優優坪玄武巖露天礦柱狀節理邊坡穩定性分析及治理

孟國良 張 雷 張福煬 楊曉曦 付亞男

（浙江安盛爆破工程有限公司）

形成柱狀節理的火山巖時代多在侏羅紀及以后，柱狀節理是火山熔巖中呈規則柱狀形態的原生破裂構造，其內部節理、裂隙異常發育，自穩能力差，力學特性表現為各向異性，具有強烈的松弛效應，對礦山邊坡安全及長期穩定性存在危害［1］。我國的柱狀節理構造主要分布于東北三省、內蒙古、浙江、福建、廣東等地區，四川峨眉山地區也較多分布［2-3］，國內學者通過力學實驗對柱狀節理的力學特性及破壞形態開展了相關研究，黃巍等［4］采用3D 打印技術制作了不規則柱狀節理網絡模型，通過單軸壓縮實驗研究了破壞模式及強度特性，表現為典型的各向異性規律。闕相成等［5］研究了柱體截面形狀、走向角及傾角對柱狀節理巖體各向異性特性的影響，得出柱體截面形狀主要影響試樣的變形及強度，對試樣的各向異性影響較小，四棱柱、五棱柱及六棱柱柱狀節理巖體分別表現出正交各向異性、正交各向異性及準橫觀各向同性的特征。裴書鋒等［6］針對水民站柱狀節理玄武巖壩基開挖時的松弛效應開展研究，探討了松弛機理。前人的研究成果表明，柱狀節理玄武巖的強度、變形具有明顯的橫觀各向異性特性，在載荷條件下存在應力松弛現象，這些特性不利于邊坡穩定性計算及支護。

本礦區為浙江地區柱狀節理玄武巖礦，邊坡為典型的六棱形柱狀巖體邊坡，研究此類邊坡穩定性特征對柱狀節理露天礦山安全開采有重要的工程應用價值。

1 工程概況

1.1 開采技術條件

礦區大地構造位于華南褶皺系（Ⅰ2）浙東南隆起區（Ⅱ4）麗水—余姚隆起帶（Ⅲ8）新昌—鎮海隆斷束（Ⅳ7）西段，北北東向麗水—余姚深斷裂北段，嵊州白堊紀盆地北側，新近紀簸箕灣盾火山東部基性熔巖段分布區內。

調查及鉆探工程表明，礦體的覆蓋層為玄武巖風化層，厚度一般為3.60～10.77 m，由含碎石粉質黏土、粉質黏土、碎塊石等組成，屬現代風化殼。礦體由新鮮的玄武巖層組成，結構致密，屬堅硬巖類，礦區厚度5～50 m，發育柱狀節理；底部宕碴體由氣孔狀玄武巖層組成，多孔質輕，厚度4.2～17.6 m，抗壓強度明顯降低。礦區深部為晶玻屑熔結凝灰巖層風化層，為氣孔狀玄武巖層之底板，厚度0～9 m，由含碎石粉質黏土、碎塊石、高嶺土等組成，可塑—硬塑，屬古風化殼。

礦區內構造單一，未見斷層，發育玄武巖柱狀節理。玄武巖柱直徑約1 m，六邊形單邊長近0.5 m，垂直高度大于10 m，傾角近90°。發育的柱狀節理面平直、閉合，節理面上部被鐵錳浸染，無其他充填物。

上述柱狀節理的邊坡結構不利于邊坡穩定，易發生巖土體崩滑。通過工程地質條件分析，認為該礦區工程地質條件屬中等類型。

1.2 開采現狀

目前，露天采場坑底寬約250 m，東西長約650 m，采坑的最低開采平臺為2 250 m 水平，最高臺階標高為2 388 m，臺階高度為15 m，清掃平臺寬度為6 m，安全平臺為4m，臺階高度為10 m，臺階坡面角為70°～75°，最終邊坡角小于51°。采場頂、底標高分別為+131.4 m和+60 m，坡面總高達到71.4 m。

開采方法為自上而下分臺階，潛孔鉆穿孔，多排中深孔非電網絡延時爆破，挖掘機、鏟裝機裝車，汽車運輸的采礦方法。

2 柱狀節理巖體力學特性

2.1 柱狀節理的破環模式

張建聰等［7］針對我國在建最大的白鶴灘水電站柱狀節理玄武巖多處塌方工程難題開展研究，觀察發現塌方處柱狀節理較發育，呈典型六棱形，柱體長1 m 左右，邊長15 cm 左右，在塌方前節理閉合，開挖后巖體解體并塌方，分析認為開挖后巖體應力重分布、柱狀節理玄武巖強烈松弛使柱間節理面張開和結構劣化是塌方的主要因素。

柯志強等［8］通過單軸壓縮實驗，研究了柱體傾角對柱狀節理巖體變形及破壞的影響。研究表明，柱體傾角對巖體彈性模量和峰值強度影響較大（圖1），表現為明顯的各向異性。

2.2 柱狀節理邊坡穩定性特點

本露天礦礦體為玄武巖，呈正六棱柱形柱狀節理結構，多項研究表明柱狀節理巖體存在典型的橫觀各向異性，表現為橫觀松弛大、節理張開明顯、強度各向異性、彈性模量各向異性等，對常規的工程安全評價提出了挑戰，邊坡等工程的設計亦區別于常規巖體。

根據巖質邊坡穩定性計算規范，順層邊坡采用巖體結構面的強度參數進行平面滑動或楔形體滑動分析，計算其下滑力；非順層時，一般按照結構面的發育情況對巖塊強度進行折減。計算時采用的巖體參數均視為各向同性，計算模型中的節理數量也只有2 組或有限的幾組，對計算模型的計算量影響不大，而柱狀節理巖體邊坡節理密度大，柱體直徑變化范圍大，代入模型后網格劃分困難，特別是大規模邊坡中，計算范圍遠大于巖柱尺寸，將給網格劃分和計算效率帶來巨大難題。

3 邊坡穩定性計算

3.1 柱狀節理巖體各向異性的數學表達

肖維民等［9］依托白鶴灘水電站工程，以下六棱柱形柱狀節理為研究對象，給出并驗證了歸一化的彈性模量Ecr及單軸抗壓強度σcr：

式中，θ為傾角，（°）；θm為單軸抗壓強度值最小時所對應的傾角，（°）；Ad、Bd、As、Bs為經驗公式中的常數系數，可根據0°、θm和90°對應的單軸抗壓強度確定。

上述系數的取值見表1。

3.2 模型設置

?

本礦區露天礦采場南北寬約250 m，東西長約650 m，臺階高度為15 m，設計臺階坡面角75°，設計安全平臺寬度為4 m，清掃平臺為6 m，最終邊坡角為51°，總高度為75 m?？碧綀蟾嫣峁┑膸r體力學參數見表2，模型采用由上及下逐步開挖方式，計算柱狀節理邊坡開挖過程中的變形破壞特性。

?

3.3 計算結果

邊坡分步開挖時，柱狀節理各向異性與各向同性巖體水平位移如圖2、圖3所示。

圖2顯示，柱狀節理巖體邊坡分步開挖時，最大水平位移分別為3.64，4.89，6.1，7.2 cm，對比圖3 各向同性巖體邊坡分步開挖時水平位移，發現其位移遠小于柱狀節理巖體。分析認為，邊坡開挖后坡面水平壓力卸載，引起地應力重新分布，巖體有向外擴張的趨勢，而柱狀節理具有明顯的各向異性，且本礦區巖柱呈豎直分布，傾角近90°，在水平推力的作用下，節理張開、挫動，巖柱發生旋轉失穩等運動，使水平方向承載力減弱，表現為水平彈性模量降低，使巖體呈現為各向異性。采用折減法計算邊坡塑性區，結果如圖4所示。

不同開挖步下，邊坡穩定性系數見表3。

邊坡穩定性結果表明，設計的露天邊坡在無柱狀節理條件下，穩定性系數均大于1.2，無穩定性風險，符合邊坡規范要求。而柱狀結理邊坡在第1 次、第2次開挖時邊坡穩定性系數均大于1.2，而第3次開挖后，穩定性系數降至1.12，第4 次開挖后降至1.05，邊坡失穩風險急劇上升。從圖4 邊坡塑性區也可以看出，邊坡滑坡面也區別于圓弧狀，巖體深部塑性區邊緣近豎直狀，與豎直的柱狀節理方向一致。因此，柱狀節理邊坡的穩定性遠小于常規巖質邊坡，在邊坡設計及開挖時應采取邊坡加固措施。

4 柱狀節理邊坡穩定性控制措施

4.1 卸荷防松弛加固

?

根據前述分析，本露天礦區柱狀節理邊坡有第一臺階和第二臺階開挖時，邊坡處于穩定狀態，第三臺階及第四臺階穩定性系數下降，考慮到柱狀節理巖體具有松弛及水平位移大的力學特性，在開采過程中應采取以下管理及支護措施。

（1）開挖過程中，當開采范圍臨近邊坡坡面時，應提前2個爆破周期采用精細爆破，并在邊坡面外側預留2 m 厚的保護層，該保護層將吸收因地應力卸載及爆破擾動造成的大部分巖體松弛效應。

（2）在2 m 厚的保護層的重力覆蓋作用下，從上部臺階向下鉆進灌漿孔，并及時灌注水泥砂漿，使巖體固結，加強坡體巖體質量，降低坡面揭露后的時效松弛發展程度。

（3）灌漿完成后，采用小梯度爆破、精細爆破開挖保護層揭露坡面，并從坡面水平施工錨索鉆孔，及時施工水平加長預應力錨索，重點加固結構面，防止柱狀巖體錯動開裂，控制水平位移。錨固深度應大于20 m，邊坡表面應掛網噴漿，維持巖體完整性。

4.2 長期管控措施

（1）因柱狀節理巖體裂隙豐富，礦山孔隙水、裂隙水對邊坡穩定性影響較大，礦山勘探未探測到地下水，但浙江地區臺風災害頻發，降雨多，在邊坡各平臺處應設置排水孔及排水溝，防止降雨導致的裂縫水影響邊坡穩定性。

（2）在礦山開采服務年限內，應常態化開展邊坡位移監測，動態監測邊坡穩定性狀態，做到隱患及時發現、及時治理。

5 結 語

（1）柱狀節理巖體力學性能為橫觀各向異性，巖柱徑向性能遠小于軸向，表現為橫向強烈的松弛效應，節理張開巖柱失穩使巖體崩解。

（2）柱狀節理邊坡水平位移遠大于常規巖質邊坡，滑坡面處于臺階深處呈近豎直狀，穩定性系數也遠小于同參數下的常規巖質邊坡，此類地質條件的邊坡參數應采用保守設計。

（3）采取預留保護層防松弛后加固再開挖的治理措施，對邊坡進行灌漿和預應力錨固加固，結合有效的地表水管理措施，采取常態化監測，為礦山安全開采提供安全技術支撐。