鄭東華，劉 吉，胡 斌

（1.浙江省第十一地質(zhì)大隊(duì)，浙江 溫州 325006；2.四川省水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全中心站，四川 成都 610017）

我國東南沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，工業(yè)、交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對建筑石料的需求量十分巨大，今后數(shù)年，以火山巖為主的建筑石料露天礦山邊坡數(shù)量十分龐大。不同于公路、鐵路及市政等進(jìn)行支護(hù)的永久性邊坡[1-3]，礦山邊坡普遍為不進(jìn)行支護(hù)的臨時(shí)性邊坡[4]，崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率更大[5-6]，邊坡穩(wěn)定性及其管理問題將越來越突出，制約著礦產(chǎn)資源的安全、高效開發(fā)。

近年來，針對露天非金屬礦山邊坡變形破壞模式和穩(wěn)定性評價(jià)的研究較多[7-13]。以上研究均是從宏觀上總結(jié)礦山邊坡的變形破壞模式，并未區(qū)分變形破壞規(guī)模，對邊坡局部破壞和整體破壞特點(diǎn)及其處置方式的差異性缺乏深入研究，沒有按照礦山邊坡尺度規(guī)模特征進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)。為此，以浙江溫州市某海島火山巖露天礦山邊坡為研究對象，在全面調(diào)查礦山邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征和變形破壞特征基礎(chǔ)上，結(jié)合監(jiān)測成果和三維數(shù)值模擬結(jié)果，詳細(xì)分析了邊坡變形破壞機(jī)制與發(fā)展趨勢，總結(jié)了此類邊坡整體變形破壞與穩(wěn)定性規(guī)律，為東南沿海地區(qū)火山巖露天礦山地質(zhì)災(zāi)害評估、終了邊坡設(shè)計(jì)與治理提供借鑒。

1 邊坡概況

1.1 地質(zhì)條件

邊坡區(qū)主要出露強(qiáng)～中風(fēng)化燕山晚期鉀長花崗巖（ξγ53），呈淺肉色－淺肉紅色，細(xì)?；◢徑Y(jié)構(gòu)和顯微文象結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石平均抗壓強(qiáng)度143.0 MPa。區(qū)內(nèi)未見斷層、夾層和脈巖，發(fā)育北東東、北東、北西、近南北向四組節(jié)理。區(qū)內(nèi)地下水類型主要為基巖裂隙水，透水性差，水量貧乏。

邊坡區(qū)域發(fā)育的4 組裂隙參數(shù)如下：

1）裂隙Ⅰ。產(chǎn)狀320°～350°∠51°～88°，間距0.1～0.6 m，延伸長度5.0 m～10.0 m。

2）裂隙Ⅱ。產(chǎn)狀40°～60°∠61°～79°，間距0.2～1.0 m，延伸長度10.0 m。

3）裂隙Ⅲ。產(chǎn)狀110°～135°∠50°～73°，間距0.2～0.8 m，延伸長度5.0～10.0 m。

4）裂隙Ⅳ。產(chǎn)狀250°～280°∠62°～84°，間距0.25～0.5 m，延伸長度3.5 m～10.0 m。

1.2 邊坡形態(tài)和變形破壞特征

最終邊坡總體傾向333°，臺(tái)階坡面傾角60°，最終邊坡角40°～50°，平臺(tái)寬度4.0～6.0 m，臺(tái)階高度為15.0 m，當(dāng)前坡底高程為＋70.0 m，坡頂最大高程為＋150.0 m。

邊坡在2021 年至2022 年已發(fā)生過多次坍塌與滑坡，以2022 年7 月＋85.0 m 水平平臺(tái)以上的滑坡變形范圍最大?；缕矫婵傮w形態(tài)呈扇形。后緣寬20.0～30.0 m，前緣寬85.0～90.0 m，縱向水平長度55.0～60.0 m，后緣高程＋140.0～＋144.0 m，前緣剪出口高程＋82.0～＋85.0 m，西側(cè)界限較為明顯，與邊坡近垂直，裂縫方向與裂隙Ⅱ走向基本一致。初步估算滑體厚度5.0～17.0 m，體積9.5×104m3。

滑坡后緣以張拉裂縫為主，裂縫最大張開寬度0.8～1.0 m，可見深度超過2.0 m，后緣裂縫與西側(cè)緣裂縫近垂直相交，裂縫方向與裂隙Ⅰ走向基本一致。在145.0 m 高程附近，后緣裂縫呈“之”字型向東發(fā)展，并從張拉變形為主演變?yōu)橐韵洛e(cuò)剪切變形為主，最大下錯(cuò)量達(dá)到1.7 m，后緣東側(cè)緣滑壁可見明顯斜向擦痕，滑壁面產(chǎn)狀295°∠50°。

2 邊坡變形監(jiān)測

在滑坡體＋115.0 m 高程以上坡面布置7 個(gè)地表變形監(jiān)測點(diǎn)，其中J1、J2位于滑坡后緣原始邊坡，J3～J7位于滑坡體。取2022 年7 月22 日至8 月16 日的監(jiān)測數(shù)據(jù)（監(jiān)測期間未降雨）進(jìn)行邊坡變形特征分析。監(jiān)測點(diǎn)水平位移速率隨時(shí)間變化特征如圖1，監(jiān)測點(diǎn)沉降速率隨時(shí)間變化特征如圖2，監(jiān)測點(diǎn)變形方向隨時(shí)間變化特征如圖3。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)水平位移速率—時(shí)間變化曲線

圖2 監(jiān)測點(diǎn)沉降速率—時(shí)間變化曲線

圖3 監(jiān)測點(diǎn)變形方向—時(shí)間變化曲線

1）水平變形特征。由圖1 可知：J1、J2監(jiān)測點(diǎn)開始階段位移變化較大，說明后緣邊坡在滑坡滑動(dòng)后出現(xiàn)臨空，坡體應(yīng)力開始調(diào)整，隨著時(shí)間推移，應(yīng)力調(diào)整完成，后緣邊坡變形趨于穩(wěn)定，變形速率趨于0；J3～J7監(jiān)測點(diǎn)位于滑坡體上，x 方向上變形速率較大，大部分超過5.0 mm/d，隨后逐漸降至3.0～5.0 mm/d；y 方向開始階段變形速率達(dá)到15.0 mm/d，并逐漸降至5.0 mm/d 以下，之后基本穩(wěn)定在2.0～3.0 mm/d。

2）沉降變形特征。由圖2 可知：J1、J2監(jiān)測點(diǎn)開始階段沉降變化較大，隨著時(shí)間推移，沉降變形逐漸趨于零；J3～J7監(jiān)測點(diǎn)在前期呈加速趨勢，至7 月29 日變形速率最大，可達(dá)15.0～20.0 mm/d，之后變形速率逐步降至5.0 mm/d 以內(nèi)。

3）變形方向特征。由圖3 可知：J1、J2監(jiān)測點(diǎn)處于穩(wěn)定后緣邊坡上，水平位移和垂直位移變形方向規(guī)律性不強(qiáng)；J3～J7監(jiān)測點(diǎn)水平位移變形方向都趨于一致，方向角平均值為342°，垂直位移變形方向也都趨于穩(wěn)定，變形傾角在38°～52°，平均值為45°。

3 數(shù)值模擬

為進(jìn)一步驗(yàn)證開挖邊坡變形破壞模式，利用離散元程序（3DEC）建立邊坡三維數(shù)值模型對邊坡變形情況進(jìn)行模擬。

3.1 模型和參數(shù)

模擬范圍為變形破壞邊界外25.0～30.0 m，平面130.0 m×160.0 m，底高程＋60.0 m，最大高程＋150.0 m。實(shí)際邊坡形態(tài)復(fù)雜，為便于計(jì)算，將邊坡簡化為強(qiáng)～中風(fēng)化巖體，巖體受4 組裂隙切割。計(jì)算模型采用摩爾—庫倫彈塑性模型[14]。同時(shí)，在邊坡表面沿主變形方向設(shè)置1 條監(jiān)測斷面，從坡頂向坡腳等間隔布置6 個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)。

根據(jù)前期勘察成果和現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，邊坡巖體與結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)如下：

1）強(qiáng)～弱風(fēng)化花崗巖。具體參數(shù)為：彈性模量10.8 GPa；泊松比0.32；密度2 550 kg/m3；黏聚力150 kPa；內(nèi)摩擦角32°。

2）結(jié)構(gòu)面。具體參數(shù)為：切向剛度0.75 MPa/mm；法向剛度1.7 MPa/mm；黏聚力26 kPa；內(nèi)摩擦角28°。

3.2 模擬結(jié)果

根據(jù)模擬過程分析，2 000 計(jì)算時(shí)步后最大不平衡力趨于穩(wěn)定，5 000 計(jì)算時(shí)步后位移趨于穩(wěn)定，因此，變形云圖分析取2 000 計(jì)算時(shí)步數(shù)據(jù)，變形監(jiān)測點(diǎn)取5 000 計(jì)算時(shí)步數(shù)據(jù)。邊坡水平x、y 方向與垂直z 方向位移場分布情況如圖4，邊坡監(jiān)測點(diǎn)變形水平方向角（與N 方向夾角）及位移傾角隨計(jì)算時(shí)步變化曲線如圖5。

圖4 邊坡位移云圖

圖5 監(jiān)測點(diǎn)變形方向—計(jì)算時(shí)步變化曲線

1）位移場分布規(guī)律。從各云圖變形量來看：開挖邊坡中上部變形量相對較大，模擬區(qū)東側(cè)凸出部位（也即主滑體部分）變形量最大，且受坡面大角度相交的裂隙Ⅱ切割控制，裂隙兩側(cè)巖體變形不一致，出現(xiàn)順坡向的位移差，表現(xiàn)為云圖呈錯(cuò)斷狀的不連續(xù)，這與實(shí)際邊坡東側(cè)垂直坡面存在明顯的滑坡側(cè)緣情況相符。從各云圖變形位置來看：邊坡下部的水平方向變形量較邊坡上部大，而垂直方向的變形量則剛好相反。

2）變形方向規(guī)律。從曲線圖5（a）可以看出，除2＃監(jiān)測點(diǎn)外，邊坡其余監(jiān)測點(diǎn)總體變形方向?yàn)?33°～350°，平均值343°。從曲線圖5（b）可以看出:1＃、2＃監(jiān)測點(diǎn)位于邊坡上部，變形以垂直方向?yàn)橹鳎瑑A角較大，而邊坡中下部以水平變形為主，3＃～6＃監(jiān)測點(diǎn)變形傾角最終趨于43°。

4 變形破壞機(jī)制

大量研究表明[15-19]，巖土體強(qiáng)度、節(jié)理裂隙發(fā)育特征是邊坡變形的內(nèi)因，人工開挖是導(dǎo)致邊坡變形的外因，也是邊坡破壞的最直接原因。通過對研究區(qū)邊坡巖土體物理力學(xué)性質(zhì)、節(jié)理裂隙發(fā)育情況和地表變形監(jiān)測成果的深入分析，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，認(rèn)為露天礦山邊坡的整體變形破壞受區(qū)域主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)出狀態(tài)控制，邊坡凸出部位臨空面較多，是邊坡穩(wěn)定性的薄弱點(diǎn)。

從邊坡變形情況分析，研究區(qū)發(fā)育的4 組裂隙將礦山巖體切割成大小不一的松散巖塊，裂隙面與邊坡開挖面的不利組合（組合面或者組合線外傾坡面）使得巖塊在自重力的作用下發(fā)生向坡外的變形，裂隙Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ的組合均指向坡外，方向320°～360°/0°～20°，交線傾角20°～50°，水平與垂直變形方向與不利結(jié)構(gòu)面或其組合基本一致，成為邊坡變形的控制性結(jié)構(gòu)面。

邊坡平面線形對整體穩(wěn)定性也有不可忽略的影響。邊坡線形變化愈大，則與結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系愈多，產(chǎn)生不利結(jié)構(gòu)面的機(jī)會(huì)相應(yīng)增大。研究區(qū)東側(cè)部分明顯凸出于整體坡面，呈圓弧狀，邊坡臨空面顯著增加，因此成為滑坡變形的主體，數(shù)值模擬也顯示該部分位移量最大。

5 結(jié)語

1）現(xiàn)場調(diào)查顯示，研究區(qū)邊坡受＋85 m 高程以下未完全開挖較完整新鮮巖體限制，變形破壞僅僅發(fā)生在該高程以上。地表變形監(jiān)測結(jié)果表明，隨時(shí)間推移，邊坡變形速率逐漸減緩，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)水平變形方向與垂直變形傾角都將趨于一致，且與邊坡巖體中主要結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀有密切關(guān)系。

2）離散元法充分考慮節(jié)理巖體的不連續(xù)性，對多裂隙巖體是較理想的數(shù)值計(jì)算方法，分析火山巖露天礦山邊坡整體變形特征與穩(wěn)定性方面優(yōu)勢明顯。數(shù)值模擬結(jié)果表明，研究區(qū)邊坡受坡底完整巖體阻擋，變形從坡頂?shù)拇怪弊冃螢橹?，逐漸向坡底過度為水平變形為主，變形方向與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果吻合。

3）節(jié)理裂隙發(fā)育的露天礦山邊坡整體穩(wěn)定性受區(qū)域主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)出狀態(tài)控制，邊坡變形破壞通常以切割邊坡的多組裂隙面為邊界。其中，與坡面大角度相交的裂隙多演化為變形側(cè)邊界，與坡面小角度相交、傾向坡外的裂隙面或其組合則演化為變形底邊界。

4）邊坡凸出部位臨空面較多，是邊坡穩(wěn)定性的薄弱點(diǎn)。在礦山邊坡設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少邊坡平面線形的變化，降低不利結(jié)構(gòu)面形成的概率，從而增強(qiáng)邊坡整體穩(wěn)定性。