某露天矿高陡边坡结构面发育特征及其对边坡稳定性的影响

杜俊，侯克鹏，肖慧

（昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093）

1 引言

岩体在漫长的地质历史发展中经历了多次的地质构造运动与浅表生的改造作用，其内部广泛分布着规模不等、产状不同、性质各异的各类不连续结构面。边坡岩体中广泛分布的结构面是边坡失稳的主控因素，而结构面的规模及其空间分布特征是开展边坡稳定性分析的前提和基础［1－4]。

某矿山为山坡露天开采，为了解决过往 “一面坡”开采形式所造成的采场边坡安全隐患，经分析论证对采场2 070 m标高以上实行削坡减载，即2 070 m至坡顶2 213 m卸载为5个台阶，每个台阶段高30 m，平台宽度8～12 m，台阶坡面角46°。在上部分台阶卸载与植被恢复治理后，采场边坡还将自2 070 m水平向下开采至设计采深1 840 m水平，最终边坡高度将达到373 m。随着采场逐渐下延，边坡日渐增高，加之边坡岩体受结构面切割的影响，高陡边坡失稳破坏的风险加大。因此，对该高陡边坡稳定性进行科学合理的评价与研究有助于工程管理人员现场指导与施工。

2 边坡结构面调查与优势结构面确定

2.1 工程地质概况

采场边坡位于东西走向构造带香条村背斜北翼东段，地层向北倾斜，呈单斜形态，区域构造相对简单，坡面产状351°∠46°；区内岩石为湖相沉积岩，从北向南主要岩层为灰黑色中厚层粉砂质泥岩、矿体、薄层状砂质白云岩和细粉晶白云岩。矿区处于滇池西侧低中山地带，地形高差大，水位埋藏较深，侵蚀基准面标高1 883.15 m，区内地形利于自然排水，且地下水主要由大气降水补给。矿山现状开采边坡剖面图见图1所示。

2.2 结构面测量方法

岩体中结构面的发育具有一定的规律性和方向性，且结构面的规模对工程岩体性质的影响程度不同，因此全面地把握与了解岩体结构面的空间分布特征是开展边坡稳定性评价的前提。本研究中依据边坡岩体的具体条件、现场测量困难程度及野外工作量大小等情况，采用测线法对结构面几何特征进行量测，见图2。量测时首先在节理露头面上人为确定一条水平线，作为测线，量测与测线相交的节理倾向、倾角、间距、迹长等，并对结构面起伏度、张开度、粗糙度和充填物进行观测［5]。测线布置示意图中1、2 A（B）、3 A（B）、4A（B）与5分别表示测带内的结构面与测线交切关系的类型；I表示结构面端部至测线的距离。

2.3 优势结构面的确定

图1 开采现状边坡剖面图Fig.1 Profile of the currentslope

图2 测线布置示意图Fig.2 Surveying lines

粉砂质泥岩与矿体先后被剥离和回采，细粉晶白云岩无出露，作为矿体直接底板的砂质白云岩成为边坡的唯一露头。因此，结构面的调查统计主要在砂质白云岩地层中进行，调查的样本区域涵盖了自2 190 m水平自2 040 m水平的45个测点，累计调查218.14 m，共计970条节理。结构面类型以V类为主，大部分结构面为平直型，偶有结构面间夹杂钙质、泥质充填物，且结构面较为干燥。

对现场实测的结构面数据采用Rocscience Dips V5.103进行优势结构面分组，分别绘制2 190～2 070 m和2 070～2 040 m两个高程段内岩体结构面极点等密度图，见图3和图4。

从图3与图4中可知，2 190～2 070 m水平区域调查节理375条，节理最大极密度为14.36%，结构面倾向在358°～3°，倾角分布在45°～50°之间；2 070～2 040 m水平区域共计调查节理595条，节理最大极密度为58.90%，结构面倾向在358°～8°，倾角分布在45°～51°之间。上述结构面调查结果表征出，大部分节理的产状与边坡产状近似，边坡岩体的顺层结构特征显著。边坡岩体优势结构面分组见表1。

图3 2 190～2 070 m砂质白云岩节理等密度图Fig.3 Jointsiso－density of sandy dolomite between 2 190 m and 2 070 m

表1 边坡岩体优势结构面分组Table 1 Divisions of dominant structural planes

图4 2 070～2 040 m砂质白云岩节理等密度图Fig.4 Jointsiso－density of sandy dolomite between 2 070 m and 2 040 m

3 优势结构面几何特征参数的统计与分析

大量的研究已表明，结构面的几何特征参数具有随机分布的特点，且围绕某一中心服从一定的概率分布形式［4]。因此，在有限空间内对具有统计意义的结构面进行概率分布统计分析，能够帮助我们深刻认识边坡岩体中优势结构面的分布特征和规律，对于分析边坡稳定性具有一定的指导意义。针对现场采集的结构面样本数据和优势结构面划分结果，对优势结构面总体几何特征进行统计分布分析时，首先对分组后的样本数据进行处理［6]。设结构面产状为α∠β，将2 070～2 190 m高程段内第I组优势结构面倾向为0°～10°范围内的结构面产状转换为（α＋360°）∠β；2 070～2 190 m 高程段内第II组优势结构面陡倾，多数倾向偏南，少部分倾向偏北，在作直方图统计过程中要进行转换，把倾向转换为与优势倾向一致的方向，在这里把倾向偏北的结构面转换成偏南，转换后的产状为（α－180°）∠（180°－β）。例如，把产状282°∠86°转换成102°∠94°，倾角大于90°的含义是指其真实倾向与所列倾向（102°）相反（282°），其真实倾角为所列倾角（94°）的补角（86°）。

数据统计分析采用软件SPSS19.0版本，分别对分组处理后的数据进行频数直方图的绘制（图5）与均值、标准差的计算（表2）。由于篇幅所限，文中仅给出第二组优势结构面倾向、倾角、间距的统计分析图件，其他两组与此类似。

分别对3组优势结构面的几何特征参数进行概率统计分析，结构面倾向服从正态分布，倾角服从正态（对数正态）分布，间距则服从负指数分布。优势结构面几何特征参数的统计分析是开展结构面网络模拟及确定岩体综合抗剪强度指标的关键，文献［3]、［4]、［6]均是关于这方面研究的最新成果。

图5 砂质白云岩第II组优势结构面几何参数统计直方图Fig.5 Geometric parameter statistics for the 2－ed group of dominant structural planes

对高陡边坡优势结构面分组统计分析可知，第一组优势结构面的产状与边坡坡面产状近似，且这组结构面的间距平均值小于其他两组。由此可见，平行坡面的结构面将砂质白云岩分割成薄层状岩体，岩体在爆破扰动、地表水入渗及风化作用过程中极易沿岩层层面发生脱离。第二组与第三组优势结构面倾向坡内，并将薄层状岩体沿倾向方向分割为块状，受矿体回采扰动，块状岩体自稳能力降低，失稳滑落的风险增大，对采场的安全生产构成隐患。

表2 边坡优势结构面几何参数统计结果Table 2 Geometric parameter statistics of the dominant structural planes

4 边坡稳定的赤平极射分析

在岩质边坡中，岩体的失稳与破坏主要受岩体中结构面的控制，结构面相互之间的空间分布位置、组合关系和结构面的物理力学性质等，都对边坡的稳定性起着重要的作用。赤平极射投影法正是基于这些因素来对岩质边坡进行稳定性分析的一种图解方法，该方法可以进行岩质边坡破坏体形态、失稳滑动方向和稳定程度的分析评价［7－9]。

依据前述现场结构面实测与统计分析结果，将高陡边坡的3组优势结构面与其坡面产状列举在表3中。采用赤平极射投影图关系，做出优势结构面赤平极射投影图，见图6。

表3 边坡产状与优势结构面产状Table 3 Occurrences of the slope and its dominant structural planes

从图6中分析可知，优势结构面I与采场开挖边坡面产状近似，且该组结构面为边坡岩层的层面，结构面倾角47°与边坡坡角基本相等；优势结构面II与边坡坡面近似正交且陡倾于坡内；优势结构面III与边坡坡面近似正交且缓倾于坡内。就单组结构面分析而言，其与边坡坡面的产状关系表征出基本稳定或稳定状态，然而实际中往往结构面的组合作用对边坡稳定性造成很大的影响。对该边坡体内主要发育的3组优势结构面而言，不利的结构面组合为L1与L2、L1与L3，这两组结构面的交线（L1－2、L1－3）均倾向坡外，倾角小于坡角，易形成对边坡稳定不利的块体。现场结构面实测调查中也在不同地段的露头面上找出了由这两组结构面相互切割而成的块状岩体，见图7。由组合结构面交切作用而形成的块状岩体在自重应力、风化、雨水渗透等作用下，部分岩体将沿着层面进行滑动，加之边坡岩体中软弱夹层的出露，更是加剧了这一滑动破坏趋势。

图6 优势结构面赤平投影图Fig.6 Stereographic projection of dominant structural planes

图7 砂质白云岩优势结构面空间分布Fig.7 Spatial distribution of dominant structural planes in sandy dolo mite

5 结论

边坡岩体中大量且随机分布的结构面及其组合是影响边坡稳定性的重要因素。通过对某露天矿山高陡边坡直接底板砂质白云岩结构面实测和统计分析可知：

（1）该矿山高陡边坡为一单斜顺层岩质边坡，岩体中发育有3组优势结构面，且各组结构面倾向服从正态分布、倾角服从（对数）正态分布、间距服从负指数分布形式。

（2）优势结构面Ⅰ与坡面产状近似一致，优势结构面Ⅱ、Ⅲ与坡面近似正交且分别陡倾和缓倾于坡内。

（3）结构面Ⅰ和结构面Ⅱ、Ⅲ构成了边坡不利的结构面组合，其中交线L1－2和L1－3均倾向坡外，倾角小于坡角，易形成对边坡稳定不利的块体，在后续矿体开采作业中应重视这类不利的结构面组合诱发的边坡失稳。

［1]张倬元，王士天，王兰生，等.工程地质分析原理［M].北京：地质出版社，2009.

［2]孙玉科，杨志法，丁恩保，等.中国露天矿边坡稳定性研究［M].北京：中国科学技术出版社，1999.

［3]陈祖煜，汪小刚，杨建，等.岩质边坡稳定分析—原理·方法·程序［M].北京：中国水利水电出版社，2005.

［4]贾洪彪，唐辉明，刘佑荣，等.岩体结构面三维网络模拟理论与工程应用［M].北京：科学出版社，2008.

［5]王家臣，常来山，夏成华，等.露天矿节理岩体边坡稳定性研究［J].岩石力学与工程学报，2005，24（18）：3350－3354.

［6]徐伟，胡新丽，黄磊，等.结构面三维网络模拟计算RQD及精度对比研究［J].岩石力学与工程学报，2012，31（4）：822－833.

［7]朱婷，黄宜胜，郭建.基于优势结构面的高陡岩质边坡稳定性分析［J].水文地质工程地质，2010，37（2）：83－86.

［8]Hoek E，Bray J W.岩石边坡工程［M].卢世宗译.北京：冶金工业出版社，1983.

［9]刘洪，陈福春.基于极射赤平投影的岩质边坡稳定性评价和防治措施［J].地质灾害与环境保护，2012，23（3）：93－98.