基于赤平投影法的夏日哈木露天采場邊坡穩(wěn)定性分析

陸建同，李 軍，何 平，孟祥超

(山東省魯南地質工程勘察院(山東省地質礦產勘查開發(fā)局第二地質大隊)，山東 兗州272100)

邊坡穩(wěn)定性一直是邊坡工程關注的內容之一，其失穩(wěn)給生命財產帶來了極大的威脅[1]。為準確地分析邊坡穩(wěn)定性及采取適當的施工措施，學者們提出了極限平衡法[2]、赤平極射投影圖解法(以下簡稱“赤平投影法”)、數值分析法、模糊數學法等，方法各有利弊[3]。其中赤平投影法主要用來表示線、面的方位，以及相互間角距關系及其運動軌跡，把物體三維空間的結合要素(線、面)反映在投影平面上研究處理[4]。邊坡穩(wěn)定性分為穩(wěn)定結構邊坡、基本穩(wěn)定結構邊坡和不穩(wěn)定結構邊坡三種類型[5]。巖質不穩(wěn)定邊坡的破壞模式分為簡單平面破壞和楔形破壞(圖1)，赤平投影法根據邊坡產狀與優(yōu)勢結構面之間的位置關系，能形象地反映兩種破壞形式。本文以青海夏日哈木擬建露天采場巖質邊坡結構面特征，選取赤平投影法對邊坡進行穩(wěn)定性分析。

圖1 --巖質不穩(wěn)定結構邊坡赤平極射投影圖Fig 1.Stereographic Projection Map of Unstable Rock Structure Slope

1 露天采場概況

1.1 露天采場設計概況

夏日哈木鎳鈷礦地處青海西部東昆侖山脈西段，采用露天開采，擬規(guī)劃建設年產礦石量561萬噸，設計生產服務年限18年。可行性研究擬建露天采場設計長1670m，平均寬1200m，最高邊坡超過600m，采場具體參數見圖2和表1。該擬建露天采場分為五個區(qū)，各分區(qū)邊坡初步設計坡度42O～45O，各臺階坡面角60°～65°。

表1 邊坡分區(qū)參數表

圖2 擬建露天采場工程地質圖[1]

1.2 地形地貌及水工環(huán)地質特征

露天采場處于青藏高原腹地，整體地勢西南高，北東低，屬于柴達木盆地區(qū)和東昆侖山脈過渡帶。研究區(qū)最低海拔高程+3299m，最高海拔高程+3699.15m，主要為中海拔小起伏中山及丘陵；采場附近河流屬于柴達木盆地內陸水系，流程短，均為季節(jié)性河流，每年6月至10月為有水期，以大氣降水及山區(qū)冰雪融水為補給水源；采場內巖石較堅硬-堅硬，工程地質條件較好；地質災害現象不發(fā)育，僅山頂發(fā)育少量崩塌，地下水質量等級總體良好-較差。

1.3 露天采場邊坡工程地質概況

露天采場境界內及周邊巖體工程地質類型劃分3個工程地質巖組，分為堅硬-較堅硬塊狀巖漿巖巖組；堅硬-較堅硬層狀副變質巖巖組；堅硬層狀正變質巖巖組[6](圖2)。

1-更新世沖洪積，2-堅硬-較堅硬層狀副變質巖巖組，3-堅硬層狀花崗質片麻巖巖組，4-堅硬層狀正變質巖巖組，5-擬建露天采場境界，6-擬建露天采場分區(qū)編號，7-擬建露天采場分區(qū)界線，8-擬建露天采場分區(qū)設計坡度，9-擬建露天采場內部等高線及高程，10-優(yōu)勢結構面控制點位置及編號，11-片麻理產狀

(1)堅硬-較堅硬塊狀巖漿巖巖組：塊狀結構，主要巖石為輝石巖和輝長巖，其次為各類花崗巖脈，各巖石飽和單軸抗壓強度31.60MPa～76.2MPa，堅硬-較堅硬巖類，巖體構造以剪節(jié)理為主，裂隙率5條/m，巖體體積節(jié)理數條9條/m3，邊坡巖體完整程度較破碎。主要分布于邊坡一區(qū)。

(2)堅硬-較堅硬層狀副變質巖巖組：呈層狀，主要巖石為黑云斜長片麻巖和各類片巖，巖石飽和單軸抗壓強度31.30MPa～101.80MPa，較堅硬-堅硬巖類。巖體內構造以剪節(jié)理為主，其次為片麻理、片理，裂隙率5條/m～6條/m，巖體體積節(jié)理8條/m3～9條/m3，邊坡巖體完整程度較完整-較破碎。主要分布于三、四區(qū)。

(3)堅硬層狀正變質巖巖組：厚層狀，主要為花崗質片麻巖，巖石飽和單軸抗壓強度67.5MPa～107.4MPa，較堅硬-堅硬巖類。巖體內構造以剪節(jié)理為主，次為片麻理，裂隙率5條/m，巖體體積節(jié)理9條/m3，邊坡巖體完整程度較完整。條帶狀分布于露天采場境界內中西部各區(qū)不均勻分布。

區(qū)內斷層與褶皺構造不發(fā)育、不存在層間軟弱結構面及層間滑動現象，巖體物理力學性質較好，各巖體主要優(yōu)勢結構面以剪節(jié)理、片麻理及片理為主，邊坡主要工程地質問題為結構面穩(wěn)定性問題。

2 赤平極射投影法邊坡穩(wěn)定性分析

擬建露天采場邊坡主要優(yōu)勢結構面為剪節(jié)理、片麻理或片理等，選擇15個具代表性的結構面控制點(圖2)進行赤投影分析。由于本露天采場設計為臺階式邊坡開采，每臺階的邊坡高度不超過30m，因此楔形滑坡一般發(fā)生在臺階邊坡上，規(guī)模一般較小，分析時邊坡的坡角采用臺階坡面角65°。其赤平投影結果見圖3，有9個優(yōu)勢結構面控制點(一區(qū)MG12控制點，二區(qū)MG09與MG05控制點，三區(qū)MG07與MG08控制點，四區(qū)MG10控制點，五區(qū)MG02、MG13、MG15)控制點兩組結構面交線傾向與邊坡傾向大致相同且兩組結構面交線的傾角大于傾向邊坡傾角，有發(fā)生楔形破壞的可能，為不穩(wěn)定結構邊坡。其余6個穩(wěn)定-基本穩(wěn)定結構邊坡。本文重點對不穩(wěn)定結構邊坡進行分析評價。

大量楔形滑坡實例表明[7-9]：兩結構面交線傾角>25°且兩結構面交線傾向與邊坡傾向夾角<60°時，楔形滑坡可能性大；兩結構面交線傾角>25°或兩結構面交線傾向與邊坡傾向夾角<60°時，楔形滑坡可能性較大；兩結構面交線傾角<25°且兩結構面交線傾向與邊坡傾向夾角>60°時，楔形滑坡可能性較小。據此可快速判斷各分區(qū)發(fā)生楔形滑坡可能性的大小。

2.1 一區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

MG12控制點兩組結構面交線的傾向與邊坡傾向相同，且傾角小于坡角，為不穩(wěn)定型邊坡，有形成楔形滑動面的可能。MG12兩結構面交線傾角16.6°<25°，兩結構面交線傾向與邊坡傾向夾角65°>60°時，發(fā)生楔形滑坡的可能性較小(表2，圖3)。

2.2. 二區(qū)邊坡穩(wěn)定性定性分析

MG09與M05兩組結構面交線的傾向與邊坡傾向相同，且傾角小于坡角，為不穩(wěn)定型，有形成楔形滑動面可能。根據兩結構面交線傾角大小、兩結構面交線傾向與邊坡傾向夾角大小分析(表2)，MG09、MG05發(fā)生楔形滑坡可能性較大。圖3。

2.3 三區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

MG07、MG08兩組結構面交線的傾向與邊坡傾向相同，且傾角小于坡角，為不穩(wěn)定型，有形成楔形滑動面可能。據兩結構面交線傾角大小、兩結構面交線傾向與邊坡傾向夾角大小分析(表2)，MG07發(fā)生楔形滑坡可能性大，MG08發(fā)生楔形滑坡可能性較小。圖3。

2.4 四區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

MG10兩組結構面交線的傾向與邊坡傾向相同，且傾角小于坡角，為不穩(wěn)定型，有形成楔形滑動面可能。據兩結構面交線傾角大小、兩結構面交線傾向與邊坡傾向夾角大小分析(表2)，MG10發(fā)生楔形滑坡可能性大。圖3。

2.5 五區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

MG02、MG13、MG15兩組結構面交線的傾向與邊坡傾向相同，且傾角小于坡角，為不穩(wěn)定型，有形成楔形滑動面可能。據兩結構面交線傾角大小、兩結構面交線傾向與邊坡傾向夾角大小分析(表2)，MG02、MG13、MG05發(fā)生楔形滑坡可能性較大。圖3。

通過以上分析，二區(qū)MG09、三區(qū)MG07、四區(qū)MG10、五區(qū)MG05發(fā)生楔形滑坡可能性大，二區(qū)MG05、五區(qū)MG02、MG13發(fā)生楔形滑坡可能性較大，一區(qū)MG12、三區(qū)MG08發(fā)生楔形滑坡可能性小。

圖3 地表優(yōu)勢結構面與邊坡的關系赤平投影圖

表2 赤平投影法邊坡穩(wěn)定性分析結果表

3 擬建邊坡穩(wěn)定性分區(qū)及防治措施

3.1 擬建邊坡穩(wěn)定性分區(qū)

據赤平投影法邊坡穩(wěn)定性定性分析結果，對擬建露天采場邊坡防治分四個防治區(qū)，重點防治區(qū)(發(fā)生滑坡可能性大)、次重點防治區(qū)(發(fā)生滑坡可能性較大)、一般防治區(qū)(發(fā)生滑坡可能性小)和一般監(jiān)測區(qū)(不具備發(fā)生楔形滑坡的條件)，見圖4。

圖4 擬建露天采場邊坡穩(wěn)定性分區(qū)圖

3.2 邊坡防治措施

3.2.1 重點防治區(qū)邊坡防治措施

(1)放緩臺階邊坡設計邊坡角：擬建各臺階邊坡坡度過陡是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)最主要的因素，建議對重點防治區(qū)降低各臺階邊坡的設計邊坡角。

(2)錨桿錨固、結構面灌漿或注漿處理：邊坡開挖中，對結構面交線傾角較陡的楔形體，建議采用錨桿或錨索技術穩(wěn)定斜坡體；對于已經開裂的節(jié)理、片麻理等優(yōu)勢結構面應及時進行灌漿或注漿處理。

(3)建立邊坡排水系統(tǒng)(減少邊坡孔隙水壓力)：必須重視孔隙水壓力對邊坡的影響。邊坡形成后，設置有效的明排水系統(tǒng)(截水溝、排水溝等)，以減少雨季大氣降水形成的地表水對邊坡的直接入滲和破壞。

(4)建立邊坡監(jiān)測系統(tǒng)：邊坡形成后，建立邊坡監(jiān)測系統(tǒng)，定期對邊坡變形、邊坡裂縫點位移、邊坡孔隙水壓力、邊坡地應力等進行監(jiān)測。

3.2.2 次重點防治區(qū)邊坡防治措施

主要在邊坡開挖過程中，對結構面交線傾角較陡的楔形體，建議采用錨桿或錨索技術穩(wěn)定斜坡體；對已開裂的優(yōu)勢結構面及時灌漿或注漿處理。楔形滑坡體，同時應建立邊坡排水系統(tǒng)(減少邊坡孔隙水壓力)和邊坡監(jiān)測系統(tǒng)，定期對邊坡進行監(jiān)測。

3.2.3 一般防治區(qū)和一般監(jiān)測區(qū)

應建立邊坡排水系統(tǒng)(減少邊坡孔隙水壓力)和邊坡監(jiān)測系統(tǒng)，定期對邊坡進行監(jiān)測。

4 結 語

(1)通過赤平投影法定性分析結果：有9處赤平投影控制點處為不穩(wěn)定結構邊坡，并根據形成楔形體的兩組結構面交線傾角大小及兩組結構面交線的傾向與邊坡傾向的關系預測了發(fā)生楔形型滑坡的可能性大小。

(2)根據赤平投影法邊坡穩(wěn)定性定性分析結果，對擬建露天采場邊坡穩(wěn)定性的分區(qū)劃分了邊坡防治分區(qū)，并針對不同的防治區(qū)提出了相對性的防治措施。

(3)本次邊坡穩(wěn)定性赤平投影法定性分析快速簡潔、分析結果及提出的邊坡防治建議合理可行，建議在類似露天采場邊坡設計中加以推廣。