北廠—架崖山東部露天采場正交結構邊坡穩(wěn)定性分析

李燕飛

（云南金鼎鋅業(yè)有限公司，云南 蘭坪 671400）

目前大部分研究集中于單組節(jié)理或結構面切割巖體，而對多組結構面切割形成的巖體結構鮮有研究，甚至沒有。但在工程巖體中多組結構面切割巖體卻已屢見不鮮，尤其正交結構巖體，不同巖層結構穩(wěn)定性顯然不同，滑移模式亦不盡相同。因此本文將對兩組結構面切割形成的正交結構巖體展開分析，對正交結構面切割巖體穩(wěn)定性及變形破壞模式進行探討，并以北廠-架崖山東部正交結構巖體為例，研究考慮正交結構面切割巖體帶來的穩(wěn)定性問題，從而為類似邊坡的失穩(wěn)模式判別及穩(wěn)定性評價提供指導。

1 邊坡巖體結構面切割特征

1.1 北廠-架崖山東部露天采場開采現(xiàn)狀

北廠-架崖山礦段露天采場目前形成山坡+凹陷采場，北廠礦段露天采場最低開采標高2552m，最高開采2748m，最大高差196m，作業(yè)臺階標高12m，平臺寬4m～20m，封閉圈標高2576m，凹陷露天采深24m，邊坡坡面角15°～30°。架崖山礦段露天采場最低開采標高2636m，最高開采2748m，最大高差112m，作業(yè)臺階標高12m，平臺寬4m～18m，封閉圈標高2672m，凹陷露天采深36m，邊坡坡面角20°～28°。東部采場邊坡坡面角設計為38°。

1.2 結構面正交切割特征

礦段北東幫屬多層結構的切層（或反向）坡；基本由外來系統(tǒng)地層組成；巖體結構面具多期、多方向性特征；主要結構體形式為碎塊狀、塊狀，塊度在0.02m～0.5m間，多為碎裂散體結構軟、較軟～半堅硬巖巖體，巖體力學強度普遍較低。露采開挖，破壞了巖體原來的應力狀態(tài)，引起應力重分布，產(chǎn)生應力不均勻釋放；由于坡體基座軟-較軟弱巖層較厚，易在坡腳形成應力集中帶，造成塑流變形，向臨空區(qū)擠出；在坡頂一定范圍產(chǎn)生拉張松動變形，形成平行坡口線的卸荷張拉裂隙，產(chǎn)生中、小型崩塌、滑坡等地質(zhì)災害的可能性較大。

東采場邊坡屬多層結構切層的正交結構邊坡，地層巖層層間結合性差，同時多條斷裂交匯，斷裂集中，易造成應力集中，開采中易導致邊坡發(fā)生崩塌和滑坡等地質(zhì)災害的可能。

2 不同邊坡層理結構形式及破壞模式分析

2.1 層狀邊坡破壞模式

正交結構邊坡主要由順傾結構面和逆傾結構面切割邊坡體產(chǎn)生，使得巖體被切割成矩形、菱形等四邊形形狀。然大多數(shù)僅討論順傾結構體邊坡或逆傾結構體邊坡，對順、逆傾共同作用下的邊坡穩(wěn)定性并未做分析。Hoek和Bray于1977年詳細介紹了Goodman和Bray提出的邊坡傾倒穩(wěn)定分析方法。該分析方法認為邊坡存在三種狀態(tài)：①穩(wěn)定；②傾倒破壞；③滑動破壞，并將滑坡體分為穩(wěn)定區(qū)、傾到區(qū)、滑動區(qū)三部分。不同巖體巖層結構巖體破壞模式不同，當層理結構傾角越接近90°越易發(fā)生傾倒破壞；于順傾結構邊坡，當結構面傾角小于邊坡角時發(fā)生順層滑移，當結構面傾角大于邊坡角時則發(fā)生潰屈+傾倒破壞；于逆傾結構邊坡，隨結構面傾角增加邊坡破壞逐漸由沿坡趾剪出向傾倒破壞發(fā)展為主導，表明順層滑移主要發(fā)生于順傾結構邊坡，傾倒破壞則主要發(fā)生于逆傾結構邊坡。

2.2 正交結構邊坡破壞模式

正交結構邊坡破壞具有單一結構面切割產(chǎn)生的雙重破壞特征。即在結構面傾角均較小時，邊坡破壞以順傾結構面破壞為主，隨著正交結構面傾角的增加邊坡變形出現(xiàn)潰屈和沿坡趾剪出現(xiàn)象；當正交結構面傾角與邊坡傾角相等時，則以潰屈破壞為主，但仍保留部分沿坡趾剪出的特征；當繼續(xù)增加結構面切割傾角時，邊坡破壞則以傾倒破壞為主，潰屈現(xiàn)象不明顯；當正交結構面傾角均增加至臨近90°時，邊坡破壞仍以傾倒失穩(wěn)為主，相較于順傾陡結構面潰屈現(xiàn)象明顯減弱，傾倒破壞更加顯著，說明逆傾結構面的存在促進了邊坡巖體的傾倒破壞，順傾結構面則促進了順層滑移破壞。從整體來看，邊坡失穩(wěn)仍以順傾切割結構破壞特征為主導，側(cè)面說明順傾結構邊坡更加危險，這與許多工程實際相符合。

3 工程實例分析

3.1 數(shù)值計算

為分析北廠-架崖山東部采場正交結構邊坡的穩(wěn)定性及失穩(wěn)破壞模式，選取東部邊坡典型代表性剖面進行計算分析。邊坡巖體力學參數(shù)依據(jù)工勘地質(zhì)報告及室內(nèi)試驗確定，選取值見表1。分別采用強度折減法對該巖體結構面為20°，40°，60°以及80°進行分析，同時對不考慮結構面切割影響的邊坡模型進行極限平衡法和強度折減法對比分析，旨在探討正交結構邊坡變形破壞模式及穩(wěn)定性情況。其中石英砂巖層受結構面切割嚴重，形成碎裂正交切割巖體，巖體穩(wěn)定較差。

表1 巖體力學參數(shù)表

3.2 數(shù)值計算結果分析

為準確把握該邊坡正交結構巖體帶來的影響，按兩種方案進行計算，方案一不考慮結構面切割分別用極限平衡法、強度折減法進行計算；方案二考慮結構面切割用強度折減法計算20°、40°、60°、80°時最大剪應變結果。

表2 不同方案下安全系數(shù)計算結果

從表2的計算結果表明：當不考慮結構面切割影響時（方案一），兩種計算結果均顯示該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，安全儲備足夠充分，從強度折減計算結果（Fs=1.50）顯示北廠-架崖山東部邊坡結構仍有優(yōu)化空間。但從其潛在滑移面位置則顯示強度折減法計算所得滑移面位置較極限平衡法深，及潛在滑移體量較大；而潛在滑移體剪出位置強度折減法略高于極限平衡法，這是由于極限平衡法需先預測滑移位置所致。

考慮結構面切割計算結果顯示：當石英砂巖受不同傾角結構面影響時，其穩(wěn)定性亦不盡相同，滑移面位置、滑移面形態(tài)均有所差異。從安全系數(shù)計算結果來看，當結構面傾角接近邊坡角（38°）時，邊坡穩(wěn)定性最差(Fs=1.29)，這與上述失穩(wěn)模式分析結果一致，與極限平衡法計算不考慮結構面影響結果（(Fs=1.284）較為接近，亦是強度折減法考慮正交結構面傾角時的最小安全系數(shù)計算結果。而當正交結構面傾角為80°時，邊坡潛在失穩(wěn)模式轉(zhuǎn)為傾倒破壞，邊坡頂部受到水平張拉作用，產(chǎn)生張拉裂縫。

3.3 正交結構面巖體加固防護措施及建議

正交結構面切割巖體破碎，呈碎塊狀，開爆破時易落浮石、滾石等，且爆破震動對結構面的張拉作用會導致正交結構巖體抗剪、抗拉能力減弱，對邊坡的影響巨大，為此根據(jù)本文分析給出以下幾條防護措施及建議：

（1）及時清除表層浮石，加強邊坡維護管理。

（2）加強該區(qū)域的防水、防滲管理。

（3）加強爆破震動控制，合理設計爆破參數(shù)，盡量減少爆破對該巖層的影響。

4 結論

（1）正交結構邊坡失穩(wěn)受順傾結構面主導，逆傾結構面對邊坡的失穩(wěn)具有一定抑制作用，但邊坡穩(wěn)定性均低于逆傾結構面。

（2）考慮正交結構面的強度折減計算方法安全系數(shù)均高于不考慮正交結構面的極限平衡法，一定程度上表明極限平衡法對正交結構面邊坡的穩(wěn)定性評價相對保守，但與正交結構邊坡最危險時計算結果接近，選用極限平衡法評價結構面傾角與邊坡角相近巖質(zhì)邊坡時較為合理。

（3）正交結構邊坡同時具有與單一結構面切割邊坡一致的失穩(wěn)破壞特征，因此分析正交結構邊坡穩(wěn)定性時對比單一結構面影響下的失穩(wěn)情況更具有可靠性。