露天礦邊坡淺層滑面無損探測技術(shù)研究及應(yīng)用

孫光林 胡江春 邊亞東 陶志剛 梁明星

(1.中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院,河南 鄭州 450007；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室,北京 100083；3.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京 100083)

一般地，對斷層、空洞等地質(zhì)缺陷的探測方法主要有：

(1)有損探測。如鉆探，雖然該方法操作方便，結(jié)果直觀，卻破壞了圍巖的整體穩(wěn)定性，效率低，成本高。

(2)無損探測[1-2]。激光探測法，只能探測表面現(xiàn)象，不能判斷內(nèi)在情況；電磁法，探測距離一般在30 m以內(nèi)，精度高，能方便快捷地實現(xiàn)對短距離探測目標(biāo)的預(yù)測[3]；地震波法，探測距離一般為50～100 m，精度不如電磁法；地表電法，對小構(gòu)造探測效果較差[4]；直流電阻率法，其應(yīng)用仍需進一步研究[5]。

地質(zhì)雷達可確定斷層的位置、走向、傾向、傾角產(chǎn)狀和落差[6]，在以下幾個方面得到了廣泛應(yīng)用：

(1)隧道。如康富中等[7]在不影響隧道正常運轉(zhuǎn)情況下，采用地質(zhì)雷達對昆侖山隧道病害狀況進行了無損探測，為隧道的病害治理提供了可靠依據(jù)。郭亮等[8]將LTD-2100地質(zhì)雷達用于順層地質(zhì)偏壓隧道圍巖松動圈的確定，結(jié)果表明地質(zhì)雷達在圍巖松動圈探測中是可行的。喻軍等[9]在隧道初內(nèi)襯質(zhì)量檢測方面做了一定研究工作。楊艷青等[10]應(yīng)用地質(zhì)雷達對鐵路隧道整體式襯砌試件進行了非接觸檢測模擬實驗，研究了不同檢測距離與地質(zhì)雷達掃描圖像質(zhì)量、精度之間的相互關(guān)系。徐坤等[11]運用地質(zhì)雷達與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對隧道的安全性進行了綜合評價。

(2)煤礦井工開采。如宋勁等[12]采用防爆地質(zhì)雷達對采煤工作面隱伏鉆桿進行了超前探測定位，在陽泉礦區(qū)獲得了較好的應(yīng)用效果。

(3)露天開采。有學(xué)者探索利用地質(zhì)雷達技術(shù)研究露天礦滑坡體內(nèi)部潛在地質(zhì)缺陷情況，如王永強等[13]運用地質(zhì)雷達對露天礦山邊坡進行了實地探測，對獲得的圖像進行了分析解釋，證實了雷達探測結(jié)果與滑坡體地表出露特征一致。另外，地質(zhì)雷達具有移動方便的優(yōu)點，其探測結(jié)果還能為全站儀、GPS建站選址提供科學(xué)參考。

本文以南芬露天鐵礦334 m平臺、346 m平臺和370 m平臺為研究對象，運用地質(zhì)雷達無損探測技術(shù)方法，探查了該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及缺陷發(fā)育情況，分析了潛在滑動面分布特征，利用數(shù)值模擬方法研究了探測區(qū)域邊坡穩(wěn)定性情況，為南芬露天礦邊坡災(zāi)害防治提供了可參考的基礎(chǔ)資料。

1 地質(zhì)雷達探測機理

由于不同介質(zhì)介電系數(shù)不同，所以電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度、折射、反射情況也有所不同。

由上式可知，當(dāng)所探測區(qū)域介質(zhì)界面越多、結(jié)構(gòu)越破碎、組分越復(fù)雜時，地質(zhì)雷達所發(fā)射的電磁波被反射和折射的次數(shù)越多，接收天線所接收到的電磁波也越分散，在探測剖面圖中波形表現(xiàn)得也就越復(fù)雜；反之，當(dāng)所探測區(qū)域界面越少、結(jié)構(gòu)越單一、組分越簡單時，地質(zhì)雷達所發(fā)射的電磁波被反射和折射的次數(shù)越少，接收天線所接收到的電磁波也越集中，在探測剖面圖中波形表現(xiàn)得也就越整齊。因此，地質(zhì)雷達在空洞、斷層、破碎帶等地質(zhì)病態(tài)嚴(yán)重地區(qū)探測波形尤其復(fù)雜。

2 地質(zhì)雷達在邊坡探測中的應(yīng)用

2.1 南芬露天礦探測區(qū)域情況分析

南芬露天礦礦層頂板圍巖為云母石英片巖和綠泥片巖，上部出露大面積的混合花崗巖。礦層底板為石英綠泥片巖、綠簾角閃片巖，下部為二云母石英片巖和二云母長石石英片巖。采場下盤334 m平臺到370 m平臺區(qū)域深10 m范圍內(nèi)以綠泥角閃巖為主，370 m平臺屬于老滑體范圍，歷史上曾發(fā)生多次不同規(guī)模的滑坡災(zāi)害，該區(qū)域表面巖體較為松散、破碎，穩(wěn)定性較低。

由于露天礦邊坡各組分介質(zhì)參數(shù)存在差異(表1)，尤其在具有裂隙、滑動面特征區(qū)域，地質(zhì)雷達電磁波反射較強，因此采用地質(zhì)雷達進行探測是可行的。

表1 露天礦邊坡主要相關(guān)介質(zhì)參數(shù)Table 1 Main medium parameters of open pit mine slope

2.2 地質(zhì)雷達探測儀器及探測方案

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用GR-IV型地質(zhì)雷達，選用200 MHz低頻屏蔽天線，地面耦合方式。時間窗為220 ns，探測標(biāo)記點間隔距離為10 m，有效探測深度為10 m，天線中心通過標(biāo)記點時進行標(biāo)記定位。露天礦采場下盤邊坡由下至上共布置3條測線(表2)，平面布置圖如圖1所示，每個臺階各輸出1幅剖面圖。

表2 南芬露天礦采場下盤各測線位置及參數(shù)Table 2 Line location and parametersin the footwall of Nanfen open pit

圖1 測線布置Fig.1 Line layout diagram

3 探測結(jié)果及分析

3.1 334 m平臺探測結(jié)果及分析

334 m平臺探測剖面圖見圖2。圖2表明，地表1 m范圍內(nèi)均出現(xiàn)顯著破碎帶，該破碎帶為修筑簡易道路時鋪設(shè)的路基和路面碎石。K0～K5區(qū)間，破碎帶底板埋深從7 m過渡到6 m，長約50 m，過渡界限清晰，呈階梯狀。K4附近出現(xiàn)明顯異常區(qū)，異常區(qū)底板埋深約9 m，寬約3 m，勘查發(fā)現(xiàn)K4標(biāo)記點西側(cè)有明顯裂縫。K5～K14區(qū)間，破碎帶底板界限模糊，出現(xiàn)5處破碎異常區(qū)。K6附近破碎區(qū)高差約5 m，寬約2 m；K8～K9區(qū)間破碎異常區(qū)高差約5 m，寬約3 m；K10～K11區(qū)間，破碎異常區(qū)高差約10 m，寬約3 m；K12～K13區(qū)間，破碎異常區(qū)高差約8 m，寬約4 m。現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)K7標(biāo)記點兩側(cè)有水洼，K10標(biāo)記點附近地表裂縫發(fā)育，K12～K14標(biāo)記點附近發(fā)育多條裂縫。

圖2 334 m平臺探測剖面示意Fig.2 334 m platform detection section

因此，K0～K5區(qū)間破碎帶界限較清晰，巖體較完整，自穩(wěn)定性好。K5～K14區(qū)間內(nèi)巖體較為破碎，且地表裂縫發(fā)育，出現(xiàn)明顯裂縫群，基本貫穿整個平臺。

3.2 346 m平臺探測結(jié)果及分析

346 m平臺探測剖面圖見圖3。圖3表明，地表1 m范圍內(nèi)均出現(xiàn)顯著破碎帶，該破碎帶為修筑簡易道路時鋪設(shè)的路基和路面碎石。K0～K6區(qū)間，破碎區(qū)呈條帶狀分布，底板埋深9 m，頂板埋深6 m，厚度約3 m，破碎區(qū)長約60 m，界限清晰，中間無缺失；K3～K4區(qū)間，出現(xiàn)1個長約15 m，厚度約3 m的破碎區(qū)。現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)K4標(biāo)記點西側(cè)有水洼，因此可判斷該區(qū)域受到積水的影響而產(chǎn)生異常。

圖3 346 m平臺探測剖面示意Fig.3 346 m platform detection section

因此，346 m平臺探測范圍內(nèi)邊坡巖體較為破碎，破碎帶平均厚度約3 m，發(fā)育于地表下6～10 m處，對邊坡穩(wěn)定性影響較大，一旦該區(qū)域頂板隔水層被雨水或裂隙水貫通，以綠泥角閃巖為主的邊坡巖體強度急劇下降，易引發(fā)局部邊坡滑塌災(zāi)害。

3.3 370 m平臺探測結(jié)果及分析

370 m平臺探測剖面圖見圖4。圖4表明，地表1.5 m范圍內(nèi)均出現(xiàn)顯著破碎帶，該破碎帶為修筑簡易道路時鋪設(shè)的路基和路面碎石。K0～K11區(qū)間，破碎區(qū)呈條帶狀分布，底板埋深9 m，頂板埋深5 m，厚度約4 m，界限清晰，破碎區(qū)長度約110 m，中間無缺失。破碎帶上方4 m范圍內(nèi)為完整巖體，巖體內(nèi)基本不存在異常反應(yīng)區(qū)；K11～K13區(qū)間，出現(xiàn)一長約20 m區(qū)域，該區(qū)域巖體完整，無任何異常反應(yīng)，該區(qū)域的出現(xiàn)，打斷了破碎帶的延伸，破碎帶在該處尖滅；K13～K16區(qū)間，條帶狀破碎區(qū)繼續(xù)出現(xiàn)，底板埋深9 m，頂板埋深6 m，厚度約3 m，界限清晰，破碎區(qū)長度約30 m，中間無缺失，于K16標(biāo)記點處尖滅；K6、K8、K11、K12、K17標(biāo)記點處，出現(xiàn)了垂向條帶狀異常區(qū)。其中，K6處異常區(qū)寬約4 m，高約9 m，現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，K7標(biāo)記點東側(cè)有水洼，由于K6裂隙異常區(qū)的出現(xiàn)，推斷地表水已經(jīng)沿著9 m深的裂隙影響到下部巖體強度；K8處異常區(qū)寬約1 m，高約4 m，地表裂縫不明顯；K11～K12區(qū)間出現(xiàn)多條明顯異常區(qū)，現(xiàn)場勘查可以判斷此異常區(qū)為裂縫異常，多條裂縫組成了裂縫群，裂縫平均深度3 m，寬約1 m，裂縫在地表3 m下尖滅，因此不會對深部巖體產(chǎn)生影響；K17標(biāo)記點處出現(xiàn)1條寬約2 m，高約9 m的異常區(qū)，根據(jù)現(xiàn)場記錄可以判斷K16點東側(cè)有明顯寬裂縫，對照剖面圖可以確定該裂縫已經(jīng)從地表貫穿巖體發(fā)育到9 m深處尖滅。該裂縫對巖體起到切割破壞作用，地表裂縫兩側(cè)出現(xiàn)明顯落差，有繼續(xù)滑移危險。

圖4 370 m平臺探測剖面示意Fig.4 370 m platform detection section

4 探測邊坡區(qū)域穩(wěn)定性分析

4.1 邊坡潛在滑面分析

通過對南芬露天鐵礦334、346、370 m平臺的地質(zhì)雷達物探，獲得了采場中部310～370 m平臺邊坡破碎帶以條帶狀分布為主。根據(jù)地質(zhì)雷達物探測線分布特征和邊坡地形地貌特征，剖分出1條典型剖面線(圖1中1-1′)，按照每個平臺相應(yīng)測點的探測信息繪制出相應(yīng)剖線的剖面圖，經(jīng)過剖面圖可以判斷出不同區(qū)域潛在滑動面和破碎帶埋深條件和分布特征。剖面1-1′(圖5)按照334 m、346 m和370 m平臺物探數(shù)據(jù)繪制，其中，334 m平臺埋深為0～2 m，346 m平臺埋深為6～10 m，370 m平臺埋深為6～9 m。

圖5 1-1′ 剖面1-1′滑體及破碎帶示意Fig.5 1-1'section landside mass and fracture zone

同時，在334、346、370 m平臺沿剖面1-1′分別布設(shè)B334、B346和B370 3個位置對巖土體性質(zhì)進行現(xiàn)場鉆探測試，檢測結(jié)果見表3。

表3 鉆探檢測結(jié)果表Table 3 Drilling test results

由表3可知，地質(zhì)雷達探測結(jié)果與現(xiàn)場鉆探結(jié)果一致，南芬露天鐵礦采場下盤邊坡潛在滑動面埋深較淺，具有淺層滑坡危險。

4.2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，采用三維有限差分計算程序FLAC3D進行數(shù)值模擬，邊坡模型尺寸為160 m×200 m×84 m，坡度46°，由4 563個節(jié)點共16 418個單元組成。運用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，模型底面和側(cè)面邊界位移約束，頂部為自由坡面。模擬得到位移矢量分布見圖6、不平衡力分布見圖7、剪切應(yīng)力分布見圖8。

圖6 位移矢量分布示意Fig.6 Displacement vector distribution map

圖7 不平衡力等值分布示意Fig.7 Unbalanced force equivalent distribution map

圖8 剪切應(yīng)力等值分布示意Fig.8 Equivalent shear stress distribution

由圖6～圖8可得出：

(1)從位移矢量分布圖可以看出，滑體、破碎帶、滑床巖性物理力學(xué)參數(shù)不同，3部分的位移也表現(xiàn)出明顯的差別。滑體后緣及前緣位移變形較大，破碎帶后緣位移變形較大，究其原因是由于破碎帶巖體不完整，各力學(xué)參數(shù)降低，造成巖體強度大幅度降低，在自重應(yīng)力作用下，應(yīng)力集中區(qū)首先在破碎帶部位產(chǎn)生，進而產(chǎn)生擠壓變形。

(2)從不平衡力分布云圖和剪切應(yīng)力云圖可以看出，剪切破壞區(qū)域主要分布在強度較差的破碎帶后緣，沿坡面向下延伸至破碎帶下緣，表現(xiàn)出一定的非連續(xù)性。不平衡力集中區(qū)域產(chǎn)生于破碎帶與滑體、滑床緊鄰的上下2個接觸面上。值得注意的是，不平衡力最大值出現(xiàn)在346 m平臺臨空面處，主要原因是此處巖層受到的約束力較小，加上上部巖體應(yīng)力作用，容易發(fā)生剪切變形破壞。2個不平衡力集中區(qū)一旦貫通，便構(gòu)成了滑體潛在滑移面。因此，334、346和370 m平臺區(qū)域穩(wěn)定性受破碎帶作用強烈。

5 結(jié) 論

(1)地質(zhì)雷達可以探測淺層滑坡體內(nèi)的地質(zhì)缺陷，本次在南芬露天鐵礦的成功應(yīng)用探明了采場下盤334 m平臺～370 m平臺區(qū)域范圍內(nèi)邊坡滑坡體發(fā)育情況，確定了邊坡淺層潛在滑動面形態(tài)分布特征。

(2)通過對探測區(qū)域的數(shù)值模擬計算，分析了破碎帶對邊坡穩(wěn)定性的不利影響，破碎帶的存在降低了邊坡穩(wěn)定性，且破碎帶極有可能構(gòu)成滑坡體的潛在滑移面。

(3)本文所采用的地質(zhì)雷達與三維有限差分計算程序FLAC3D相結(jié)合的綜合分析方法，對其他類似邊坡工程有一定參考價值。

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