基于三維結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬的某磷礦邊坡巖體質(zhì)量評價*

李再揚(yáng),王 鴻,甄明秀,李駿雄,何 旭

(1.甕福(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550002；2.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

0 引言

巖體質(zhì)量評價對邊坡的穩(wěn)定性分析和定量評價至關(guān)重要，同時也是計算巖體物理力學(xué)參數(shù)的關(guān)鍵。巖體質(zhì)量評價的核心在于對結(jié)構(gòu)面性質(zhì)、產(chǎn)狀的調(diào)查與統(tǒng)計分析，由于天然結(jié)構(gòu)面分布的隨機(jī)性、非連續(xù)性以及延伸的不確定性等，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面信息難以準(zhǔn)確獲取[1]。

1987年，ISRM研究室指出結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀參數(shù)包括產(chǎn)狀、間距、粗糙度、裂隙張開度等，測量手段主要可分為接觸式測量(鉆孔技術(shù)、測線法等)和非接觸式測量(激光掃描、無人機(jī)攝影等)。詳細(xì)測線法作為一種接觸式測量法，是一種系統(tǒng)快速進(jìn)行結(jié)構(gòu)面測量取樣的直觀方法，對于優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面不顯著的巖體，可獲得精確的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息，但對于高陡邊坡，人力無法對高處位置進(jìn)行接觸式測量，且當(dāng)結(jié)構(gòu)面調(diào)查區(qū)域較大時，人力成本較高。為此，大量學(xué)者研究了非接觸式測量方法，并取得了較好的應(yīng)用效果，如董秀軍等[2]、白志華等[3]、蔣雅君等[4]將三維激光掃描技術(shù)成功應(yīng)用于巖體質(zhì)量評價中。但三維激光掃描法對于巖體表面較為平整(如預(yù)裂爆破后的坡體表面)、結(jié)構(gòu)面出露凸起不顯著或與掃描視角較為接近的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息往往難以準(zhǔn)確獲取。

為解決三維激光掃描法存在的局限性，不少學(xué)者又基于統(tǒng)計學(xué)原理發(fā)展了結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬反演法，用統(tǒng)計學(xué)的方法對有限的結(jié)構(gòu)面信息進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，并基于所統(tǒng)計的數(shù)字特征，構(gòu)建與現(xiàn)場實(shí)際基本一致的虛擬結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)，將抽象的、客觀存在的結(jié)構(gòu)面空間位置、形態(tài)等進(jìn)行可視化，可以更全面地認(rèn)識、展現(xiàn)、反映巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征[5-6]。王家臣等[7]、郭少文等[8]、張文等[9]、胡超等[10]的研究表明，非接觸式測量技術(shù)與結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬可以有效提高測量的精度及效率，再結(jié)合Monte-Carlo模擬法建立的裂隙結(jié)構(gòu)面模型可以獲得更為全面的結(jié)構(gòu)面信息[11]。

綜上，接觸式結(jié)構(gòu)面測量法的測量范圍有限，而三維激光掃描法對局部相對較小尺度的結(jié)構(gòu)面測量精度存在一定局限性。為此，本文結(jié)合接觸式測量準(zhǔn)確度高和激光掃描法測量范圍廣、效率高的優(yōu)勢，以貴州某磷礦高陡巖質(zhì)邊坡為評價對象，對兩種方法所測量的結(jié)構(gòu)面信息進(jìn)行統(tǒng)計分析，再利用統(tǒng)計結(jié)果對結(jié)構(gòu)面的空間形態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)反演模擬，構(gòu)建三維空間結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模型，使巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)的獲取更加客觀，進(jìn)而達(dá)到準(zhǔn)確評價巖體質(zhì)量的目的。

1 工程概況

貴州某露天磷礦采場南幫現(xiàn)狀邊坡開采最高標(biāo)高1 392 m，最低標(biāo)高1 092 m，開采深度較大，屬于高陡巖質(zhì)邊坡。開挖形成時間較短，邊坡表面巖體受風(fēng)化作用一般，巖體裂隙發(fā)育，構(gòu)造出露清晰，節(jié)理清晰可見(見圖1)。

圖1 邊坡概貌

2 結(jié)構(gòu)面調(diào)查

2.1 測線法

對露天采場南幫邊坡進(jìn)行了實(shí)地踏勘，對南幫邊坡的SS-2測區(qū)及SS-3測區(qū)采用測線法調(diào)查，詳細(xì)調(diào)查長度為100.2 m，節(jié)理共174條。

在SS-2測區(qū)共測得節(jié)理96條，節(jié)理平均線密度1.75條/m，結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)統(tǒng)計分布特征如圖2所示。由圖2可知，SS-2區(qū)以1組層理緩傾和2組陡傾結(jié)構(gòu)面為主，臺階邊坡具備發(fā)生局部傾倒破壞和掉塊的可能。通過DIPS軟件分析優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面(見圖3)可知：層面B1產(chǎn)狀為310°∠8°；節(jié)理J1產(chǎn)狀為25°∠72°；節(jié)理J2產(chǎn)狀為292°∠80°。

(a)傾角分布直方圖

在SS-3測區(qū)共測得78條節(jié)理，節(jié)理線密度2.07條/m。傾角分布上呈現(xiàn)以節(jié)理為主的緩傾和以近乎垂直的陡傾結(jié)構(gòu)面為主。層面B2產(chǎn)狀為287°∠8°；節(jié)理J3產(chǎn)狀為30°∠75°；節(jié)理J4產(chǎn)狀為305°∠76°。

2.2 三維激光掃描法

本次研究區(qū)域范圍廣、高差大，臺階邊坡高度24 m，測線法難以大范圍覆蓋，為此采用BLSS-PE 礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)進(jìn)行測量，以獲得更為準(zhǔn)確的巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀。

SS-2測區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面智能識別分組效果如圖4所示，將分組后處理得到的各組結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀數(shù)據(jù)導(dǎo)入DIPS軟件擬合赤平投影得到3組結(jié)構(gòu)面(見圖5)：層面B1產(chǎn)狀為272°∠17°，節(jié)理J1產(chǎn)狀為29°∠79°，節(jié)理J2產(chǎn)狀為291°∠82°。其中，層面B1作為總體邊坡的貫穿結(jié)構(gòu)面，節(jié)理J1、J2作為總體邊坡的小規(guī)模結(jié)構(gòu)面，共同控制總體邊坡的局部穩(wěn)定性。不難看出，該方法分析結(jié)果與測線法較為一致。同理， 在SS-3測區(qū)測得3組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面：層面B2產(chǎn)狀為230°∠13°；節(jié)理J3產(chǎn)狀為49°∠76°；節(jié)理J4產(chǎn)狀為283°∠84°。

圖4 SS-2測區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面智能識別分組

3 基于三維網(wǎng)絡(luò)模擬的巖體質(zhì)量評價

巖體的結(jié)構(gòu)面呈現(xiàn)隨機(jī)分布的特點(diǎn)，可通過統(tǒng)計學(xué)對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬，借助概率方法分析結(jié)構(gòu)面各形態(tài)參數(shù)，進(jìn)而得到巖體的RQD[12-15]。泊松圓盤模型將結(jié)構(gòu)面視為圓盤，由產(chǎn)狀、隙寬、半跡長等進(jìn)行表征，巖體表面與圓盤的交線即為結(jié)構(gòu)面跡線。對現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的傾向、隙寬、傾角、間距以及半跡長進(jìn)行分組及分布擬合，并推算得到各組的體密度、圓盤半徑及產(chǎn)狀均值等模擬參數(shù)，然后在Excel 中運(yùn)用Monte Carlo法進(jìn)行隨機(jī)模擬[14]。將模擬結(jié)果導(dǎo)入CAD 生成三維網(wǎng)絡(luò)實(shí)體模型，繼而在模型中“鉆孔”(布置測線)，用“巖心柱”即被各個結(jié)構(gòu)面切割后的測線估算RQD。通過沿不同方向、在不同位置布置“鉆孔”，可以得到各方向的RQD，并繪制各方向的RQD玫瑰花圖，分析RQD各向異性程度，以此為基礎(chǔ)建立RQD概率分布函數(shù)，求得RQD均值與標(biāo)準(zhǔn)差，綜合判定巖體的質(zhì)量。

3.1 結(jié)構(gòu)面參數(shù)獲取

取SS-2結(jié)構(gòu)面模型區(qū)尺寸為5 m×5 m×5 m，根據(jù)統(tǒng)計分析獲得的各組結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及密度信息，在AutoCAD中共生成356個結(jié)構(gòu)面三維實(shí)體，應(yīng)用區(qū)尺寸包含于模型區(qū)內(nèi)，尺寸為4 m×4 m×4 m，主滑方位角為305°。實(shí)體模型圖、主滑平面的網(wǎng)絡(luò)圖(見圖6、圖7)為被模擬的整個節(jié)理巖體的一小部分[15]。同理，取SS-3結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模型，獲得主滑方位角為340°。

圖6 SS-2測區(qū)三維

圖7 SS-2測區(qū)主滑實(shí)體模型平面網(wǎng)絡(luò)圖

3.2 RQD的精確獲取

以15°為間隔在SS-2測區(qū)網(wǎng)絡(luò)模型中模擬12個鉆孔虛擬巖心(見圖8)，并統(tǒng)計各個鉆孔中長度大于10 cm的巖心占總鉆進(jìn)長度的百分比，從而得到各個方向的RQD，并將其繪制成RQD玫瑰花圖(見圖9)，將各個方向上的RQD進(jìn)行加權(quán)算術(shù)平均得到該區(qū)域RQD的均值為50.208%。同理，在SS-3網(wǎng)絡(luò)模型圖中計算得到該區(qū)域RQD的均值為71.341%。

圖8 SS-2測區(qū)主滑 平面鉆孔布置

圖9 SS-2測區(qū)主滑平面RQD玫瑰花圖

3.3 巖體質(zhì)量評價

根據(jù)模擬計算結(jié)果，該露天礦南幫邊坡巖石的RQD見表1。根據(jù)RQD巖體工程分類方法，整個南幫邊坡巖體質(zhì)量均為“一般”(RQD在50%～75%為一般)。但具體來看，SS-2分區(qū)在區(qū)間下限，接近“差”，而SS-3分區(qū)則在上限，接近“好”。由此說明，南幫邊坡巖體質(zhì)量整體“一般”，且具有“上差下好”的特點(diǎn)。

表1 邊坡巖石的RQD計算結(jié)果

4 結(jié)論

a.采用測線法與三維激光掃描法獲得的巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀結(jié)果基本一致，三維激光掃描法所采集到的結(jié)構(gòu)面信息可作為三維結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，兩種方法相互結(jié)合，可以大大提高獲取野外結(jié)構(gòu)面信息的效率和準(zhǔn)確度。

b.三維結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬法能夠考慮巖體RQD的各向異性，同時可以準(zhǔn)確計算主滑方向上對應(yīng)的RQD，對各分區(qū)邊坡的RQD表征更加客觀、真實(shí)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的不足，使得巖體質(zhì)量評價結(jié)果更為準(zhǔn)確。