王恒濤， 王懷勇

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

巖質(zhì)邊坡中平面滑坡和楔形滑坡是十分常見的破壞模式，它既可達(dá)到很大的規(guī)模，也能在小范圍內(nèi)發(fā)生。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是指研究塊體在重力作用下而引起的運(yùn)動(dòng)，是一種結(jié)合立體投影與矢量代數(shù)理論，將結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、坡面產(chǎn)狀及摩擦角進(jìn)行赤平極射投影，依據(jù)引起邊坡不同破壞模式發(fā)生的條件，在投影圖中初步確定邊坡穩(wěn)定性及破壞模式的方法。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析理論在研究受結(jié)構(gòu)面控制的邊坡穩(wěn)定性中十分簡(jiǎn)便而有效，因此其在國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用，并取得豐富成果[1-3]。王常青等[4]提出了雙臨空面邊坡滑動(dòng)區(qū)與傾倒區(qū)的確定方法，并將其應(yīng)用到三峽庫區(qū)郭家壩村邊坡的破壞模式研究中；張學(xué)東等[5]運(yùn)用邊坡運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的方法對(duì)巴基斯坦水電站廠房后邊坡的破壞模式進(jìn)行分析和探討。

由于運(yùn)動(dòng)學(xué)分析理論僅考慮重力的作用，對(duì)確定邊坡破壞模式方面簡(jiǎn)便有效，且此分析方法只對(duì)邊坡破壞模式進(jìn)行定性分析，而邊坡的穩(wěn)定性需進(jìn)一步采用極限平衡法進(jìn)行定量分析計(jì)算，得到其邊坡的安全系數(shù)。極限平衡法是最古老的邊坡穩(wěn)定性分析方法，其基本理論是建立在靜力學(xué)原理之上，是根據(jù)靜力平衡原理分析邊坡不同破壞模式下的受力情況，以抗滑力和下滑力之間的關(guān)系分析邊坡的穩(wěn)定性。其假定邊坡為剛體，可能沿著剛體中的某一滑動(dòng)面滑動(dòng)，計(jì)算時(shí)將可能滑動(dòng)部分切分成條塊，并對(duì)條塊間力進(jìn)行合理的假設(shè)，通過迭代試算獲得邊坡的安全系數(shù)。因考慮條塊間力的假定條件及滑動(dòng)面形狀的不同，極限平衡法又可分為：普通條分法、Bishop法、Janbu法、Spencer簡(jiǎn)化法、Morgenstern-Price法、Sarma法以及美國(guó)陸軍工程師團(tuán)法等。極限平衡法所需數(shù)學(xué)模型較為簡(jiǎn)易，且概念清晰，對(duì)工程剖面及加載條件適應(yīng)性較強(qiáng)，因此其在邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)估中得到廣泛的應(yīng)用[6-10]。王瑞紅等[11]以金川水電站泄洪洞邊坡為例，在考慮邊坡楔形體失穩(wěn)以及滑移面對(duì)整體穩(wěn)定性影響下，運(yùn)用極限平衡法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析；王鴻[12]等利用極限平衡法的計(jì)算原理，對(duì)露天礦邊坡在不同的工況條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。

本文以非洲如瓦西銅鈷礦西南邊坡為工程背景，將運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與極限平衡法相結(jié)合對(duì)其邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。具體研究?jī)?nèi)容為：首先對(duì)該礦區(qū)西南邊坡結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，采用DIPS軟件對(duì)統(tǒng)計(jì)的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行赤平極射投影，得到邊坡優(yōu)勢(shì)節(jié)理組；然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析原理對(duì)可能出現(xiàn)的邊坡破壞模式進(jìn)行初步定性分析；最后進(jìn)一步采用GEOSLOPE軟件的極限平衡分析方法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

1 案例分析

1.1 露天礦邊坡工程概況

非洲如瓦西銅鈷礦為層狀沉積巖型銅礦床，形成于中非銅礦帶。此銅礦帶形成地區(qū)擁有世界三分之一的鈷礦儲(chǔ)量和十分之一的銅礦儲(chǔ)量。中非銅礦帶的銅鈷礦床賦存于地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈變形的巖石弧形帶內(nèi)，該弧形帶從安哥拉東北部開始延伸，向南經(jīng)過剛果(金)，進(jìn)入贊比亞境內(nèi)。

如瓦西礦床為典型的剛果銅礦帶礦床。如瓦西銅礦帶長(zhǎng)24 km，寬2 km，由西北至東南方向呈現(xiàn)褶皺構(gòu)造。Lukuni-Ruashi-Etoile trend包含伏臥褶皺、向斜褶皺，Ruashi位于南部邊緣，Etoille位于北部邊緣。兩側(cè)為Roan巖組，中部為Mines巖組組成，形成一個(gè)西北至東南突出的區(qū)域性逆沖斷層。一個(gè)局部的逆沖斷層傾向南，位于Ruashi礦體南部的RAT地層中。一個(gè)角礫巖型斷層將礦體分為幾部分。如瓦西銅鈷礦西南邊坡主要巖性為RAT組砂巖、泥巖以及角礫巖。其地層產(chǎn)狀傾向約為40°，傾角略有變化，上部?jī)A角較陡，約為60°，下部?jī)A角約為40°。

該礦位于地表分水嶺附近，淺部風(fēng)化嚴(yán)重?，F(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)其西南側(cè)上部邊坡存在多處小型圓形破壞，并且部分破壞處可觀察到地下水流出，目前已采取措施對(duì)邊坡中地下水進(jìn)行疏干。本次穩(wěn)定性分析基于邊坡疏干排水、地下水位大幅下降、邊坡處含水層已基本疏干的情況下進(jìn)行分析研究的。

圖2 西南邊坡巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)圖

根據(jù)巖石風(fēng)化程度，將西南邊坡分成2種工程地質(zhì)巖組：上部為風(fēng)化層巖組，深度約為70 m；下部為新鮮層巖組，具體巖體力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 西南邊坡巖體力學(xué)參數(shù)特征表

露天礦西南邊坡上部風(fēng)化層邊坡角為28°，下部新鮮地層邊坡角為50°，整體邊坡角為37°。上部露天坑境界線標(biāo)高為1 270 m，邊坡底部標(biāo)高為1 020 m，邊坡高程為250 m。典型邊坡剖面幾何尺寸如圖1所示。

圖1 露天礦西南邊坡示意圖

1.2 結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析

為深入了解露天礦西南側(cè)邊坡深部構(gòu)造裂隙發(fā)育情況，在西南側(cè)邊坡施工3個(gè)定向鉆孔，鉆孔間距約為150 m，對(duì)鉆孔巖芯進(jìn)行工程地質(zhì)編錄，調(diào)查結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息，并運(yùn)用Rocscience公司的DIPS軟件進(jìn)行極射赤平投影分析，得到西南側(cè)邊坡優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面。從圖2中可知，西南側(cè)邊坡發(fā)育一組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，其產(chǎn)狀主要為90°∠6°～-160°∠34°，均值約為123°∠15°。

1.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在上述西南側(cè)邊坡結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)調(diào)查基礎(chǔ)上，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。西南邊坡走向近北西- 南東，初步設(shè)計(jì)邊坡角為45°，結(jié)構(gòu)面摩擦角為30°。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果如圖3所示。

從圖3a分析結(jié)果可知，位于平面滑動(dòng)區(qū)的極點(diǎn)較少，為隨機(jī)節(jié)理面，延伸較短，發(fā)生平面滑動(dòng)破壞的概率為3.08%，較低，其可認(rèn)為發(fā)生平面滑動(dòng)破壞的可能性不大。

從圖3b分析結(jié)果可知，發(fā)生楔形體破壞的概率為4.53%，較低，但通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)部分邊坡巖體較破碎，各種結(jié)構(gòu)面發(fā)育，不排除結(jié)構(gòu)面切割形成小規(guī)模楔形體的存在。

圖3 西南邊坡運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果圖

1.4 極限平衡法穩(wěn)定性分析

在運(yùn)動(dòng)學(xué)定性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)西南邊坡使用GEO- SLOPE軟件進(jìn)行穩(wěn)定性定量分析，分別選用Janbu法和Bishop法進(jìn)行計(jì)算分析。其中Janbu法是基于直線和曲線組成的非圓弧滑面的計(jì)算分析，Bishop法是基于圓弧滑動(dòng)面的計(jì)算分析。

從圖4中，可知Janbu法穩(wěn)定性計(jì)算最小安全系數(shù)為1.327，Bishop法穩(wěn)定性計(jì)算最小安全系數(shù)為1.527。根據(jù)規(guī)范要求，西南側(cè)邊坡最小安全系數(shù)大于規(guī)范要求值，可認(rèn)為西南邊坡整體上是穩(wěn)定的。

圖4 極限平衡法穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

2 結(jié)論

(1)通過對(duì)西南邊坡施工的定向鉆孔巖芯進(jìn)行工程地質(zhì)編錄，得知其邊坡主要發(fā)育一組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，其產(chǎn)狀約為123°∠15°。

(2)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果表明，西南邊坡發(fā)生平面滑坡和楔形體滑坡的概率較小，但由于邊坡部分巖體較破碎，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，不排除小規(guī)模楔形體滑坡的可能。

(3)極限平衡法對(duì)西南邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，Janbu法和Bishop法計(jì)算得到的邊坡最小安全系數(shù)均高于規(guī)范要求值，其可認(rèn)為邊坡是穩(wěn)定的。

總之，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與極限平衡法相結(jié)合對(duì)西南邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，整體上可認(rèn)為該邊坡是穩(wěn)定的，其發(fā)生平面滑動(dòng)和楔形體滑動(dòng)的危險(xiǎn)性較低，但不排除局部結(jié)構(gòu)面發(fā)育部位發(fā)生小規(guī)模楔形體滑坡的可能，施工期間需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)支護(hù)。