露天礦邊坡淺層滑面無損探測技術研究及應用

孫光林 胡江春 邊亞東 陶志剛 梁明星

(1.中原工學院建筑工程學院,河南 鄭州 450007；2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,北京 100083；3.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京 100083)

一般地，對斷層、空洞等地質缺陷的探測方法主要有：

(1)有損探測。如鉆探，雖然該方法操作方便，結果直觀，卻破壞了圍巖的整體穩(wěn)定性，效率低，成本高。

(2)無損探測[1-2]。激光探測法，只能探測表面現(xiàn)象，不能判斷內在情況；電磁法，探測距離一般在30 m以內，精度高，能方便快捷地實現(xiàn)對短距離探測目標的預測[3]；地震波法，探測距離一般為50～100 m，精度不如電磁法；地表電法，對小構造探測效果較差[4]；直流電阻率法，其應用仍需進一步研究[5]。

地質雷達可確定斷層的位置、走向、傾向、傾角產狀和落差[6]，在以下幾個方面得到了廣泛應用：

(1)隧道。如康富中等[7]在不影響隧道正常運轉情況下，采用地質雷達對昆侖山隧道病害狀況進行了無損探測，為隧道的病害治理提供了可靠依據(jù)。郭亮等[8]將LTD-2100地質雷達用于順層地質偏壓隧道圍巖松動圈的確定，結果表明地質雷達在圍巖松動圈探測中是可行的。喻軍等[9]在隧道初內襯質量檢測方面做了一定研究工作。楊艷青等[10]應用地質雷達對鐵路隧道整體式襯砌試件進行了非接觸檢測模擬實驗，研究了不同檢測距離與地質雷達掃描圖像質量、精度之間的相互關系。徐坤等[11]運用地質雷達與數(shù)值模擬相結合的方法對隧道的安全性進行了綜合評價。

(2)煤礦井工開采。如宋勁等[12]采用防爆地質雷達對采煤工作面隱伏鉆桿進行了超前探測定位，在陽泉礦區(qū)獲得了較好的應用效果。

(3)露天開采。有學者探索利用地質雷達技術研究露天礦滑坡體內部潛在地質缺陷情況，如王永強等[13]運用地質雷達對露天礦山邊坡進行了實地探測，對獲得的圖像進行了分析解釋，證實了雷達探測結果與滑坡體地表出露特征一致。另外，地質雷達具有移動方便的優(yōu)點，其探測結果還能為全站儀、GPS建站選址提供科學參考。

本文以南芬露天鐵礦334 m平臺、346 m平臺和370 m平臺為研究對象，運用地質雷達無損探測技術方法，探查了該區(qū)域地質構造及缺陷發(fā)育情況，分析了潛在滑動面分布特征，利用數(shù)值模擬方法研究了探測區(qū)域邊坡穩(wěn)定性情況，為南芬露天礦邊坡災害防治提供了可參考的基礎資料。

1 地質雷達探測機理

由于不同介質介電系數(shù)不同，所以電磁波在不同介質中的傳播速度、折射、反射情況也有所不同。

由上式可知，當所探測區(qū)域介質界面越多、結構越破碎、組分越復雜時，地質雷達所發(fā)射的電磁波被反射和折射的次數(shù)越多，接收天線所接收到的電磁波也越分散，在探測剖面圖中波形表現(xiàn)得也就越復雜；反之，當所探測區(qū)域界面越少、結構越單一、組分越簡單時，地質雷達所發(fā)射的電磁波被反射和折射的次數(shù)越少，接收天線所接收到的電磁波也越集中，在探測剖面圖中波形表現(xiàn)得也就越整齊。因此，地質雷達在空洞、斷層、破碎帶等地質病態(tài)嚴重地區(qū)探測波形尤其復雜。

2 地質雷達在邊坡探測中的應用

2.1 南芬露天礦探測區(qū)域情況分析

南芬露天礦礦層頂板圍巖為云母石英片巖和綠泥片巖，上部出露大面積的混合花崗巖。礦層底板為石英綠泥片巖、綠簾角閃片巖，下部為二云母石英片巖和二云母長石石英片巖。采場下盤334 m平臺到370 m平臺區(qū)域深10 m范圍內以綠泥角閃巖為主，370 m平臺屬于老滑體范圍，歷史上曾發(fā)生多次不同規(guī)模的滑坡災害，該區(qū)域表面巖體較為松散、破碎，穩(wěn)定性較低。

由于露天礦邊坡各組分介質參數(shù)存在差異(表1)，尤其在具有裂隙、滑動面特征區(qū)域，地質雷達電磁波反射較強，因此采用地質雷達進行探測是可行的。

表1 露天礦邊坡主要相關介質參數(shù)Table 1 Main medium parameters of open pit mine slope

2.2 地質雷達探測儀器及探測方案

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用GR-IV型地質雷達，選用200 MHz低頻屏蔽天線，地面耦合方式。時間窗為220 ns，探測標記點間隔距離為10 m，有效探測深度為10 m，天線中心通過標記點時進行標記定位。露天礦采場下盤邊坡由下至上共布置3條測線(表2)，平面布置圖如圖1所示，每個臺階各輸出1幅剖面圖。

表2 南芬露天礦采場下盤各測線位置及參數(shù)Table 2 Line location and parametersin the footwall of Nanfen open pit

圖1 測線布置Fig.1 Line layout diagram

3 探測結果及分析

3.1 334 m平臺探測結果及分析

334 m平臺探測剖面圖見圖2。圖2表明，地表1 m范圍內均出現(xiàn)顯著破碎帶，該破碎帶為修筑簡易道路時鋪設的路基和路面碎石。K0～K5區(qū)間，破碎帶底板埋深從7 m過渡到6 m，長約50 m，過渡界限清晰，呈階梯狀。K4附近出現(xiàn)明顯異常區(qū)，異常區(qū)底板埋深約9 m，寬約3 m，勘查發(fā)現(xiàn)K4標記點西側有明顯裂縫。K5～K14區(qū)間，破碎帶底板界限模糊，出現(xiàn)5處破碎異常區(qū)。K6附近破碎區(qū)高差約5 m，寬約2 m；K8～K9區(qū)間破碎異常區(qū)高差約5 m，寬約3 m；K10～K11區(qū)間，破碎異常區(qū)高差約10 m，寬約3 m；K12～K13區(qū)間，破碎異常區(qū)高差約8 m，寬約4 m。現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)K7標記點兩側有水洼，K10標記點附近地表裂縫發(fā)育，K12～K14標記點附近發(fā)育多條裂縫。

圖2 334 m平臺探測剖面示意Fig.2 334 m platform detection section

因此，K0～K5區(qū)間破碎帶界限較清晰，巖體較完整，自穩(wěn)定性好。K5～K14區(qū)間內巖體較為破碎，且地表裂縫發(fā)育，出現(xiàn)明顯裂縫群，基本貫穿整個平臺。

3.2 346 m平臺探測結果及分析

346 m平臺探測剖面圖見圖3。圖3表明，地表1 m范圍內均出現(xiàn)顯著破碎帶，該破碎帶為修筑簡易道路時鋪設的路基和路面碎石。K0～K6區(qū)間，破碎區(qū)呈條帶狀分布，底板埋深9 m，頂板埋深6 m，厚度約3 m，破碎區(qū)長約60 m，界限清晰，中間無缺失；K3～K4區(qū)間，出現(xiàn)1個長約15 m，厚度約3 m的破碎區(qū)。現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)K4標記點西側有水洼，因此可判斷該區(qū)域受到積水的影響而產生異常。

圖3 346 m平臺探測剖面示意Fig.3 346 m platform detection section

因此，346 m平臺探測范圍內邊坡巖體較為破碎，破碎帶平均厚度約3 m，發(fā)育于地表下6～10 m處，對邊坡穩(wěn)定性影響較大，一旦該區(qū)域頂板隔水層被雨水或裂隙水貫通，以綠泥角閃巖為主的邊坡巖體強度急劇下降，易引發(fā)局部邊坡滑塌災害。

3.3 370 m平臺探測結果及分析

370 m平臺探測剖面圖見圖4。圖4表明，地表1.5 m范圍內均出現(xiàn)顯著破碎帶，該破碎帶為修筑簡易道路時鋪設的路基和路面碎石。K0～K11區(qū)間，破碎區(qū)呈條帶狀分布，底板埋深9 m，頂板埋深5 m，厚度約4 m，界限清晰，破碎區(qū)長度約110 m，中間無缺失。破碎帶上方4 m范圍內為完整巖體，巖體內基本不存在異常反應區(qū)；K11～K13區(qū)間，出現(xiàn)一長約20 m區(qū)域，該區(qū)域巖體完整，無任何異常反應，該區(qū)域的出現(xiàn)，打斷了破碎帶的延伸，破碎帶在該處尖滅；K13～K16區(qū)間，條帶狀破碎區(qū)繼續(xù)出現(xiàn)，底板埋深9 m，頂板埋深6 m，厚度約3 m，界限清晰，破碎區(qū)長度約30 m，中間無缺失，于K16標記點處尖滅；K6、K8、K11、K12、K17標記點處，出現(xiàn)了垂向條帶狀異常區(qū)。其中，K6處異常區(qū)寬約4 m，高約9 m，現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，K7標記點東側有水洼，由于K6裂隙異常區(qū)的出現(xiàn)，推斷地表水已經沿著9 m深的裂隙影響到下部巖體強度；K8處異常區(qū)寬約1 m，高約4 m，地表裂縫不明顯；K11～K12區(qū)間出現(xiàn)多條明顯異常區(qū)，現(xiàn)場勘查可以判斷此異常區(qū)為裂縫異常，多條裂縫組成了裂縫群，裂縫平均深度3 m，寬約1 m，裂縫在地表3 m下尖滅，因此不會對深部巖體產生影響；K17標記點處出現(xiàn)1條寬約2 m，高約9 m的異常區(qū)，根據(jù)現(xiàn)場記錄可以判斷K16點東側有明顯寬裂縫，對照剖面圖可以確定該裂縫已經從地表貫穿巖體發(fā)育到9 m深處尖滅。該裂縫對巖體起到切割破壞作用，地表裂縫兩側出現(xiàn)明顯落差，有繼續(xù)滑移危險。

圖4 370 m平臺探測剖面示意Fig.4 370 m platform detection section

4 探測邊坡區(qū)域穩(wěn)定性分析

4.1 邊坡潛在滑面分析

通過對南芬露天鐵礦334、346、370 m平臺的地質雷達物探，獲得了采場中部310～370 m平臺邊坡破碎帶以條帶狀分布為主。根據(jù)地質雷達物探測線分布特征和邊坡地形地貌特征，剖分出1條典型剖面線(圖1中1-1′)，按照每個平臺相應測點的探測信息繪制出相應剖線的剖面圖，經過剖面圖可以判斷出不同區(qū)域潛在滑動面和破碎帶埋深條件和分布特征。剖面1-1′(圖5)按照334 m、346 m和370 m平臺物探數(shù)據(jù)繪制，其中，334 m平臺埋深為0～2 m，346 m平臺埋深為6～10 m，370 m平臺埋深為6～9 m。

圖5 1-1′ 剖面1-1′滑體及破碎帶示意Fig.5 1-1'section landside mass and fracture zone

同時，在334、346、370 m平臺沿剖面1-1′分別布設B334、B346和B370 3個位置對巖土體性質進行現(xiàn)場鉆探測試，檢測結果見表3。

表3 鉆探檢測結果表Table 3 Drilling test results

由表3可知，地質雷達探測結果與現(xiàn)場鉆探結果一致，南芬露天鐵礦采場下盤邊坡潛在滑動面埋深較淺，具有淺層滑坡危險。

4.2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)現(xiàn)場工程地質條件，采用三維有限差分計算程序FLAC3D進行數(shù)值模擬，邊坡模型尺寸為160 m×200 m×84 m，坡度46°，由4 563個節(jié)點共16 418個單元組成。運用Mohr-Coulomb屈服準則，模型底面和側面邊界位移約束，頂部為自由坡面。模擬得到位移矢量分布見圖6、不平衡力分布見圖7、剪切應力分布見圖8。

圖6 位移矢量分布示意Fig.6 Displacement vector distribution map

圖7 不平衡力等值分布示意Fig.7 Unbalanced force equivalent distribution map

圖8 剪切應力等值分布示意Fig.8 Equivalent shear stress distribution

由圖6～圖8可得出：

(1)從位移矢量分布圖可以看出，滑體、破碎帶、滑床巖性物理力學參數(shù)不同，3部分的位移也表現(xiàn)出明顯的差別。滑體后緣及前緣位移變形較大，破碎帶后緣位移變形較大，究其原因是由于破碎帶巖體不完整，各力學參數(shù)降低，造成巖體強度大幅度降低，在自重應力作用下，應力集中區(qū)首先在破碎帶部位產生，進而產生擠壓變形。

(2)從不平衡力分布云圖和剪切應力云圖可以看出，剪切破壞區(qū)域主要分布在強度較差的破碎帶后緣，沿坡面向下延伸至破碎帶下緣，表現(xiàn)出一定的非連續(xù)性。不平衡力集中區(qū)域產生于破碎帶與滑體、滑床緊鄰的上下2個接觸面上。值得注意的是，不平衡力最大值出現(xiàn)在346 m平臺臨空面處，主要原因是此處巖層受到的約束力較小，加上上部巖體應力作用，容易發(fā)生剪切變形破壞。2個不平衡力集中區(qū)一旦貫通，便構成了滑體潛在滑移面。因此，334、346和370 m平臺區(qū)域穩(wěn)定性受破碎帶作用強烈。

5 結 論

(1)地質雷達可以探測淺層滑坡體內的地質缺陷，本次在南芬露天鐵礦的成功應用探明了采場下盤334 m平臺～370 m平臺區(qū)域范圍內邊坡滑坡體發(fā)育情況，確定了邊坡淺層潛在滑動面形態(tài)分布特征。

(2)通過對探測區(qū)域的數(shù)值模擬計算，分析了破碎帶對邊坡穩(wěn)定性的不利影響，破碎帶的存在降低了邊坡穩(wěn)定性，且破碎帶極有可能構成滑坡體的潛在滑移面。

(3)本文所采用的地質雷達與三維有限差分計算程序FLAC3D相結合的綜合分析方法，對其他類似邊坡工程有一定參考價值。

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