邊坡臺階平面破壞的識別和分析

國仕磊 葛汝豪 熊晶晶

（北方礦業(yè)有限責(zé)任公司，北京 100054）

0 引言

巖質(zhì)邊坡的破壞模式多種多樣，目前就研究成果來看，巖質(zhì)邊坡的破壞模式主要分為平面破壞、楔形破壞、傾倒破壞、圓弧破壞和折線破壞以及復(fù)合型破壞等等[1]。平面破壞在礦山開采過程中十分常見，可以在單個(gè)臺階上產(chǎn)生局部的破壞，也可以連接多個(gè)臺階產(chǎn)生大面積的破壞，后者產(chǎn)生的可能性較小。平面破壞典型的巖質(zhì)邊坡的平面滑動(dòng)破壞通常是滑體沿與山坡傾向大致相近的單一滑面滑移，滑面可以是巖體內(nèi)發(fā)育的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面等，如巖層層面、層間軟弱夾層和長大斷層節(jié)理裂隙[2]。

對于邊坡平面破壞的識別和分析研究，國內(nèi)學(xué)者開展了相關(guān)的研究工作。李長洪等結(jié)合水廠鐵礦的地質(zhì)環(huán)境、構(gòu)造、巖性和水文地質(zhì)條件，確定了各巖組可能產(chǎn)生的破壞模式[3]。王飛飛等銅山口銅礦為例，分析了采場各分區(qū)平面破壞的可能性，結(jié)合分析結(jié)果推薦了并段邊坡和不并段邊坡的坡面角[4]。賀超等分析了剛果（金）南II 礦邊坡的平面破壞的可能性，得到了在自重和地下水的基礎(chǔ)條件下，有張裂縫存在和施加爆破振動(dòng)力最易產(chǎn)生平面破壞[5]。路為等將巖質(zhì)順層邊坡的平面破壞根據(jù)其變形破壞的力學(xué)機(jī)制分成兩種地質(zhì)力學(xué)模式:滑移-拉裂型和水力驅(qū)動(dòng)型，并探討了平面破壞產(chǎn)生的破壞機(jī)制[6]。李連祥、馮開帥、李紀(jì)良等都針對平面破壞機(jī)制進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)和研究[7-9]。

本文以剛果（金）龐比銅鈷礦為研究對象，針對采場產(chǎn)生的平面破壞開展，研討臺階平面破壞的識別和分析方法。

1 礦山概況

剛果（金）龐比銅鈷礦位于剛果（金）盧阿拉巴省，在科盧韋齊市以東約70km，海拔標(biāo)高在1470m～1550m之間，地勢平坦，僅有一些小山丘，礦區(qū)現(xiàn)場植被發(fā)育，植被覆蓋良好。屬熱帶草原氣候，全年一般有兩季，11月到4月為雨季，5月到10月為旱季，雨季的特點(diǎn)是經(jīng)常下大暴雨，時(shí)間長短不定，年平均降雨量1220mm，全年最高溫度變化不大。礦區(qū)位于區(qū)域加丹加弧形構(gòu)造帶北西部，礦區(qū)范圍內(nèi)出露地層由老至新主要為羅安群（R1及R2）、恩古巴群（Ng），其多被覆蓋于第四系殘坡積（Q）粉質(zhì)粘土層下，僅在脊?fàn)畹乇怼⒛喜繘_溝及零星分布的人工采坑等部位有出露，礦區(qū)內(nèi)未見巖漿巖產(chǎn)出。礦區(qū)內(nèi)褶皺以緊湊、平行的背斜—向斜為主，構(gòu)造帶內(nèi)次級構(gòu)造極其復(fù)雜，穹隆、殘丘、背向斜、推覆構(gòu)造和斷裂極其發(fā)育。

礦區(qū)內(nèi)共有PN 礦、KE 礦、KS 礦和PG 礦四個(gè)采場，目前只有PN 和KE 采場正在進(jìn)行開采。現(xiàn)場不具備產(chǎn)生大型平面破壞的條件，臺階平面破壞時(shí)有發(fā)生。

2 臺階平面破壞形成原理

臺階平面破壞的形成條件必然是有一條結(jié)構(gòu)面，且結(jié)構(gòu)面的走向與邊坡面的走向平行或近似平行，結(jié)構(gòu)面的摩擦角小于結(jié)構(gòu)面的傾角小于邊坡面的傾角，平面破壞才會(huì)在自然條件下產(chǎn)生，如圖1 所示。結(jié)構(gòu)面傾角小于邊坡面傾角是產(chǎn)生平面破壞或順層破壞的基礎(chǔ)條件，倘若結(jié)構(gòu)面傾角大于邊坡面傾角則不會(huì)產(chǎn)生破壞或產(chǎn)生傾倒破壞；結(jié)構(gòu)面摩擦角小于結(jié)構(gòu)面傾角是平面破壞滑動(dòng)的條件。因此基于平面破壞產(chǎn)生的條件，同時(shí)結(jié)構(gòu)面摩擦角小于結(jié)構(gòu)面傾角時(shí)，平面破壞才會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)。

圖1 平面破壞原理分析圖

圖2 整體平面破壞

圖3 上部斷裂平面破壞

3 臺階平面破壞的識別

平面破壞的識別方法主要有現(xiàn)場勘察和赤平投影分析兩種方式。在現(xiàn)場勘察中比較容易識別，且其重要的特征也較為單一，即在平臺坡面上出現(xiàn)一個(gè)規(guī)整的平面，面上的巖石掉落。

在現(xiàn)場勘察中發(fā)現(xiàn)采場出現(xiàn)的平面破壞主要有兩種形式，第一種為整體平面破壞，從臺階上部整體沿著平面滑落，堆積在坡面下部；第二種為上部斷裂平面破壞，臺階并未整體發(fā)生破壞，而是上部巖石斷裂導(dǎo)致平面破壞沿著上部斷裂面滑落，堆積在坡面下部。

赤平投影分析主要方法為通過現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面測量得到巖體的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，與邊坡坡面的產(chǎn)狀進(jìn)行對比分析，得到可能會(huì)產(chǎn)生平面破壞的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，之后結(jié)合巖石的三軸試驗(yàn)得到的粘聚力和內(nèi)摩擦角換算出等效內(nèi)摩擦角，進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)面傾角、邊坡傾角和內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系分析產(chǎn)生平面破壞的可能性。

從圖4 中可以看出優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面3（295°∠69°）與邊坡坡面（286°∠75°）可能產(chǎn)生平面破壞，通過傾角換算公式1 將優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的傾向劃算與邊坡坡面傾向相同，劃算后得到傾角為68.76°。

巖體等效內(nèi)摩擦角在工程中應(yīng)用較廣，也為廣大工程技術(shù)人員所接受，可用其來判斷邊坡的穩(wěn)定性。等效內(nèi)摩擦角計(jì)算公式如下：

式中：φ—內(nèi)摩擦角，°；

φd—等效內(nèi)摩擦角，°；

c—內(nèi)聚力，kPa；

σ—正應(yīng)力，kPa。

表1 白云巖等效內(nèi)摩擦角

圖5 中為邊坡面、為結(jié)構(gòu)面、為臺階高度為12m時(shí)飽和和自然狀態(tài)下的等效內(nèi)摩擦角，根據(jù)平面破壞產(chǎn)生的條件，結(jié)構(gòu)面的摩擦角小于結(jié)構(gòu)面的傾角小于邊坡面的傾角，可以得到臺階高度為12m，自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下都不會(huì)產(chǎn)生平面破壞。

4 臺階平面破壞安全分析

（1）結(jié)構(gòu)面參數(shù)

根據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》中巖體結(jié)構(gòu)面抗剪斷峰值強(qiáng)度建議[10]，參考《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中結(jié)構(gòu)面、軟弱層、斷層的抗剪斷強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度要求[11]，對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行綜合選值，見表2。

（2）分析工況及許用安全系數(shù)

對龐比銅鈷礦邊坡結(jié)構(gòu)面平面破壞進(jìn)行如下6種受力情況的分析及許用安全系數(shù)，安全系數(shù)的選用參考《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》要求進(jìn)行選取：

I：自重（無張裂隙）+地下水狀況，K=1.21；

II：自重（無張裂隙）+地下水+爆破振動(dòng)力狀況，K=1.19；

III：自重（無張裂隙）+地下水+地震力狀況，K=1.16；

IV：自重（有張裂隙）+地下水狀況，K=1.21；

V：自重（有張裂隙）+地下水+爆破振動(dòng)力狀況，K=1.19；

VI：自重（有張裂隙）+地下水+地震力狀況，K=1.16。

根據(jù)以上六種工況，計(jì)算分析時(shí)白云巖結(jié)構(gòu)面參數(shù)采用飽水狀態(tài)的數(shù)據(jù)。

（3）分析結(jié)果

采用RocPlane 分析軟件，分析北部邊坡可能發(fā)生平面破壞的可能性。本次平面破壞分析主要考慮臺階高度為12m 情況，并考慮到坡頂有張裂縫存在。典型的平面破壞分析結(jié)果圖如圖6所示，計(jì)算結(jié)果如表3所示。從分析結(jié)果表得知：

表3 白云巖臺階平面破壞分析結(jié)果

圖6 12m臺階（坡面角75°）受力I和IV時(shí)分析結(jié)果圖

1）受力I～I(xiàn)II、IV～VI 條件下，隨著坡面角度增大或臺階高度增大臺階安全系數(shù)依次降低。

2）白云巖邊坡臺階高度為12m 的情況下，坡面角70～75°時(shí)，六種受力情況邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會(huì)發(fā)生平面破壞。

3）計(jì)算分析結(jié)果與赤平投影分析結(jié)果一致。

5 結(jié)論

（1）平面破壞識別兩種主要途徑，現(xiàn)場勘察和赤平投影分析，其中赤平投影分析能夠判斷平面破壞發(fā)生的可能性，通過分析可以坡面角為75°，臺階高度為15m時(shí)平面破壞不會(huì)產(chǎn)生。

（2）通過RocPlane 分析臺階高度為12m 的情況下，坡面角70～75°時(shí)，六種受力情況邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會(huì)發(fā)生平面破壞。

（3）計(jì)算分析結(jié)果與赤平投影分析的結(jié)果相同，表明結(jié)果可靠。