基于三維攝影測量地質調查的邊坡破壞模式分析

阮琰文，牛小明

(1.鑫都礦業有限公司， 北京 100055；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

基于三維攝影測量地質調查的邊坡破壞模式分析

阮琰文1，牛小明2

(1.鑫都礦業有限公司， 北京 100055；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

邊坡安全是露天礦山安全生產的重要環節，準確計算分析邊坡穩定性必須了解巖體節理產狀。通過三維攝影測量系統進行工程地質調查，查明了圖木爾廷-敖包鋅礦巖體節理裂隙產狀，并對每種巖體的節理裂隙進行了分析，得出了其可能導致的邊坡破壞模式，為邊坡穩定性計算提供了基本依據。

工程地質調查；三維攝影測量；邊坡破壞模式

圖木爾廷-敖包鋅礦位于蒙古國東部的無林草原帶，該地區是典型的丘陵地形，相對高差較小，海拔標高一般在1000～1100 m之間。礦山為露天開采，設計規模為30萬t/a。設計凹陷露天采場規格為上口尺寸660 m×460 m，下口尺寸為160 m×(20～50) m，坑底標高902 m，地面封閉圈標高1070 m，露天邊坡最大高差下盤208 m，上盤170 m。目前露天開采階段主要有1070 m臺階、1058 m臺階、1046 m臺階、1034 m臺階和1022 m臺階。根據露天邊坡采場巖體的賦存條件，采場頂幫一般為中—粗粒花崗巖、粘土板巖、鈉長角巖、晶狀石灰巖、大理石，底幫和西端幫為晶狀石灰巖、大理石，東端幫為中-粗粒花崗巖。

為計算分析露天采場邊坡穩定性，須對邊坡巖體進行工程地質調查，尤其是查明巖體節理裂隙情況。傳統的調查方法主要采用測線法和體積密度法，主要是用羅盤、卷尺等工具對待調查的巖體對象進行手工測量并記錄相應測量數據(包括節理裂隙產狀，結構面間距、長度和寬度，充填物厚度等)，同時對巖體的結構面形狀、干燥程度等內容進行描述。這種方法現場工作量大、效率較低且因人而異調查結果會產生誤差。本次工程采用了較為先進的三維攝影測量系統，利用該系統測量巖體節理裂隙參數并通過分析參數得到了不同邊坡的破壞模式。這種方法可極大地減輕現場工作量，同時獲得較為準確的調查結果。

1 地質調查

露天礦邊坡穩定性受到諸多因素的影響，包括工程地質條件(主要是邊坡所在位置的巖體結構、構造以及應力環境)、水文地質條件、設計邊坡參數和外力影響等。其中對邊坡巖體的節理裂隙現場調查是巖體質量評價和邊坡破壞模式分析的重要步驟，對邊坡穩定性計算分析有重要影響。

1.1 調查方法

為查清礦山節理裂隙情況，采用的調查方法是SIROVISION三維數字攝影測量和巖體結構分析系統，該系統利用數碼相機獲取待調查的地質體的高清圖像，經過系統軟件將高清圖像合成為三維模型，并通過對此三維模型進行巖體結構參數分析獲得調查對象的地質信息。SIROVISION系統主要用于礦山及巖體工程領域，為快速、高效和安全地進行地質信息調查、巖體穩定性分析提供了新型處理工具。

該系統由兩大部分組成：硬件部分主要為相機以及配套支架、測距儀、羅盤等，軟件部分主要為具備三維成像功能的SIRO3D軟件和三維模型分析軟件SIROJOINT。

1.2 調查內容

為分析邊坡巖體的破壞模式，本次調查主要包括巖體中的節理裂隙產狀、規模等，主要是：節理面在空間上的分布狀態用傾向和傾角表示，節理間距、長度和寬度等用線節理密度或體積節理密度表示，節理性質，節理裂隙充填物性質，節理裂隙含水情況等。最終統計結果用極點等密度圖和赤平極射投影圖表示。

1.3 邊坡巖體攝影測量

根據前期資料，該區域邊坡主要以大理巖、矽卡巖和花崗巖為主。因此將本次調查對象分為3組，分別是大理巖組、矽卡巖組、花崗巖組。邊坡巖體攝影測量分析見圖1～圖3所示。

圖1 矽卡巖攝影測量分析

圖2 花崗巖攝影測量分析

圖3 大理巖攝影測量分析

2 破壞模式分析

2.1 矽卡巖

根據攝影測量分析統計，矽卡巖主要分布在北邊坡，由石灰巖經雙交代作用形成，巖體結構類型為塊狀結構，主要發育有3組節理：

(1) J1組節理，產狀為179°∠86°；

(2) J2組節理，產狀為233°∠63°；

(3) J3組節理，產狀為312°∠71°。

節理長度大于2 m，同一地點一般發育3組節理，基本以剪節理為主，局部充填有少量的方解石、鐵質和泥質，節理面平直、干燥；節理間距為0.1～2.1 m，平均線節理密度λ為2.10條/m，經換算的RQD值為98.1%。其中第1、第3組節理斜切邊坡，節理與邊坡方位見圖4。

圖4 矽卡巖破壞模式

從圖4可以看出，該邊坡破壞模式主要為楔體滑動破壞，在第1、第3組節理與邊坡面的共同作用下，邊坡巖體被切割為楔形體，由于1、3組節理交線的傾角小于坡面角，楔形體將沿交線往下滑動(圖中所示方向)。同時由于第2組節理(平行邊坡的陡傾斜順層節理)的存在，楔形體被分割為多個小的楔體產生滑動破壞，破壞模式見圖5，現場照片見圖6。

圖5 矽卡巖邊坡破壞模式

圖6 矽卡巖邊坡破壞情況

2.2 花崗巖

花崗巖主要分布在南部邊坡，為中風化中-粗顆粒花崗巖，巖體節理裂隙發育，由于風化蝕變強烈，強度較低，巖體為塊狀和碎裂結構。通過攝影測量可知，該巖體主要發育有3組節理：

(1) J1組節理，產狀為154°∠38°；

(2) J2組節理，產狀為255°∠82°；

(3) J3組節理，產狀為350°∠40°。

節理長度一般為10 m左右，同一地點一般發育3組節理，基本以剪節理為主，節理面一般無充填物，局部有少量的泥質，節理面平直、干燥；節理間距為0.1～2.5 m，平均節理間距為0.82 m，平均體積節理密度Jv為5.15條/m3，平均線節理密度λ為1.22條/m，經換算的RQD值為98%。節理與邊坡方位見圖7。

圖7 花崗巖破壞模式

通過圖7可以看出，邊坡被3組節理切割為長方形巖塊，其中J3組節理近平行于邊坡面，邊坡破壞容易產生沿該組節理的滑動。現場調查被切割后的單個巖塊高度約為H=0.4～2.5 m，底邊長為b=0.5～1.3 m，斜面傾角α=55°，節理面摩擦角φ=30°，由此可以得出：α>φ并且b/H

2.3 大理巖

大理巖主要分布在西邊坡，巖體結構類型為塊狀結構，通過攝影測量可知，主要發育4組節理：

(1) J1組節理，產狀為121°～128°∠71°～80°；

(2) J2組節理，產狀為210°～240°∠60°～63°；

(3) J3組節理，產狀為38°～43°∠60°～67°；

(4) J4組節理，產狀為38°～49°∠38°～40°。

節理長度一般為3～5 m，同一地點一般發育3～4組節理，基本以剪節理為主，節理面一般無充填物，節理面平直、干燥；節理間距為0.2～1.0 m，平均節理間距為0.57 m，平均線節理密度λ為1.75條/m，經換算的RQD值為98.6%。節理與邊坡方位見圖10。

圖8 花崗巖邊坡破壞模式

圖9 花崗巖邊坡破壞情況

圖10 大理角巖破壞模式

通過圖10可以看出，大理巖巖體邊坡被4組節理切割，其中J1組節理近平行于邊坡面，邊坡破壞容易產生沿該組節理的滑動。在第2、第3組和第2、第4組節理與邊坡面共同作用下，邊坡巖體被切割為楔形體，由于楔體交線傾角小于坡面角，楔形體將沿交線往下滑動。破壞模式見圖11，現場照片見圖12。

圖11 大理巖邊坡破壞模式

圖12 大理巖邊坡破壞情況

3 結 論

通過SIROVISION三維數字攝影測量和巖體結構分析系統對圖木爾廷—敖包鋅礦各巖組邊坡節理裂隙進行了工程地質調查，綜合分析調查數據和現場實際情況得到了不同邊坡破壞模式，主要形成了以下結論：

(1) 三維攝影測量系統能夠準確獲取露天邊坡巖體節理裂隙產狀等參數，其具有測量精度高、測量速度快和攜帶方便等特點。

(2) 通過對邊坡巖體節理裂隙的調查，可分析出邊坡破壞模式，為邊坡穩定性分析提供依據。

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2017-04-05)

阮琰文，男，陜西渭南人，工程師，主要從事露天開采現場技術管理工作,Email：476418948@qq.com。