高陡边坡在断裂带影响下的变形破坏机理研究

袁 伟，徐荣忠

（1.山西省地球物理化学勘查院，山西运城 044000；2.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安710065）

1 概述

矿区位于陕西省华县县城东南28km处金堆镇。边坡最高处高程为1356m，目前露天矿北帮已开挖至1130m高程。矿区出露地层主要为下震旦长城系熊耳群（A）黑云母安山玢岩、下震旦长城系熊耳群（Sch）和晚燕山期花岗斑岩（γπ）。整个北帮边坡处于燕门凹断裂带内，受该断裂带的影响，北帮边坡岩体松散破碎，力学强度低，各台阶自1152～1270m均有不同程度的滑塌、张拉、冲刷破坏[1]。边坡很多台阶已不复存在，形成一坡到底的局面。

2 燕门凹断裂带工程地质特征研究

2.1 燕门凹断裂带基本特征

燕门凹断裂总长达6～7km，在矿区范围内出露最大长度1300m左右，出露最大宽度580m左右，构成了矿区整个北帮边坡。燕门凹断裂呈NE65°～75°展布，断层面以高角度向南东倾斜，平均倾角70°左右自北向南燕门凹断裂内主要有4种构造岩：劈理化安山玢岩、张性角砾岩、压扭性角砾岩和压碎岩，此外还有少量糜棱岩。

2.2 燕门凹断裂带的物质组成及空间分布

燕门凹断裂带自北向南主要由4种构造岩带组成：劈理化带，张性角砾岩带，压扭性角砾岩带和压碎岩带（见图1）。现分述如下：

（1）劈理化带：为构造应力作用所产出的一组密集发育的压扭性结构面。间距约为3～5cm，一般无充填，劈理倾向145°～150°，倾角一般70°～80°。带内常见挤压揉皱现象。

（2）张性角砾岩带：沿劈理化带南缘分布，局部与之相通。中风化到强风化，呈碎块状。角砾分布不均，大小一般1～5cm，角砾多呈棱角状、次棱角状，一般为岩粉充填，少量泥质充填，胶结紧密。

（3）压扭性角砾岩带：分布于张性角砾岩南侧，中间宽度较宽，向东西两侧变窄。由于构造作用岩石被切割为形状不规则的板状和块状结构，大小从20～50cm不等，局部由于构造作用强烈，岩石呈碎裂状。该压扭性角砾岩带内岩体风化强烈，强度较低，工程性质较差。

该压扭性角砾岩带内强烈发育多组次级断层面，断层面上多见擦痕和阶步，强烈的构造作用使岩石矿物发生变质、重结晶作用，导致断层面呈红色，断层面产状与燕门凹主断裂带相近。

（4）压碎岩带：该压碎岩内节理裂隙极为发育，岩体破碎，形成大小不等，分布不均，多呈棱角状的碎块集合体，碎块之间粘结力较差，一般为碎屑或岩粉充填。

上述4类构造岩之间以及构造岩和安山玢岩之间一般呈过渡接触，他们中间一般没有明显的分界线，并且这四类构造岩并不是成分单一的。4类构造岩在成因上都是构造作用，并且相互关联，密不可分。从力学角度上看，它们同属力学强度软弱的岩体，共同组成一个软弱带。

2.3 燕门凹断裂的力学性质与多期活动

燕门凹断裂带内存主要存在4种构造岩：劈理化安山玢岩、张性角砾岩、其压扭性角砾岩、压碎岩。除张性角砾岩是在张性断层环境下形成外，其余3种构造岩都是在压扭性断层活动下形成，充分说明燕门凹断裂带的多期活动特征。

图1 北帮工程地质剖面图

张性角砾岩内的角砾并非完全是断裂张性活动期的特征（角砾大小悬殊、棱角明显、排列无序），而是后期发生了变化，表现为：部分张性角砾岩有磨圆化现象，张性角砾在空间上并非排列无序，而是有一定的定向排列。除此之外，压扭性角砾岩内含有少量张性角砾岩，由此可判断张性角砾岩形成早于压扭性角砾岩。由以上分析可知燕门凹断裂早期为张性，晚期为压扭性的多期活动时序。

整体上看，燕门凹断裂带内的压性构造岩（劈理化安山玢岩、压扭性角砾岩、压碎岩以及少量糜棱岩）在空间分布上多余单一的张性角砾岩，且后者已被压应力改造，因此可判断燕门凹断裂带以压扭性为主，张性为辅。

3 边坡变形破坏特征

3.1 边坡变形破坏现状

北帮边坡上发育数条裂缝：1250平台东侧发育一个倒“Y”字形裂缝，裂缝宽约15cm，出现约4.5cm的错台，且裂缝宽及错台高度均有增大趋势；1250平台中间偏东发育两条交叉的裂缝，为新发育裂缝，宽度及错台高度较小；1186平台西侧发育3条平行的反错裂缝，错台高度约15cm，最西侧的裂缝向上延伸多个台阶。

北帮边坡岩体呈上部完整性较好，下部较差的特征。此现象主要是受燕门凹断裂的影响，燕门凹断裂倾向140°～160°，与北帮边坡大致相同，倾角65°～75°，大于北帮边坡坡角，小于单台阶坡角，因此燕门凹断裂带内的压扭性角砾岩带在边坡下部出露，压扭性角砾岩内发育多条与燕门凹主断裂产状相近的次级断层，从而导致北帮下部岩体边坡沿外倾断层面发生变形破坏，出现多个台阶垮塌的现象。上部边坡岩体以张性角砾岩为主，工程性能相对较好。上部较好的岩体坐落在下部较差的岩体上，形成下软上硬的边坡结构，这样随着开采深度的进一步加大，整体边坡极易产生大规模的变形失稳现象。

北帮边坡压碎岩出露地段，由于压碎岩岩性松散破碎，胶结程度差，边坡主要以小规模崩塌为主，局部已形成较大规模的崩塌。

3.2 边坡的破坏模式

影响北帮边坡的结构面主要为燕门凹断裂以及发育的次级断裂，产状155°～165°∠70°，与边坡总体走向一致，边坡单台阶坡角约70°～75°，边坡总体坡角约40°。

北帮边坡的结构面、单台阶坡面以及边坡整体坡面见图2。

由图2可知，结构面倾角小于单台阶坡面的倾角，并且结构面倾向跟单台阶坡面倾向基本一致，因此单台阶坡面容易沿结构面下滑，而整体边坡不会下滑。由以上分析可知：北帮边坡整体不会沿结构面下滑，在压扭性角砾岩出露地段的单台阶稳定性差，易发生失稳破坏。整个边坡上部沿断裂带拉开，下部沿最大剪应力集中带剪出，滑面形式为圆弧形[2]。

4 露天矿北帮边坡变形与破坏的数值模拟分析

采用FLAC2D软件对北帮边坡进行数值模拟，来分析露天矿北帮边坡开挖之后的变形破坏机理。建立模型的过程中，对安山玢岩、角闪片岩、张性角砾岩、花岗斑岩及压碎岩采用摩尔—库伦模型，劈理化安山玢岩和压扭性角砾岩采用节理化塑性模型[3-6]。

4.1 天然应力状态

图2 赤平投影图

在FLAC中，计算初始地应力场是十分必要的，没有计算初始地应力场会使模型在重力作用下发生过大的变形，从而不能与实际情况相符[7]。本次天然应力计算仅考虑自重情况下的天然应力，根据计算结果可知，主应力在单一岩性范围内表现为最大主应力为竖直，最小主应力为水平；在岩性变化的分界面附近，主应力表现为最大主应力与岩性分界面平行，最小主应力与岩性分界面垂直[8]。

4.2 开挖后边坡应力重分布特征

在岩体中开挖形成人工边坡后，边坡的应力会发生重新分布，在这种情况下，边坡会发生变形和破坏，以适应这种应力重分布。由计算结果可知：（1）边坡坡面附近最大主应力与坡面平行，最小主应力与坡面近于正交，向边坡内部则逐渐恢复正常的应力状态；（2）由于应力重分布，使坡面附近产生应力集中带，不同的部位应力状态不同：坡脚附近形成了剪应力增高带，易发生剪切破坏；坡肩附近，形成拉应力带，易发生拉裂破坏[9]。

4.3 边坡的变形与破坏

（1）开挖之后边坡的水平位移等值线图见图3。

由图3可知，水平位移主要发生在坡脚处，是由于在坡脚处形成剪应力集中带，最大位移量约15cm。另外，在劈理带和张性角砾岩带分界处出现一个位移突变的分界面，是由于岩性不同所致。

开挖之后边坡的竖向位移等值线图见图4。

由图4可知，竖直位移在边坡顶部表现为沉降，在边坡中下部及矿坑底部表现为隆起，最大位移处在坑底中部平台处，最大位移量约35cm，为卸荷回弹的结果。

图3 水平位移等值线图

图4 竖直位移等值线图

图5 边坡剪应变速率图

4.4 边坡破坏模式

边坡的剪应变速率图见图5。

由图5可以明显看到塑性贯通区域，即存在潜在滑面，滑面形式为圆弧形，此滑面上部沿劈理带与张性角砾岩中间、中部沿张性角砾岩带、下部沿压扭性角砾岩剪出。由于燕门凹断裂带的影响，张性角砾岩和压扭性角砾岩较松散，节理裂隙发育，岩体风化严重，工程地质性质较差，而劈理化安山玢岩相对坚硬、完整，工程地质性质相对较好，因而出现上述结果。

5 结论与建议

（1）燕门凹断裂带主要存在4种形式的构造岩：劈理化安山玢岩、张性角砾岩、压扭性角砾岩和压碎岩，各种岩性的工程性质不同，但总体工程地质性质较差。燕门凹断裂带以压扭性为主，张性为辅，表现为前期张性、后期压—压扭性的多期活动特征；

（2）北帮边坡的变形破坏主要为边坡上发育的数条裂缝、沿外倾结构面的垮塌破坏以及压碎岩出露段发生的崩塌破坏；

（3）北帮边坡整体不会沿结构面下滑，在压扭性角砾岩出露地段的单台阶稳定性差，易发生失稳破坏。整个边坡上部沿断裂带拉开，下部沿最大剪应力集中带剪出，滑面形式为圆弧形；

（4）工程治理措施建议：①在1160m平台设置排水孔；②采取减震措施[9]；③在1240m以上平台进行削方；④对压碎岩出露地段采取加固措施。

[1] 杨慧奇,袁宏博.金堆城露天矿北帮综合治理实践[J].中国钼业,2000(4):15-18.

[2] 陈祖煜.岩质边坡稳定性分析—原理—方法—程序[M].北京:中国水利水电出版社,2005:57-59.

[3] 李泽,王均星,王汉辉.成组节理岩体的有限元塑性极限分析研究[J].岩土工程学报，2007.

[4] 马艳.虎门港西大坦进港道路软基沉降监控和预报[D].长沙:长沙理工大学,2007.

[5] Zienkiewicz O C,Humpheson C,Lewis R W.Associated and Non-associated Viso-plasticity and Plasticity in Soil Mechanics[J].Geotechnique,1975,25(4):671-689.

[6] 连镇营,韩国城,孙宪京.强度折减有限元法研究开挖边坡的稳定性[J].岩土工程学报，2001,23(4):407-411.

[7] 陈育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

[8] 程东幸,刘大安.中国典型重大边坡工程稳定性与安全评价现状研究[J].西部探矿工程，2008.

[9] 刘佑荣,唐辉明.岩体力学[M].武汉:中国地质大学出版社,1999.

[10] 朱传云,卢文波,董振华.岩质边坡爆破振动安全判据综述[J].爆破,1997,14(4):13-17.