gòu)面為20°，40°，60°以及80°進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)不考慮結(jié)構(gòu)面切割影響的邊坡模型進(jìn)行極限平衡法和強(qiáng)度折減法對(duì)比分析，旨在探討正交結(jié)構(gòu)邊坡變形破壞模式及穩(wěn)定性情況。其中石英砂巖層受結(jié)構(gòu)面切割嚴(yán)重，形成碎裂正交切割巖體，巖體穩(wěn)定較差。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)表

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

為準(zhǔn)確把握該邊坡正交結(jié)構(gòu)巖體帶來的影響，按兩種方案進(jìn)行計(jì)算，方案一不考慮結(jié)構(gòu)面切割分別用極限平衡法、強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算；方案二考慮結(jié)構(gòu)面切割用強(qiáng)度折減法計(jì)算20°、40°、60°、80°時(shí)最大剪應(yīng)變結(jié)果。

表2 不同方案下安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

從表2的計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)不考慮結(jié)構(gòu)面切割影響時(shí)（方案一），兩種計(jì)算結(jié)果均顯示該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，安全儲(chǔ)備足夠充分，從強(qiáng)度折減計(jì)算結(jié)果（Fs=1.50）顯示北廠-架崖山東部邊坡結(jié)構(gòu)仍有優(yōu)化空間。但從其潛在滑移面位置則顯示強(qiáng)度折減法計(jì)算所得滑移面位置較極限平衡法深，及潛在滑移體量較大；而潛在滑移體剪出位置強(qiáng)度折減法略高于極限平衡法，這是由于極限平衡法需先預(yù)測(cè)滑移位置所致。

考慮結(jié)構(gòu)面切割計(jì)算結(jié)果顯示：當(dāng)石英砂巖受不同傾角結(jié)構(gòu)面影響時(shí)，其穩(wěn)定性亦不盡相同，滑移面位置、滑移面形態(tài)均有所差異。從安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果來看，當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角接近邊坡角（38°）時(shí)，邊坡穩(wěn)定性最差(Fs=1.29)，這與上述失穩(wěn)模式分析結(jié)果一致，與極限平衡法計(jì)算不考慮結(jié)構(gòu)面影響結(jié)果（(Fs=1.284）較為接近，亦是強(qiáng)度折減法考慮正交結(jié)構(gòu)面傾角時(shí)的最小安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果。而當(dāng)正交結(jié)構(gòu)面傾角為80°時(shí)，邊坡潛在失穩(wěn)模式轉(zhuǎn)為傾倒破壞，邊坡頂部受到水平張拉作用，產(chǎn)生張拉裂縫。

3.3 正交結(jié)構(gòu)面巖體加固防護(hù)措施及建議

正交結(jié)構(gòu)面切割巖體破碎，呈碎塊狀，開爆破時(shí)易落浮石、滾石等，且爆破震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)面的張拉作用會(huì)導(dǎo)致正交結(jié)構(gòu)巖體抗剪、抗拉能力減弱，對(duì)邊坡的影響巨大，為此根據(jù)本文分析給出以下幾條防護(hù)措施及建議：

（1）及時(shí)清除表層浮石，加強(qiáng)邊坡維護(hù)管理。

（2）加強(qiáng)該區(qū)域的防水、防滲管理。

（3）加強(qiáng)爆破震動(dòng)控制，合理設(shè)計(jì)爆破參數(shù)，盡量減少爆破對(duì)該巖層的影響。

4 結(jié)論

（1）正交結(jié)構(gòu)邊坡失穩(wěn)受順傾結(jié)構(gòu)面主導(dǎo)，逆傾結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡的失穩(wěn)具有一定抑制作用，但邊坡穩(wěn)定性均低于逆傾結(jié)構(gòu)面。

（2）考慮正交結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度折減計(jì)算方法安全系數(shù)均高于不考慮正交結(jié)構(gòu)面的極限平衡法，一定程度上表明極限平衡法對(duì)正交結(jié)構(gòu)面邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)相對(duì)保守，但與正交結(jié)構(gòu)邊坡最危險(xiǎn)時(shí)計(jì)算結(jié)果接近，選用極限平衡法評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)面傾角與邊坡角相近巖質(zhì)邊坡時(shí)較為合理。

（3）正交結(jié)構(gòu)邊坡同時(shí)具有與單一結(jié)構(gòu)面切割邊坡一致的失穩(wěn)破壞特征，因此分析正交結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性時(shí)對(duì)比單一結(jié)構(gòu)面影響下的失穩(wěn)情況更具有可靠性。