松樹南溝礦區邊坡巖體質量評價與邊坡穩定性分析

王 偉 胡 斌 甘 露 歐光勁

(1.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074；2.成都建筑材料工業設計研究院有限公司，四川 成都 610011；3.四川金頂(集團)股份有限公司，四川 峨眉山 614224)

松樹南溝礦區邊坡巖體質量評價與邊坡穩定性分析

王 偉1胡 斌1甘 露2歐光勁3

(1.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074；2.成都建筑材料工業設計研究院有限公司，四川 成都 610011；3.四川金頂(集團)股份有限公司，四川 峨眉山 614224)

為了評價松樹南溝礦區邊坡巖體開挖穩定性情況，指導礦山的安全施工，以結構面測量與工程勘察為基礎，分析邊坡巖體結構面的分布及巖體結構特征，得到對邊坡穩定起控制作用的優勢結構面。利用結構面三維網絡模擬技術，對上述優勢結構面進行計算機模擬，建立結構面網絡模型，再現巖體結構。分別沿平行和垂直各測線走向方向切割網絡模型，發現巖體部分區域被結構面切割嚴重，為形成小規模的可動塊體提供了有利條件。運用分形理論計算了各切面的分形維數，計算得出邊坡巖體處于一般或差的狀態；借助有限差分軟件FLAC3D，計算開挖后邊坡巖體的穩定性情況，結果表明：由于開挖卸荷局部邊坡臺階處出現了較大的位移和塑性區，可能出現崩塌、滑移破壞，與質量評價結果一致，建議適當放緩該區域臺階坡面角。

巖體結構 分形理論 網絡模擬 巖體質量評價

巖體在其形成與存在的過程中，長期經受著復雜的建造和改造2大地質作用，生成了各種類型和規模的結構面，如斷層、節理、層理、裂隙等[1]。巖體失穩破壞的決定因素在于巖體結構，它制約著工程巖體變形、破壞的發生和發展過程[2-3]。因此，巖體結構的研究對于正確認識巖體的變形和強度特征以及工程巖體穩定性都具有重要的意義。巖體結構是巖體中結構面與結構體的排列組合特征，正確地調查巖體中結構面的分布情況及規模是清楚了解巖體結構的關鍵。對于礦山邊坡來說，多數的礦山在自然條件下是能夠保持穩定的，但由于開挖改造破壞了巖體原始結構，巖體中天然應力發生改變，導致次生裂隙的產生，以及開挖臨空面為邊坡巖體破壞提供了新的邊界條件，從而影響邊坡的穩定性。

本研究以實測結構面與工程勘察為基礎，采用Dips軟件將所測結構面分為5個優勢組。分析每組優勢結構面幾何參數的數學特征和分布形式，找到其概率分布函數。運用Monte Carlo原理，在計算機中生成服從特定分布規律的結構面隨機數，將產生的隨機數導入CAD建立結構面網絡模型。運用分形理論計算各模型各剖面的分形維數進而對邊坡巖體進行質量評價。同時借助有限差分軟件FLAC3D，分析了開挖后整體及局部邊坡的穩定性情況，從而指導礦山的安全施工。

1 工程概況

松樹南溝礦區海拔一般在3 450～3 800 m，相對高差為200～400 m，巖性主要為花崗巖和細碧巖。區內地勢南高北低，地形坡度大致南陡北緩，平均坡角約為30°，3 700 m以下多被草甸、植被覆蓋，冬季濕冷，夏季涼爽，晝夜溫差較大，冰凍期長達6個月左右，冰凍深度一般在2 m左右，礦山露采施工前，自然斜坡處于穩定狀態[4-5]。

2 巖體結構面的分布特征

根據現場調查和礦區已做礦床勘探資料，礦區結構面較發育，按成因可分為4類：①細碧巖中流層理(面)，凝灰巖中的似層理和巖體中的片理；②經過多次構造應力作用形成的斷裂面，如斷層和節理裂隙；③后期侵入巖與圍巖的接觸面；④風化卸荷裂隙，其中以構造應力作用形成的不同規模和性質的斷裂為主。礦區為傾向180°～210°，傾角50°～80°的單斜構造，是本礦區重要的大型結構面，因此除東北幫邊坡為順向坡外，其他各幫邊坡結構為反向坡或直交坡。由于東北幫設計的最終邊坡角為23°，遠小于礦區大型結構面的傾角，說明大型結構面對采坑各區邊坡不存在滑移破壞的邊界條件，對礦區邊坡整體穩定性有利。此外，邊坡受到風化等動力作用，出現了較多的小型崩塌體，多堆積在臺階的坡腳附近，臺階外側也出現了卸荷裂隙，裂隙寬度1～10 cm不等，且裂隙仍在發育。這些小型的節理、裂隙是造成局部臺階邊坡破壞的重要因素。

礦區內節理主要發育于西礦床地段的細碧玢巖和斑狀花崗閃長巖中，西礦床主礦體分布在標高3 650～3 800 m，屬較陡傾斜礦體(傾角58°～65°)。綜合考慮各種因素，在西幫3 760 m高程處布置3條測線，從西北幫到西南幫測線依次命名為A、B、C，其中A測線長7 m，實測結構面54條；B測線長6.3 m，實測結構面51條；C測線長6.3 m，實測結構面104條(見圖1)。由于3條測線都比較短、結構面產狀較為分散且受到邊坡巖體結構面出露情況的限制，測得的結構面數量有限。若對每條測線上結構面進行單獨分組則優勢分組效果不明顯，因此將西幫3條測線所測結構面合并統一處理。利用Dips軟件采用下半球等角度投影，共將結構面分為5個優勢組(見圖2)，各組結構面產狀如表1所示。

圖1 結構面測線布置Fig.1 Measuring line layout of discontinuity

圖2 優勢結構面分組Fig.2 The group of advantage discontinuity□—1個極點；▽—2～3個極點；?—4～5個極點；+—6～7個極點； ×—8～9個極點；◇—10～11個極點；○—12～13個極點表1 各組優勢結構面產狀

Table 1 Occurrence of each discontinuity (°)

根據圖2，5組優勢結構面中第Ⅰ組數量最為優勢，但是其出露跡長較短、切割不深，主要影響臺階局部巖體的穩定；第Ⅲ組規模最大，但其與西幫坡面傾向相反，威脅不大。

3 分形理論

分形理論主要是研究一些具有自相似性的不規則曲線，自反演性的不規則圖形，自平方性的分形變換和自仿射分形集等[6-7]。在實際運用中，應用最為廣泛的是自相似分形(或稱為線性分形)。分形理論定量描述分形集合特征和幾何復雜程度的最基本參數是分形維數，也可簡稱為分形維、分維數。根據分形的定義，有以下表達式：

(1)

式中,N(r)為在尺度r下所得到的測量數；c為比例常數；r為測量特征尺度；Dd為分形維數。判斷系統是否具有分形結構，就是看該系統是否具有式(1)所表述的特征。

巖體內部結構面分布是隨機、不規則的，但卻具有統計上的自相似性，可以運用分形理論進行分析。計算分形維數的方法也有多種，比如碼尺法、修正的碼尺法、盒計維數法等，在結構巖體的應用研究中，常用的是碼尺法與盒計維數法。無論采用何種計算方法，對同一對象都可得到1組統計數N與測量特征尺度r的數據，繪制出其雙對數圖lnr-lnN，擬合得到其線性關系的斜率，斜率的絕對值即為分形維數[8-9]。

4 巖體質量評價

4.1 結構面網絡模擬

結構面網絡模擬的實現基于3種假設：①假設結構面形狀為薄圓盤狀，結構面的大小和位置可以用中心點坐標和結構面半徑來反映；②假設結構面為平直薄板，也就是說每條結構面只有一個統一的產狀；假設在整個模擬區內，每組結構面的分布均遵循一定的概率模型[10-12]。采用Origin 軟件對每組優勢結構面參數進行擬合，得到各參數的分布規律及其均值、標準差,見表2。

表2 結構面網絡模擬參數Table 2 Parameters of discontinuity′s network simulation model

注：表中“負”指負指數分布。

運用Monte Carlo原理在模型區內共生成1 606個結構面三維實體，選擇應用區尺寸為5 m×5 m×5 m，得到應用區模型見圖3。

圖3 結構面網絡模型Fig.3 Network simulation model of discontinuity

4.2 礦區西幫巖體質量評價

分別沿平行和垂直于A、B、C測線走向方向切取6個剖面。采用分形理論中的盒計維數法計算生成結構面網絡的分形維數。以與C測線走向平行方向剖面為例，C測線走向如圖3所示，其剖面見圖4。

取測量特征尺度分別為50、80、100、150、200、250 mm，計算與結構面跡線相交的盒子數N(r)，繪制雙對數曲線如圖5，擬合得到其斜率為1.64，即為該剖面分形維數。

圖4 C測線走向方向剖面結構面網絡Fig.4 Discontinuity section network of C measuring line

圖5 C測線走向方向剖面結構面網絡分形維數Fig.5 Fractal dimension of discontinuity section of C measuring line

采用同樣的方法對其他剖面計算得到分維數，參照文獻[8，13]的巖體質量評價標準，則西幫巖體質量評價結果如表3。

表3 巖體質量評價結果Table 3 Evaluation results of rock mass quality

由圖4結構面網絡可以看出，部分區域巖體被結構面切割嚴重，形成小規模的巖石塊體，很可能崩塌、滑落。從上述對6個剖面分形維數的計算可得，礦區西幫巖體質量一般或差，加之風化、凍融作用強烈，需采取適當的防護措施或放緩坡角。

5 邊坡穩定性數值模擬分析

為了計算開挖卸荷對整體及局部臺階邊坡穩定性的影響，選取礦區節理發育、相對高差最大的西南幫邊坡進行計算。利用ANSYS建立西南剖面邊坡計算模型，然后導入FLAC3D進行計算。西南幫邊坡地層包括第四系、凝灰巖、細碧巖、閃長巖。三期開挖臺階邊坡坑底標高3 650 m，坡頂標高3 990 m，3 830 m以下安全平臺寬4 m，清掃運輸平臺寬8 m，每隔2個安全平臺設置1個清掃平臺；3 830 m以上安全平臺寬6 m，清掃運輸平臺寬12 m，每隔2個安全平臺設置1個清掃平臺，臺階高度為10 m，臺階坡面角為70°。模型如圖6。

圖6 西南剖面計算模型Fig.6 Calculation model of southwest section

當三期開挖臺階邊坡開挖完成后，計算得到能直接反應邊坡穩定性的水平位移等值線圖及塑性區圖如圖7、圖8所示。

從圖7可以看出，西南剖面整體邊坡處于穩定狀態，但是局部臺階部位出現了較大的水平位移，越靠近坡角位移越大，最大位移達到231 mm，說明邊坡臺階尤其是靠近坑底的臺階產生破壞的可能性很大。

圖7 西南剖面開挖后X方向位移等值線(單位：m)Fig.7 Displacement contour of X direction of South-west section after excavation

圖8 西南剖面開挖后塑性區Fig.8 The plastic zone at South-west section after excavation

在圖8中，塑性區主要出現在各級臺階上，沒有形成整體的貫通情況，說明整體邊坡處于穩定狀態，但是由于邊坡的開挖卸荷較為嚴重地干擾了邊坡巖體內的應力分布情況，導致邊坡臨空面表層巖體結構發生一定程度的破壞，其完整性也遭到某種程度的影響。考慮到礦區風化、凍融作用的強烈，邊坡臺階巖體可能出現崩塌、滑移現象。

6 結 論

(1)在礦區節理最為發育的西幫布置了3條測線，在現場勘察的基礎上，利用Dips共將所測結構面分為5個優勢組，這5組優勢結構面控制著該區域邊坡的穩定。

(2)運用計算機網絡模擬技術，對結構面統計區邊坡進行網絡模擬。分別沿平行和垂直于3條測線走向方向切取剖面，得到6個結構面網絡圖。計算得到西幫邊坡巖體質量一般或差，巖體部分位置被結構面密集切割，形成可移動塊體，可能崩塌或滑移。

(3)借助軟件FLAC3D，對邊坡穩定進行定量的分析，結果顯示：邊坡整體穩定，但是大部分邊坡臺階產生塑性區且局部位移較大，可能會產生破壞。

(4)與其他工程邊坡相比較，礦山露采邊坡有其特殊性，其長度和坡高大，在施工開挖過程中形成的邊坡處于工作狀態中，服務年限不長將被挖除，對這種邊坡不宜采取工程防治措施，宜調整邊坡設計。

[1] 劉佑榮，唐輝明.巖體力學[M].北京：化學工業出版社，2009. Liu Yourong，Tang Huiming.Rock Mass Mechanics[M].Beijing：Chemical Industry Press，2009.

[2] 谷德振，巖體工程地質力學基礎[M].北京:科學出版社，1983. Gu Dezhen.Engineering Geological Mechanics Foundation of Rock Mass[M].Beijing：Science Press，1983.

[3] 胡 斌,王新剛,劉智權，等.西藏邦鋪露天礦巖體優勢結構面與邊坡穩定性分析[J].金屬礦山,2011(4):12-15. Hu Bin，Wang Xin′gang，Liu Zhiquan，et al.Analysis on the preferred structure plane of rock mass and slope stability in infrastructure construction in Tibet Bangfu Open-pit Mine[J].Metal Mine，2011(4)：12-15.

[4] 王新剛,胡 斌,劉 強，等.松樹南溝礦區節理巖質邊坡開挖穩定性分析[J].金屬礦山,2013(8):127-130. Wang Xin′gang，Hu Bin，Liu Qiang，et al.Stability analysis of jointed rock slope after excavation in Songshunan′s Mining Area[J].Metal Mine，2013(8):127-130.

[5] 劉 強，胡 斌，王新剛,等.青海松樹南溝礦區臺階邊坡破壞類型分析[J].中國礦業,2013,22(8):85-89. Liu Qiang，Hu Bin，Wang Xin′gang，et al.The failure types analysis of steps slope in Qinghai′s Songshunangou Open-pit Mine[J].China Mining Magzine,2013,22(8):85-89.

[6] Xie Heping.Fractals in Rock Mechanics[M].Rotterdam:Balkema，1992.

[7] 黃潤秋，許 模，陳劍平，等.復雜巖體結構精細描述及其工程應用[M].北京：科學出版社，2004. Huang Runqiu，Xu Mo，Chen Jianping，et al，Fine Description of Complex Rock Mass Structure and Its Engineering Application[M].Beijing:Science Press，2004.

[8] 劉艷章，盛建龍，葛修潤,等.基于巖體結構面分布分形維的巖體質量評價[J].巖土力學,2007,28(5):971-975. Liu Yanzhang，Sheng Jianlong，Ge Xiurun，et al.Evaluation of rock mass quality based on fractal dimension of rock mass discontinuity distribution[J].Rock and Soil Mechanics，2007,28(5)：971-975.

[9] 盛建龍,伍佑倫.基于分形幾何理論的巖體結構面分布特征研究[J].金屬礦山,2002(8):45-47. Sheng Jianlong，Wu Youlun.Study on the distribution characteristics of the structural planes in rock mass based on the fractal geometry theory[J].Metal Mine ,2002(8):45-47.

[10] 賈洪彪，唐輝明，劉佑榮，等.巖體結構面三維網絡模擬理論與工程應用[M].北京：科學出版社，2008. Jia Hongbiao，Tang Huiming，Liu Yourong，et al.Three-dimensional Network Simulation Theory and Engineering Application of Rock Mass Structural Plane[M].Beijing:Science Press，2008.

[11] 賈洪彪,馬淑芝,唐輝明，等.巖體結構面網絡三維模擬的工程應用研究[J].巖石力學與工程學報,2002,21(7):976-979. Jia Hongbiao，Ma Shuzhi，Tang Huiming，et al.Study on engineering application of 3D modeling of rock discontinuity network[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2002,21(7):976-979.

[12] 汪 斌，唐輝明，簡文星，等.結構面三維網絡模擬在巖體質量評價中的應用[J].巖土力學,2006,27(4):594-596. Wang Bin，Tang Huiming，Jian Wenxing，et al.Application of 3D network modeling rock mass discontinuities toevaluating rock mass quality for dam foundation[J].Rock and Soil Mechanics，2006,27(4):594-596.

[13] 周福軍，陳劍平，徐黎明，等.基于巖體不連續面三維分形維巖體質量評價研究[J].巖土力學,2012,33(8):2315-2322. Zhou Fujun，Chen Jianping，Xu Liming，et al.Study of rock masses quality evaluation based on 3D fractal dimension of rock discontinuity distribution[J].Rock and Soil Mechanics,2012,33(8):2315-2322.

(責任編輯 徐志宏)

Quality Evaluation of Rock Mass and Stability Analysis of Slope in Songshunangou Mining Area

Wang Wei1Hu Bin1Gan Lu2Ou Guangjin3

(1.FacultyofEngineering，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan430074，China；2.ChengduDesign&ResearchInstituteofBuildingMaterialsIndustryCo.,Ltd.,Chengdu610011，China；3.SichuanGoldenSummit(Group)Co.,Ltd.,Emeishan614224，China)

In order to evaluate the stability of slope rock mass after excavation and to guide construction safety，based on the discontinuity measurement and engineering survey，the characteristics of discontinuity distribution and rock mass′ structure in Songshunangou Mining Area were analyzed，thus obtaining the advantage discontinuity which controls the slope stability.Three-dimensional network simulation technology was used to make simulation on the advantage discontinuity above and establish the network model to represent the rock-mass′s structure.The network model was cut along each measuring line in parallel or perpendicular direction.It is found that rock-mass were cut seriously by the discontinuity，which provides favorable conditions for the formation of small-scale movable ore blocks.The fractal dimension of each section was calculated by the fractal geometry theory，finding that rock mass is in general or poor state.With the aid of the finite difference software FLAC3D，the stability of rock mass after excavation was calculated.The results showed that due to the excavation and unloading，larger displacement and plastic zone in some parts of slope were generated，possibly resulting in collapse and slippage.It fits with the quality assessment，so reasonably lowering the step slope angle is recommended.

Rock mass structure，Fractal theory，Network simulation，Quality evaluation of rock mass

2014-01-05

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(編號：2011CB710604)，國家自然科學基金面上項目(編號：41172281),中央高?；究蒲袠I務費專項(編號：CUGL100413,CUG090104)。

王 偉(1988—)，男，碩士研究生。

TD8

A

1001-1250(2014)-05-045-05