基于結構面的巖質邊坡穩定性分析

楊時業，侯克鵬，楊會明

(1. 昆明理工大學，昆明 650093；2. 云南銅業股份有限公司，昆明 650102)

引言

我國經濟建設的高速增長極大地刺激了資源的開發、交通體系的完善和城鎮的都市化進程。工程數量的增多和規模的加大給不同領域帶來了眾多的邊坡工程問題。近年來隨著工程建設和施工技術的飛速發展，巖土邊坡的高度已超過百米，尤其是巖質邊坡，因此高陡巖質邊坡穩定性問題成為了巖土工程的重要研究課題之一[1-4]。在構造應力作用下，巖體產生各種構造形跡。構造形跡在空間上的方位都用平面或曲面來表示，這些面統稱為結構面。結構面在空間的分布狀態與組合形式構成了巖體的機構，是決定巖體工程地質特征和力學性質的關鍵因素。結構面這種不連續面的存在使工程巖體失去其連續性和完整性，從而導致工程巖體的失穩與破壞[5-8]。

大量的工程實踐與研究證明邊坡的失穩源于結構面，巖質邊坡的變形和破壞通常受控于巖體介質特性，沿巖體結構面發生。結構面控制著邊坡的變形、破壞和演化過程，所以對巖質邊坡的穩定性進行分析要充分考慮結構面因素[3-4]。

1 結構面對邊坡穩定性的影響

結構面就是巖體發展歷史中所形成的地質界面，是巖體中各種力學不連續面的總稱，其強度較巖體明顯減弱。巖體破壞總是沿相對小阻力面發生，而結構面間物質軟弱松散、抗剪強度低，因此結構面往往成為巖體破壞的控制因素。野外調查發現，自然斜坡的崩落和滑坡往往源自山體或巖體內部某些地質界面，如巖體結構面。人工邊坡的變形破壞與巖體結構面的關系尤為密切。

邊坡巖體的破壞多為剪切和拉斷兩種形式。除少數情況外，絕大多數邊坡的破壞均為滑動破壞形式。根據滑動面的形態、數目、組合特征以及邊坡巖體破壞的力學性質，巖體邊坡的破壞可分為曲面滑動、平面滑動、雙平面滑動、多平面滑動和傾覆破壞等五種類型。除軟弱巖體和散體結構巖體外，多數巖體邊坡的滑動破壞都是由非穩定巖體沿著某些軟弱結構面向一定自由空間發生滑動造成的[9]。上述非穩定巖體由若干個軟弱結構面和若干個巖體自由面切割而成，具有一定的幾何形態和尺寸。

因此，斜坡巖體的破壞實質上是作為滑動面的軟弱結構面上的致滑力與摩擦阻力這對矛盾運動和發展的必然結果。幾組結構面切割形成的可能滑動塊體是斜坡失穩的必要條件，地下水沿結構面滲流并在其中形成超高滲壓以及使滑動結構面力學性質弱化是斜坡失穩的誘因。所以，斜坡巖體穩定問題，實質上是巖體結構面的性狀、組合及其與工程作用力的關系問題。

2 優勢面理論

巖體結構控制論最初由中國科學院地質研究所工程地質室提出，優勢結構面分析觀點是基于巖體結構控制論。優勢結構面理論是研究工程地質問題或巖土工程問題的一種新的觀點和模式，是羅國煜教授在幾十年實踐基礎上建立起來的，首先就巖坡問題于1979年提出，正式發表于1981年。該理論認為優勢面控制巖坡變形的邊界，優勢面的組合構成巖體變形的破壞模式，這種破壞模式即為邊坡物理模型建立的依據[3-4]。

優勢結構面是在各種結構面中按照優勢指標找出的對巖體穩定性起控制作用的結構面。尋找優勢結構面的方法有ANN法、優勢指標法、專家系統法等，其中最主要的方法為優勢指標法，該方法根據如下優勢指標確定優勢面[1]:

CP(I)=t×TP(I)+q×QP(I)+n×NP(I)+g×GP(I)+d×DP(I)

式中：CP(I)為結構面的綜合指標；TP(I)、QP(I)、NP(I)、GP(I)、DP(I)分別為第I結構面的時間、性質、數量、規模和分形優勢指標；t、q、n、g、d分別為時間(指最后一次活動的時間)、性質、數量、規模和分形(指結構面的分形維數)優勢指標對應的權值。CP(I)≥優勢判據CN時，I結構面為優勢面。優勢結構面確定方法如圖1所示。

圖1 優勢結構面確定方法

3 工程背景

邊坡為山脈走向近東西、坡面北的單坡面。礦山經過多年的開采現已形成一面坡的現狀，邊坡高度約190 m，邊坡角42°～ 47°，目前已形成2 190 m、2 160 m、2 130 m、2 100 m和2 070 m五個平臺。根據該礦山開采計劃，最終開挖到1 910 m水平。2 070 m水平以下到最低開采境界1 910 m水平仍采用“一面坡”的形式，邊坡傾角與底板巖層的傾角一致，最終邊坡總體高度將超過300 m。

3.1 礦區構造

邊坡所在礦區位于香條村背斜北翼東段，地層傾斜北，呈單斜形態，構造相對較為簡單，沒有落差>30 m的斷層。東部地層走向接近東西向，傾角較陡；由10線向西轉為300°走向，傾角逐漸變緩。

3.2 地層與巖性

邊坡礦體直接底板為寒武系梅樹村組第一段(∈1m1)，巖性為層紋狀含磷細晶白云巖、砂質白云巖夾燧石條帶，厚度均勻，層厚46.75 m，下部與震旦系上統燈影組呈整合接觸。礦體頂板巖性是一套碳酸鹽沉積為主的白云巖。一般厚度2.43～7.09 m，有一定變化。上部為泥巖、黏土巖夾海綠石砂巖，中部為灰白色細晶白云巖，下部為磷、錳質白云巖夾燧石條帶。地層產狀為東西向，傾角上陡下緩，平均傾角45°。在邊坡的后緣山頂部分，分布有厚3～7 m的第四系坡積、洪積松散巖組(Q)，表面植被發育。

目前邊坡主要由白云巖、砂質白云巖薄層狀結構堅硬巖組(∈1m1)和白云巖厚層—塊狀結構堅硬巖組(Zbdn)構成。白云巖、砂質白云巖薄層狀結構堅硬巖組(∈1m1)呈條帶狀出露于分水嶺，是礦體的直接底板，具有較強的抗風化能力。該層夾有致密磷塊巖薄層，裂隙發育，底部為白云巖，呈灰黃色、黃色薄層狀，局部風化呈砂土狀，紅色。該層為軟弱夾層。白云巖厚層—塊狀結構堅硬巖組(Zbdn)夾硅質白云巖及燧石條帶，巖性主要是厚層狀細粉晶白云巖，為灰白色。該巖層位于邊坡山麓脊部，巖石完整性好，堅硬致密。

3.3 水文地質

礦區處于滇池西側低中山地帶，地形高差大，水位埋藏較深，最高處標高2 225.75 m，山坡有南北向雨裂、沖溝切割，最低侵蝕基準面標高為1 883.15 m，利于自然排水，地下水主要由大氣降水補給。

4 巖體結構面調查

為了確定巖體中結構面發育的組數和各組結構面的發育程度，掌握結構面的分布規律，經過現場邊坡結構面調查，利用EXCEL對采集的數據進行統計分析。巖體結構面調查常采用詳細線測法和取樣窗法，本次調查采用詳細線測法。

在節理露頭面上布置一條或者多條相互平行或以任意角度相交的直線，然后詳盡地記錄與這些直線相交的節理條數、產狀、跡長以及其他一些參數，這樣的測量方法稱為詳細線測法，是一種線測量法。詳細線測法將結構面共分為8種類型，見下圖2所示：

圖2 詳細線測法示意圖

結構面調查的主要內容包括方位、間距、跡長、起伏度、張開度、粗糙度、填充物等。目前，衡量節理分布的密度參數主要有：平均節理間距、節理跡線長度、單位體積的節理數、單位面積的節理數等。

5 結構面統計結果

邊坡面上出露的巖體主要為砂質白云巖，根據現場邊坡面五個平臺的實際情況布置了12個測點，累計調查共194.67 m，結構面443條。結構面類型以5類為主。張開型結構面占很大比例，偶有鈣質充填物，其中巖體結構面間距小于30 cm。大部分結構面屬于平直型，傾角大于45°的結構面占總數的60%；傾角大于50°的結構面占總數的46%。統計結果顯示：邊坡巖體結構面較發育，平直型結構面為主要的結構面類型，不利于邊坡巖體的穩定性。

對采集的結構面數據進行赤平極射投影分析，繪制極點等密圖[10]，如圖3所示。根據極點等密圖分析得到的邊坡優勢結構面數據見下表1所示：

圖3 極點等密圖

圖4 優勢面赤平極射投影圖

表1優勢結構面數據

Table1Dataofpreferredplane

編號1234567傾向359°92°110°210°231°270°354°傾角51°80°70°20°50°81°37°

從圖3可以看出：第2、3、4、5、6組結構面與邊坡基本垂直或大角度相交，對邊坡穩定性有利；第7組結構面與邊坡同向且小角度相交，對邊坡穩定性不利。

6 結論

綜上所述，第7組結構面(354°∠37°)是對邊坡穩定性起控制作用的結構面，該結構面形成時間較早，為砂質白云巖和細晶白云巖之間的巖層界限。細晶白云巖巖體堅硬致密，邊坡面沒有細晶白云巖出露，所以現階段邊坡不會沿著該結構面產生明顯的滑動，邊坡總體穩定。

目前邊坡面均為砂質白云巖出露，在削坡卸載后，坡面應力重新分布，坡面巖體的風化和卸荷裂隙發育，其中順層結構面較發育。在開挖過程中局部順層巖體下部被挖空，上部順層巖體失去了下部巖層的支撐作用，造成上部順層巖體懸空，形成潛在的不穩定體，在長期暴曬及地下水—地表水的循環交替作用下，其結構面(層理面)極易達到飽和而導致巖體結構順著層理面滑落下來。所以在開采過程中坡面將伴隨有小規模的崩塌、剝離失穩。

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