露采矿山台阶边坡结构面特性与破坏机制分析

毛元静，李 瑶，和大钊，王 璐

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

露采矿山台阶边坡结构面特性与破坏机制分析

毛元静，李 瑶，和大钊，王 璐

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

基于四川峨胜露天矿山台阶边坡的结构面特征，结合离散单元软件3DEC对台阶边坡进行模拟，研究台阶边坡破坏机制。结果表明：(1)受区域地质构造影响，研究区域的优势结构面倾角较陡，且产状与构造迹线相关；(2)矿区台阶边坡变形破坏模式主要为平面滑动和楔形体破坏，发生倾倒破坏的可能性小；(3)边坡整体变形小，在结构面贯穿的位置有位移突变和增大的现象，临空面的楔形体出露后发生崩塌掉块，局部稳定性降低；(4)台阶边坡破坏机制为拉裂-滑移-崩塌，可分为三个阶段：弹性变形阶段，渐进变形阶段和变形破坏阶段。

露采矿山；台阶边坡；结构面特性；3DEC；破坏机制

0 引言

岩体中结构面的组合特征决定了岩体的工程地质性质和力学性状[1]，是构成各类岩体工程问题的重要控制因素[2-5]，由此发展起来的优势结构面理论得到广泛应用[6-7]。

目前，针对各类斜坡的变形破坏类型和机制已取得一些成果，张倬元[8]将斜坡变性破坏总结为蠕滑-拉裂，滑移-压致拉裂，弯曲-拉裂，塑流-拉裂和滑移弯曲五种力学模式；在此基础上黄润秋等[9-10]对汶川地震产生的滑坡产生机理和过程分为坡体解体阶段、高速溃滑阶段、震动堆积阶段、碎屑流堆积阶段，并将汶川地震所产生滑坡的变形破坏模式分为拉裂-顺走向滑移型、拉裂-顺层(倾向)滑移型、拉裂-水平滑移型、拉裂-剪断滑移型5种类型。李俊[11]等将高速公路红层滑坡结构特征进行分析，指出该滑坡形成机制为滑移-拉裂型滑坡。鲁达功[12]将岩质边坡强震破坏机制总结为拉裂-滑移、滑移-拉裂两种，破坏方式分别为滑移式崩塌和顺层-切层滑坡。对于不同类型边坡如顺层边坡、反倾岩质边坡、黄土边坡等破坏机制前人也进行了深入研究[13-16]。

由于不同情况下的工程岩体结构复杂，数值模拟方法可以对岩质边坡的非连续变形过程进行模拟，判断其破坏程度、破坏范围，因此各类数值模拟方法在边坡破坏机制和稳定性研究中也迅速发展起来。由于节理岩体边坡的失稳破坏具有大变形和非连续的特点，因此，离散单元法成为研究节理岩体边坡破坏机制的最有效方法之一。论文基于结构面特性分析和离散元软件3DEC对四川峨盛石灰石矿山台阶边坡破坏机制及过程进行研究，矿山岩体受多组陡倾状优势结构面和缓倾岩层组合切割，具有一定研究意义。

1 矿区工程地质背景

1.1矿山工程概况

四川峨胜露天矿山出露地层主要为第四系残坡积堆积物和二叠系茅口组、栖霞组石灰岩、梁山组泥灰岩及大乘寺组砂岩，产状为295°∠17°，隶属于川滇南北构造带北段，构造形迹以南北向为主，受几条南东向深沟所冲蚀切割，沟谷两岸地形陡峭。

图1是矿区南部地质剖面图，边坡为单斜顺向坡，台阶边坡坡面角较陡为75°，受地层岩性控制、层面及裂隙的切割等的影响，台阶边坡上存在多处危岩带，特别是矿区结构面发育，边坡岩体较为破碎，伴随着露天矿山的不断开采，使边坡坡脚悬空，形成高陡临空面，导致边坡发生崩塌、掉块，对矿区生产产生不利影响。

图1 矿区南部边坡地质剖面图

1.2矿山结构面特征

针对矿区南部边坡的结构面进行统计分析，采用测线法对矿区南部结构面进行观察、描述和测量，调查内容包括岩体结构面产状、半迹长、间距、贯通性、粗糙度、张开度以及充填情况等，共测得结构面250条，对结构面进行优势分组(图2)，每组结构面的平均产状见表1。

图2 矿区优势结构面分组图

编号条数结构面平均产状间距/m半迹长/mJ18228°∠81°045～0810～20J244207°∠86°02～2204～20J32781°∠58°007～1007～11J428117°∠77°15～3004～15

通过图2分析可知，矿区南部的结构面倾角普遍较大，优势结构面中第一组和第二组走向为近南东向，与区域构造南东向深沟走向一致，这是受深沟两侧卸荷作用影响而发育的卸荷裂隙，数量最多，约占总数量的50%左右，结构面倾角很陡，间距小，贯通性好，这类结构面对边坡的影响最大。第三组和第四组走向为近南北向，这类结构面是区域构造褶皱形成时，应力调整致使岩体受到挤压，而形成一系列的与构造迹线一致的结构面，这类结构面约占总数量的20%左右，间距大，贯通性一般。

矿区的结构面张开、闭合的均有，张开的有少量泥质充填，表面较粗糙，多为刚性接触。结构面与层面之间相互见穿透切断现象，岩体局部较破碎。

2 台阶边坡的破坏模式分析

2.1平面滑动破坏

矿区台阶边坡平面滑动破坏分析见图3，根据前期边坡勘察试验成果，结构面摩擦角为25°，边坡产状为340°∠75°，有4组极点落入台阶滑动区，约占2%，边坡可能发生平面滑动，且由于矿区南部岩层倾角较缓，产状为295°∠17°，矿山开采时易在坡脚形成临空面，结构面与边坡面斜交构成了边坡的后缘和侧向切割面，台阶边坡沿层面可能发生平面滑动，故需要在台阶边坡开挖施工和开采爆破过程中注意岩层面带来的平面滑动破坏。

图3 矿区台阶边坡平面滑动破坏投影图

2.2倾倒破坏

研究区倾倒破坏分析见图4，图中约有1%的极点落入倾倒破坏分区，可能发生在倾角50°～75°、倾向131°～191°的极点组，但由于边坡是近顺向坡，岩层倾角较缓，所以发生倾倒破坏的可能性较小。

图4 矿区台阶边坡倾倒破坏投影图

2.3楔形体破坏

矿区南部台阶边坡的楔形体破坏图见图4。图5中，结构面组合交线J3-J4、J1-C，J2-C均落于楔形体破坏区内，形成对台阶边坡稳定不利的危险块体，边坡容易沿结构面交线发生变形破坏，尤其J3与J4切割形成的块体，倾角较大容易产生临空面发生滑动。

图6是现场结构面采集照片，图中结构面倾角都较陡，与层面相交形成楔形体，边坡开挖时将楔形体底面挖断，楔形体临空后边坡卸荷回弹，岩体发生变形松弛，在暴雨和爆破等因素影响下，这类楔形体虽然规模不大，但是由于数量较多，会对边坡的稳定性产生较大的影响，因此在边坡开挖过程中，应注意此类块体对边坡的影响，及时对边坡进行加固处理，以免产生安全问题。

图6 矿区边坡结构面图片

3 台阶边坡3DEC数值模拟

3.1岩体及结构面参数力学参数取值

对岩石和结构面进行试验得到各力学参数，矿区的结构面均是在石灰岩地层中出露，且都为刚性结构面，故将矿区结构面简化成一类结构面，并根据岩体质量评价与参数估算(RQD、CSMR、BQ)对各类岩体和结构面力学参数进行取值，各参数取值见表2、表3。

表2 岩体的参数取值Table 2 The parameters of rock

表3 结构面力学的参数取值Table 3 The parameters of structure plane

3.2计算模型

为了进一步验证上述边坡的破坏模式，并对自然条件下边坡的破坏机制进行研究，采用离散元软件3DEC建立三维模型对边坡的变形破坏进行模拟。模型尺寸参照工作台阶边坡实际尺寸，为台阶宽40 m，高10 m，长80 m，边坡产状为340°∠75°，岩层从上至下分别为石灰岩、泥质灰岩和砂岩。各结构面均设一组，各结构面相对位置参考实际地质情况，以最危险的方式考虑结构面无限延伸剪出口位于坡脚处。计算采用Mohr-Coulomb屈服条件的弹塑性模型。模型的前后左右以及底部边界均固定。

为研究台阶边坡受结构面影响的破坏模式，设置了穿过结构面切割部位的剖面A-A′以及a、b、c、d、e、f六个监测点来观测台阶边坡内部变形规律及应力特征。

图7 台阶边坡模型

图8 A-A′剖面及各监测点示意图

4 台阶边坡3EDC模拟结果分析

4.1台阶边坡变形特征

(1)台阶边坡整体变形特征

图9为台阶边坡垂直、水平变形位移图，由图可知：边坡在重力作用下，整体是稳定的，没有明显变形，但是边坡顶部块体遭结构面贯通后位移突变，从出露点位置往上位移逐渐增大，顶部块体位移最大，垂直向上达到3.7 cm，水平上达到14 cm。说明边坡首先在顶部楔形体位置发生破坏，并沿层面缓倾方向有明显滑动趋势，威胁边坡的局部稳定性。

图9 台阶边坡位移图

(2)A-A′剖面变形特征

图10是边坡A-A′剖面垂直和水平位移变形图，从图来看，边坡在重力作用下，岩体受到切割后岩体完整性显著降低，并在有结构面贯通的地方出现了位移突变且增大的现象，垂直方向上从底部往上逐渐增大，水平位移由坡内向坡外水平位移逐渐增大，在楔形体出露的位置和坡顶岩体位移最大。

图10 A-A′剖面变形位移图

综上可知：边坡岩体变形破坏受结构面控制，在结构面切割位置位移发生突变并增大的现象，边坡顶部岩体变形最大，其次是临空面岩体，内部多组陡倾结构面相互切割的破碎块体位移也明显增大，并沿着缓倾层面所形成的滑移面有向坡外滑动的趋势，在坡脚结构面露出的位置剪出。

4.2监测点应力、变形-步时曲线特征

(1)监测点应力-步时曲线特征

图11为监测点应力-步时曲线，垂直方向上，在500步以内边坡坡面监测点a、b、c以及坡顶d点产生拉应力，边坡内部监测点e、f应力波动较小；500步以后，a、b、c、d点应力由拉应力转换成压应力，d、e点产生拉应力，随后b、c、d、f、e点发生一定波动后趋于平衡，但a点应力一直随着步时波动。水平方向上，500步以内时，边坡顶部监测点a、b以拉应力为主，内部监测点e、f以压应力为主，波动较大，b、c点应力曲线重合且波动较小；随后各点应力随步时增加逐渐趋于平衡。

图11 监测点应力—步时曲线

(2)监测点变形-步时曲线特征

各监测点位移-步时曲线见图12，在垂直方向，各监测点均沿坡向发生了变形，在500步以内，各监测点位移随步时增大而增大；500步～1 000步之间内部监测点位移逐渐稳定，坡面监测点a、b位移缓慢增加；1 000步以后，顶部监测点a、b位移随着步时快速增大，产生塑性变形。在水平方向，250步～500步之间，各监测点均先向坡内产生挤压位移再向坡外移动；500步～1 000步之间内部监测点逐渐稳定，结构面贯穿集中形成块体部位的b、e位移持续增加；1 000步后位b、e点位移随着步时快速增大，其余监测点趋于稳定。在台阶边坡位移图(图9)中边坡顶点位移达14 cm。

图12 监测点位移—步时曲线

4.3台阶边坡破坏机制

综合监测点应力-步时曲线与位移-步时曲线可知，矿山南部台阶边坡破坏有明显的阶段性，①弹性变形阶段：边坡坡面及顶部附近的岩体一方面受重力和开挖卸荷本就容易产生拉应力，另一方面边坡还存在多组倾角较陡的结构面相互切割，致使边坡极易沿着结构面形成拉裂缝，并不断向下移变形，这时边坡内块体还没有产生明显的破坏；②在渐进变形阶段：岩体沿着拉裂缝逐渐向下延伸，脱离上部岩体的约束，但下部岩体未临空，使得岩体朝纵向挤压变形；③变形破坏阶段：随着拉裂缝增大与下部缓倾角的岩层面贯通形成潜在滑移面，边坡薄弱区域岩体沿滑移面在坡脚剪出发生破坏，产生局部崩塌、危岩体掉块。根据以上分析，可以总结出峨胜石灰石矿山南部的台阶边坡的破坏机制是拉裂-滑移-崩塌。

5 结论

针对四川某露天矿山边坡的岩体结构面的特征及对边坡破坏机制进行研究，得到如下结论：

(1)四川峨胜露天矿山边坡的结构面特征受区域地质构造影响，优势结构面走向与构造迹线一致，主要为：两组走向为近南东向的倾向相反的结构面、两组近南北向倾向相反的结构面，结构面倾角较陡，结构面之间相互见穿透切断现象，岩体局部较破碎。

(2)由于优势结构面与边坡面斜交，构成了边坡的后缘和侧向切割面，开挖过程中形成临空面，致使台阶边坡变形破坏模式可能为沿层面发生平面滑动和楔形体破坏，发生倾倒破坏可能性小。

(3)边坡整体变形小，边坡整体稳定，在楔形体出露的地方产生位移突变，边坡内部受结构面贯通的位置也出现的位移增大的现象，说明受结构面切割后岩体完整性降低，边坡局部稳定性受到很大影响。

(4)台阶边坡破坏机制为拉裂-滑移-崩塌，其破坏过程可分为3个阶段：①弹性变形阶段：在重力和开挖卸荷作用下，边坡坡面和顶部产生拉应力致使岩体沿结构面发生拉裂缝；②渐进变形阶段：岩体沿着拉裂缝逐渐向下延伸，脱离上部岩体的约束，但下部岩体未临空，使得岩体朝纵向挤压变形；③变形破坏阶段：随着拉裂缝增大与下部缓倾角的岩层面贯通形成潜在滑移面，边坡薄弱区域岩体沿滑移面在坡脚剪出发生破坏，产生局部崩塌、危岩体掉块。

[1] 孙广忠.岩体结构力学[M].北京：科学出版社，1988.

SUN Guangzhong. Rock mass structural mechanics[M]. Beijing: Science Press,1988.

[2] 陈玮，简文彬，董岩松，等.软弱结构面对花岗岩残积土边坡稳定性影响[J].中国地质灾害与防治学报，2015,26(1):23-30.

CHEN Wei, JIAN Wenbin, DONG Yansong, et al. Influence of weak structural surface on stability of granite residual soil slopes[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2015,26(1):23-30.

[3] 龚匡周，王浩，方雪晶,等.复杂岩质边坡的破坏类型及稳定性分析[J].中国地质灾害与防治学报，2012,23(1):22-27.

GONG Kuangzhou，WANG Hao，FANG Xuejing, et al. The failure modes and stability analysis of complicated rock slope[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2012,23(1):22-27.

[4] 叶龙珍，柳侃，黄国平，等.福建重大地质灾害特征及其影响因素[J].中国地质灾害与防治学报.2015,26(1):98-102.

YE Longzhen，LIU Kan，HUANG Guoping，et al. The characteristics and influence factors of catastrophic geological disaster in Fujian Province[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2015,26(1):98-102.

[5] 董秀军，裴向军，黄润秋.贵州凯里龙场镇山体崩塌基本特征与成因分析[J].中国地质灾害与防治学报,2015,26(3):3-9.

DONG Xiujun，PEI Xiangjun，HUANG Runqiu .The Longchangzhen collapse in Kaili，Guizhou: characteristics and failure causes[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2015,26(3):3-9.

[6] 刘伟韬，申建军，何寿迎. 黄岛液化石油气地下储库主洞室岩体稳定性分析[J].中国地质灾害与防治学报,2014,25(2):65-69.

LIU Weitao，SHEN Jianjun，HE Shouying .The block stability analysis of main cavern of Huangdao liquefied petroleum gas storage[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2014,25(2):65-69.

[7] 朱婷,黄宜胜,郭建.基于优势结构面理论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.

ZHU Ting, HUANG Yisheng, GUO Jian. Stability analysis of a high and steep rocky slope based on preferred plane theory[J].Hydrogeology and Engineering Geology,2010,37(2):83-86.

[8] 张倬元.工程地质分析原理[M].北京：地质出版社，2009.

ZHANG Zhuoyuan. Engineering geological analysis principle[M].Beijing: Geological Publishing House, 2009.

[9] 黄润秋，裴向军，李天斌.汶川地震触发大光包巨型滑坡基本特征及形成机理分析[J].工程地质学报，2008,16(6)：730-741.

HUANG Runqiu, PEI Xiangjun, LI Tianbin. Basic characteristics and formation on mechanism of the largest scale landslide at Daguangbao occurred during the WengChuan earthquake[J].Journal of Engineering Geology, 2008,16(6)：730-741.

[10] 黄润秋，赵建军，巨能攀,等.汤屯高速公路顺层岩质边坡变形机制分析及治理对策研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(2):239-246.

HUANG Runqiu ,ZHAO Jianjun,JU Nengpan,et al. Study on deformation mechanism and control method of bedding rock slope along TangTun expressway[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(2):239-246.

[11] 李俊 ,彭振斌 ,曹佳文.某高速公路朱雀洞段红层滑坡成因机制分析与整治对策[J].中国地质灾害与防治学报，2009,23(2):15-19.

LI Jun, PENG Zhenbin , CAO Jiawen. The analysis of formation mechanism and treatment for red beds landslide in Zhuquedong segment of expressway[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2009,23(2):15-19.

[12] 鲁功达,晏鄂川,赵建军,等.优势结构面控制的岩质边坡强震破坏机制研究[J].工程地质学报,2012,20(3):305-310.

LU Gongda, YAN Echuan, ZHAO Jianjun, et al. Failure mechanism of preferred structure plane controlled lithologic slope during intensive earthquake[J]. Journal of Engineering Geology, 2012,20(3):305-310.

[13] 冉涛,赵安平,尹剑辉.地震作用下顺层岩质滑坡稳定性离散元模拟[J].长江科学院院报, 2016,33(3):115-121.

RAN Tao，ZHAO Anping，YIN Jianhui. Discrete element simulation of stability of bedding rocky landslide Under earthquake action.[J] Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2016,33(3):115-121.

[14] 殷坤龙,周春梅,柴波.三峡库区巫峡段反倾岩石边坡的破坏机制及判据[J].岩石力学与工程学报,2014,33(8):1635-1643.

YIN Kunlong, ZHOU Chunmei, CHAI Bo. Failure mechanism and criterion of counter-tilt rock slope at WuXia gorge section in three gorges reservoir area[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33(8):1635-1643.

[15] 王林峰，陈洪凯，唐红梅.反倾岩质边坡破坏的力学机制研究[J].岩土工程学报，2013,35(5)：884-889.

WANG Linfeng, CHEN Hongkai, TANG Hongmei. Mechanical mechanism of failure for anti-inclined rock slopes[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2013,35(5)：884-889.

[16] 彭军, 李翔宇, 闫蕊鑫,等. 陕北地区黄土崩塌破坏模式分类及防控对策研究[J]. 长江科学院院报, 2015, 32(10):11-16.

PENG Jun, LI Xiangyu, YAN Ruixin, et al. Failure modes classification and countermeasures of loess collapse in northern Shaanxi area[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2015, 32(10):11-16.

Structuralplanescharacteristicsandfailuremechanismforopen-pitminingbenchslope

MAO Yuanjing,LI Yao,HE Dazhao,WANG Lu

(SchoolofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074,China)

Based on the characteristic parameters in an open-pit mine in ESheng Sichuan province, the slope failure criterion was analyzed using the discrete element software 3DEC, the results of which are as follows:(1)Due to the influence of regional geological structure, the dominant structural plane of the study area was steep, and the occurrence was related to the structural trace;(2)The failure mode of the bench slope in the mining area was mainly plane sliding and wedge failure, and the probability of occurrence of dumping failure was small.(3)The deformation of the slope was small, and the displacement and the increase of the displacement were obvious in the position where the structure plane penetrated. The wedge of the freeing face collapsed and the local stability decreased;(4) The failure mechanism of bench slope was pull crack-sliding-collapse, which can be divided into three stages: elastic deformation stage, progressive deformation stage and deformation failure stage.

open-pit mine; bench slope ; structural plane characteristic; 3DEC; failure mechanism

P642

A

1003-8035(2017)03-0039-07

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.03.06

2016-10-26;

2016-12-01

国家自然科学基金项目(41672317)；国家科技部973项目(2011CB710604)

毛元静(1991-)，女，研究生，主要从事岩土体的稳定性与岩土工程数值模拟研究。 E-mail: Maoyuanjing77@163.com