楊時業(yè)，侯克鵬，楊會明

(1. 昆明理工大學(xué)，昆明 650093；2. 云南銅業(yè)股份有限公司，昆明 650102)

引言

我國經(jīng)濟建設(shè)的高速增長極大地刺激了資源的開發(fā)、交通體系的完善和城鎮(zhèn)的都市化進(jìn)程。工程數(shù)量的增多和規(guī)模的加大給不同領(lǐng)域帶來了眾多的邊坡工程問題。近年來隨著工程建設(shè)和施工技術(shù)的飛速發(fā)展，巖土邊坡的高度已超過百米，尤其是巖質(zhì)邊坡，因此高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性問題成為了巖土工程的重要研究課題之一[1-4]。在構(gòu)造應(yīng)力作用下，巖體產(chǎn)生各種構(gòu)造形跡。構(gòu)造形跡在空間上的方位都用平面或曲面來表示，這些面統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面在空間的分布狀態(tài)與組合形式構(gòu)成了巖體的機構(gòu)，是決定巖體工程地質(zhì)特征和力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素。結(jié)構(gòu)面這種不連續(xù)面的存在使工程巖體失去其連續(xù)性和完整性，從而導(dǎo)致工程巖體的失穩(wěn)與破壞[5-8]。

大量的工程實踐與研究證明邊坡的失穩(wěn)源于結(jié)構(gòu)面，巖質(zhì)邊坡的變形和破壞通常受控于巖體介質(zhì)特性，沿巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)生。結(jié)構(gòu)面控制著邊坡的變形、破壞和演化過程，所以對巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析要充分考慮結(jié)構(gòu)面因素[3-4]。

1 結(jié)構(gòu)面對邊坡穩(wěn)定性的影響

結(jié)構(gòu)面就是巖體發(fā)展歷史中所形成的地質(zhì)界面，是巖體中各種力學(xué)不連續(xù)面的總稱，其強度較巖體明顯減弱。巖體破壞總是沿相對小阻力面發(fā)生，而結(jié)構(gòu)面間物質(zhì)軟弱松散、抗剪強度低，因此結(jié)構(gòu)面往往成為巖體破壞的控制因素。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，自然斜坡的崩落和滑坡往往源自山體或巖體內(nèi)部某些地質(zhì)界面，如巖體結(jié)構(gòu)面。人工邊坡的變形破壞與巖體結(jié)構(gòu)面的關(guān)系尤為密切。

邊坡巖體的破壞多為剪切和拉斷兩種形式。除少數(shù)情況外，絕大多數(shù)邊坡的破壞均為滑動破壞形式。根據(jù)滑動面的形態(tài)、數(shù)目、組合特征以及邊坡巖體破壞的力學(xué)性質(zhì)，巖體邊坡的破壞可分為曲面滑動、平面滑動、雙平面滑動、多平面滑動和傾覆破壞等五種類型。除軟弱巖體和散體結(jié)構(gòu)巖體外，多數(shù)巖體邊坡的滑動破壞都是由非穩(wěn)定巖體沿著某些軟弱結(jié)構(gòu)面向一定自由空間發(fā)生滑動造成的[9]。上述非穩(wěn)定巖體由若干個軟弱結(jié)構(gòu)面和若干個巖體自由面切割而成，具有一定的幾何形態(tài)和尺寸。

因此，斜坡巖體的破壞實質(zhì)上是作為滑動面的軟弱結(jié)構(gòu)面上的致滑力與摩擦阻力這對矛盾運動和發(fā)展的必然結(jié)果。幾組結(jié)構(gòu)面切割形成的可能滑動塊體是斜坡失穩(wěn)的必要條件，地下水沿結(jié)構(gòu)面滲流并在其中形成超高滲壓以及使滑動結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)弱化是斜坡失穩(wěn)的誘因。所以，斜坡巖體穩(wěn)定問題，實質(zhì)上是巖體結(jié)構(gòu)面的性狀、組合及其與工程作用力的關(guān)系問題。

2 優(yōu)勢面理論

巖體結(jié)構(gòu)控制論最初由中國科學(xué)院地質(zhì)研究所工程地質(zhì)室提出，優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面分析觀點是基于巖體結(jié)構(gòu)控制論。優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面理論是研究工程地質(zhì)問題或巖土工程問題的一種新的觀點和模式，是羅國煜教授在幾十年實踐基礎(chǔ)上建立起來的，首先就巖坡問題于1979年提出，正式發(fā)表于1981年。該理論認(rèn)為優(yōu)勢面控制巖坡變形的邊界，優(yōu)勢面的組合構(gòu)成巖體變形的破壞模式，這種破壞模式即為邊坡物理模型建立的依據(jù)[3-4]。

優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面是在各種結(jié)構(gòu)面中按照優(yōu)勢指標(biāo)找出的對巖體穩(wěn)定性起控制作用的結(jié)構(gòu)面。尋找優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的方法有ANN法、優(yōu)勢指標(biāo)法、專家系統(tǒng)法等，其中最主要的方法為優(yōu)勢指標(biāo)法，該方法根據(jù)如下優(yōu)勢指標(biāo)確定優(yōu)勢面[1]:

CP(I)=t×TP(I)+q×QP(I)+n×NP(I)+g×GP(I)+d×DP(I)

式中：CP(I)為結(jié)構(gòu)面的綜合指標(biāo)；TP(I)、QP(I)、NP(I)、GP(I)、DP(I)分別為第I結(jié)構(gòu)面的時間、性質(zhì)、數(shù)量、規(guī)模和分形優(yōu)勢指標(biāo)；t、q、n、g、d分別為時間(指最后一次活動的時間)、性質(zhì)、數(shù)量、規(guī)模和分形(指結(jié)構(gòu)面的分形維數(shù))優(yōu)勢指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)值。CP(I)≥優(yōu)勢判據(jù)CN時，I結(jié)構(gòu)面為優(yōu)勢面。優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面確定方法如圖1所示。

圖1 優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面確定方法

3 工程背景

邊坡為山脈走向近東西、坡面北的單坡面。礦山經(jīng)過多年的開采現(xiàn)已形成一面坡的現(xiàn)狀，邊坡高度約190 m，邊坡角42°～ 47°，目前已形成2 190 m、2 160 m、2 130 m、2 100 m和2 070 m五個平臺。根據(jù)該礦山開采計劃，最終開挖到1 910 m水平。2 070 m水平以下到最低開采境界1 910 m水平仍采用“一面坡”的形式，邊坡傾角與底板巖層的傾角一致，最終邊坡總體高度將超過300 m。

3.1 礦區(qū)構(gòu)造

邊坡所在礦區(qū)位于香條村背斜北翼東段，地層傾斜北，呈單斜形態(tài)，構(gòu)造相對較為簡單，沒有落差>30 m的斷層。東部地層走向接近東西向，傾角較陡；由10線向西轉(zhuǎn)為300°走向，傾角逐漸變緩。

3.2 地層與巖性

邊坡礦體直接底板為寒武系梅樹村組第一段(∈1m1)，巖性為層紋狀含磷細(xì)晶白云巖、砂質(zhì)白云巖夾燧石條帶，厚度均勻，層厚46.75 m，下部與震旦系上統(tǒng)燈影組呈整合接觸。礦體頂板巖性是一套碳酸鹽沉積為主的白云巖。一般厚度2.43～7.09 m，有一定變化。上部為泥巖、黏土巖夾海綠石砂巖，中部為灰白色細(xì)晶白云巖，下部為磷、錳質(zhì)白云巖夾燧石條帶。地層產(chǎn)狀為東西向，傾角上陡下緩，平均傾角45°。在邊坡的后緣山頂部分，分布有厚3～7 m的第四系坡積、洪積松散巖組(Q)，表面植被發(fā)育。

目前邊坡主要由白云巖、砂質(zhì)白云巖薄層狀結(jié)構(gòu)堅硬巖組(∈1m1)和白云巖厚層—塊狀結(jié)構(gòu)堅硬巖組(Zbdn)構(gòu)成。白云巖、砂質(zhì)白云巖薄層狀結(jié)構(gòu)堅硬巖組(∈1m1)呈條帶狀出露于分水嶺，是礦體的直接底板，具有較強的抗風(fēng)化能力。該層夾有致密磷塊巖薄層，裂隙發(fā)育，底部為白云巖，呈灰黃色、黃色薄層狀，局部風(fēng)化呈砂土狀，紅色。該層為軟弱夾層。白云巖厚層—塊狀結(jié)構(gòu)堅硬巖組(Zbdn)夾硅質(zhì)白云巖及燧石條帶，巖性主要是厚層狀細(xì)粉晶白云巖，為灰白色。該巖層位于邊坡山麓脊部，巖石完整性好，堅硬致密。

3.3 水文地質(zhì)

礦區(qū)處于滇池西側(cè)低中山地帶，地形高差大，水位埋藏較深，最高處標(biāo)高2 225.75 m，山坡有南北向雨裂、沖溝切割，最低侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高為1 883.15 m，利于自然排水，地下水主要由大氣降水補給。

4 巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查

為了確定巖體中結(jié)構(gòu)面發(fā)育的組數(shù)和各組結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度，掌握結(jié)構(gòu)面的分布規(guī)律，經(jīng)過現(xiàn)場邊坡結(jié)構(gòu)面調(diào)查，利用EXCEL對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查常采用詳細(xì)線測法和取樣窗法，本次調(diào)查采用詳細(xì)線測法。

在節(jié)理露頭面上布置一條或者多條相互平行或以任意角度相交的直線，然后詳盡地記錄與這些直線相交的節(jié)理條數(shù)、產(chǎn)狀、跡長以及其他一些參數(shù)，這樣的測量方法稱為詳細(xì)線測法，是一種線測量法。詳細(xì)線測法將結(jié)構(gòu)面共分為8種類型，見下圖2所示：

圖2 詳細(xì)線測法示意圖

結(jié)構(gòu)面調(diào)查的主要內(nèi)容包括方位、間距、跡長、起伏度、張開度、粗糙度、填充物等。目前，衡量節(jié)理分布的密度參數(shù)主要有：平均節(jié)理間距、節(jié)理跡線長度、單位體積的節(jié)理數(shù)、單位面積的節(jié)理數(shù)等。

5 結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計結(jié)果

邊坡面上出露的巖體主要為砂質(zhì)白云巖，根據(jù)現(xiàn)場邊坡面五個平臺的實際情況布置了12個測點，累計調(diào)查共194.67 m，結(jié)構(gòu)面443條。結(jié)構(gòu)面類型以5類為主。張開型結(jié)構(gòu)面占很大比例，偶有鈣質(zhì)充填物，其中巖體結(jié)構(gòu)面間距小于30 cm。大部分結(jié)構(gòu)面屬于平直型，傾角大于45°的結(jié)構(gòu)面占總數(shù)的60%；傾角大于50°的結(jié)構(gòu)面占總數(shù)的46%。統(tǒng)計結(jié)果顯示：邊坡巖體結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，平直型結(jié)構(gòu)面為主要的結(jié)構(gòu)面類型，不利于邊坡巖體的穩(wěn)定性。

對采集的結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)進(jìn)行赤平極射投影分析，繪制極點等密圖[10]，如圖3所示。根據(jù)極點等密圖分析得到的邊坡優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)見下表1所示：

圖3 極點等密圖

圖4 優(yōu)勢面赤平極射投影圖

表1優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)

Table1Dataofpreferredplane

編號1234567傾向359°92°110°210°231°270°354°傾角51°80°70°20°50°81°37°

從圖3可以看出：第2、3、4、5、6組結(jié)構(gòu)面與邊坡基本垂直或大角度相交，對邊坡穩(wěn)定性有利；第7組結(jié)構(gòu)面與邊坡同向且小角度相交，對邊坡穩(wěn)定性不利。

6 結(jié)論

綜上所述，第7組結(jié)構(gòu)面(354°∠37°)是對邊坡穩(wěn)定性起控制作用的結(jié)構(gòu)面，該結(jié)構(gòu)面形成時間較早，為砂質(zhì)白云巖和細(xì)晶白云巖之間的巖層界限。細(xì)晶白云巖巖體堅硬致密，邊坡面沒有細(xì)晶白云巖出露，所以現(xiàn)階段邊坡不會沿著該結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生明顯的滑動，邊坡總體穩(wěn)定。

目前邊坡面均為砂質(zhì)白云巖出露，在削坡卸載后，坡面應(yīng)力重新分布，坡面巖體的風(fēng)化和卸荷裂隙發(fā)育，其中順層結(jié)構(gòu)面較發(fā)育。在開挖過程中局部順層巖體下部被挖空，上部順層巖體失去了下部巖層的支撐作用，造成上部順層巖體懸空，形成潛在的不穩(wěn)定體，在長期暴曬及地下水—地表水的循環(huán)交替作用下，其結(jié)構(gòu)面(層理面)極易達(dá)到飽和而導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)順著層理面滑落下來。所以在開采過程中坡面將伴隨有小規(guī)模的崩塌、剝離失穩(wěn)。

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