某废弃露天矿危岩稳定性分析及危害性评价

罗 琳 刘 雄 蒋尧兴 张 飞 朱人思 邹春雷 王 炯

(1.绍兴文理学院 土木工程学院,浙江 绍兴 312000；2.浙江有色地质环境研究院,浙江 绍兴 312000；3.浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室,浙江 绍兴 312000；4.绍兴市自然资源和规划局柯桥分局,浙江 绍兴 312000)

0 引言

随着近期《关于开展长江经济带废弃露天矿山生态修复工作的通知》等文件的发布，废弃露天矿山生态修复工作再次提升到了国家生态文明建设的高度.在废弃露天矿生态修复治理过程中，危岩落石作为一种常见的不良地质现象，虽然规模相对较小，但由于其突发性强、随机性高、频率大、影响因素多等特点[1-3]，常在治理施工中和施工后发生较大危害，严重时危及人民生命财产安全.因此，进行典型危岩稳定性分析和危害性评价，对确定具体防治措施和后续防治工程施工具有重要意义.

目前，针对危岩落石的研究已经取得了不少成果.例如，蔡向阳等[2]采用半定量打分的方法对危岩稳定性进行了评价，并依据理论计算和软件模拟对落石运动规律进行了分析研究.陈洪凯等[3-4]针对滑塌式危岩、倾倒式危岩和坠落式危岩三种类型，采用极限平衡理论及岩体结构理论，建立了各类危岩在不同荷载组合下的稳定性计算方法.毕冉等[5]基于能量跟踪法采用自编离散元程序对边坡落石情况进行了模拟，并根据模拟结果提出了具体的防护措施.吴少元[6]基于RocFall软件对落石运动路径进行反演模拟和分析，在对运动路径、运动能量、弹跳高度等进行研究的基础上针对性地提出了综合防治方案.

本文在前人研究的基础上，结合某废弃露天矿工程实例，基于基本特征和形成机理分析，对危岩稳定性进行初步研判，并在危害性评价的基础上提出了针对性的防治建议.

1 典型危岩概况

该典型危岩位于某露天矿南部边坡中上部，地理位置：东经120°33′34″，北纬29°47′26″.边坡系人工采石开挖形成的高陡裸露岩质边坡，总宽约67 m，中间为一斜长石壁隔开.危岩落石区域最大坡高57.5 m，坡面基岩裸露，呈上陡-中缓-下陡折线形，平均坡度60 °～70 °，下部为一宽约38 m的平台，平台面基岩裸露，上部有一宽约4 m的缓台，缓台以上自然山体为植被覆盖.该危岩前期已发生多次崩落，最主要的两次崩落方量共约150 m3，现状边坡全貌和坡体残留危岩见图1和图2.

图1 边坡全貌图

图2 残留危岩侧视图

该危岩边坡出露基岩岩性为白垩系下统磨石山群茶湾组(K1c)含角砾凝灰岩，边坡上主要发育有一组节理J1：200°∠68°，延伸长度大于5 m，节理面基本闭合；发育一组层理J2：40°∠10°，延伸长度大于5 m，层理面较粗糙，局部微填充.J1与J2裂隙面基本平直，两者成大角度相交，贯通切割岩体严重，形成悬挂式危岩.节理与坡面组合赤平投影图见图3.

2 危岩形成机理

危岩发育有其特殊的环境岩土工程条件，是地质构造、地形地貌、地震及地下水等多因素异变耦合的结果[4]，总体上来说可分为内因和外因两个方面[7].内因主要是指岩体岩性及岩体中赋存的各种节理裂隙，外因主要是指开采活动等人为扰动、雨水入渗、风化作用等.在内因方面，根据图2可知，该危岩的形成主要受节理J1的影响，该节理倾向基本与边坡倾向一致，其组合交线倾角略小于边坡角，为典型外倾结构面，对崩塌体形成有利，而节理J2主要是分布于潜在危岩上部，且略微反倾，对其上部岩体稳定有利，主要起到分割上下岩体的作用.在外因方面，一方面是矿山开采活动改变原始地形地貌，形成高陡临空面，卸荷作用使得卸荷裂隙追踪结构面发育，切割岩体；另一方面是降雨沿节理或卸荷裂隙入渗，起到润滑和产生裂隙动水压力的作用，加速裂隙发育.同时，开采活动动力扰动、岩体自重和风化作用也对裂隙形成具有一定促进作用.

图3 节理与坡面组合赤平投影图

3 危岩稳定性分析

3.1 半定量稳定性分析

采用美国Pierson提出的一套针对公路崩塌落石风险评估准则，对危岩落石各因素进行赋值计算评价，具体评分表及分值见表1.

综上所述，该典型危岩是在被节理裂隙切割的前提条件下，受开采卸荷、岩体自重、降雨入渗等内外因素综合作用加速裂隙发育，导致一侧悬空，最终形成拉裂—坠落式危岩.

表1 危岩落石可能性量化评分表[2，8-9]

危岩落石可能性因子可按下式计算：

(1)

根据文献[8]可能性因子(IP)-经验概率(P)转化表(见表2)，该危岩崩落概率为P=0.917，属于欠稳定状态.

表2 可能性因子(IP)-经验概率(P)转化表[8]

3.2 稳定性量化分析

关于危岩稳定性量化计算，胡厚田[1]、陈红凯[3-4]等均有不同论述.结合本工程实例，其一侧以悬臂梁形式突出的岩体，在靠近固定端横截面上承受最大的弯矩和剪力，其上侧岩体处于弯拉组合应力状态，下侧岩体处于弯压组合应力状态，根据岩体抗拉性能远低于抗压性能的特性，岩体最初可能在上部边缘达到岩体抗拉极限应力状态，容易产生初始拉裂缝.当初始拉裂缝形成后，突出部分“悬臂梁”有效横截面积减小，截面抗弯性能随之降低，裂缝逐渐扩展，最终形成贯通裂缝而发生拉裂式坠落.因此，此类岩体稳定性量化计算的关键在于固定端横截面上顶部的拉应力能否超过岩体的抗拉强度.故可以通过简化力学模型用拉应力与岩体允许抗拉强度的比值进行稳定性量化分析.

本文根据该危岩空间赋存特征，不计下部外倾结构面摩擦力，构建简化力学结构模型(见图4)，采用弯曲杆件正应力计算公式进行稳定性计算.

按照简化力学模型，根据材料力学知识，假设危岩体首先在A点发生破坏，则该点的拉应力可按照下式计算：

(2)

式中：MAmax——A点所在横截面的弯矩，N·m；

Iz——A点所在横截面惯性矩，m4；

ymax——破坏点距离中性轴的最大距离，m.

则危岩稳定性系数可表示为：

(3)

式中，[σt]为岩体抗拉强度，根据岩体风化程度及当地情况取经验参数为500 kN/m2.

采用艾沃斯激光测距仪望远镜量取残留危岩尺寸，并根据坡面残痕估测掉落前整个危岩尺寸.为了验证崩落前整体危岩“悬臂”长度l估测的准确性，采用式(2)、式(3)进行反算，反算得“悬臂”长度l≥6.3 m时发生拉裂破坏.因此，在不考虑危岩体局部可能存在的初始裂缝的条件下，可初步认为该危岩体前期发生过两次崩落，与现状平台上大致形成两处崩落堆渣基本一致.

对崩落前后危岩稳定性分别进行计算，采用计算参数及计算结果见表3.

表3 稳定性计算参数及结果

根据计算结果可知，局部崩落前整体危岩不稳定，容易发生崩落；崩落后残留危岩由于“悬臂”较短，其整体处于基本稳定状态.但根据边坡实际情况，其在长期风化剥蚀等外因作用下，仍有可能发生小规模落石.

4 危害性评价

4.1 崩落影响范围理论计算

危岩崩落后主要以落石的形式沿坡面向下滚动、跳跃、滑动[1，8，10]，对坡下土地开发利用存在安全威胁.根据边坡实际情况建立如图5所示的计算模型，将坡面概化成连续的折线形山坡，从落石的运动规律出发，采用理论计算方法确定危岩崩落影响范围.

图5 折线形山坡崩落影响范围计算模型

(1)纵向影响范围

采用苏联尼米罗依尼什维里教授提出的落石运动计算方法[1,11]，其纵向影响范围可按下式进行计算：

(4)

V2(0)=(1-λ2)V1(t)cos(α1-α2)

(5)

(6)

式中：Hi——第i折线段坠落垂直高度，m；

εi——第i折线段速度计算系数，分别取值3.3和2.7；

Vi(0)、Vi(t)——坠落至第i折线段的初始速度和末端速度，m/s；

g——重力加速度，取值9.8 m/s2；

石块在第二折线段的运动形式可能为滑动、滚动和跳跃.一般来说，跳跃的速度较大，水平距离较大，且最后一次跳跃点距离坡肩越近，下一折线段跳落距离越远.假定最后一次跳跃刚好从第二折线段末端弹跳，对于边坡倾斜时，其最大崩落距离计算公式如下：

(7)

式中：xmax——坡脚至落地点的最大水平距离，m；

根据上式计算可得，坡脚至落地点之间的最大水平距离为xmax=9.14 m，则危岩崩落纵向影响范围为33.55 m.

(2)横向影响范围

崩落横向影响范围可按下式进行计算[9，12]：

(8)

式中：η——偏移角，综合可接受的风险水平考虑取值为0.2；

S——斜坡等效长度，为49.51 m.

根据上式计算可得，崩落横向影响范围为19.80 m.综上，初步以纵向33.55 m和横向19.80 m确定危岩崩落的影响范围.但实际上，危岩接触地面后并不会静止，而是会继续以弹跳和滚动的形式向前运动，直至能量消耗殆尽.因此，继续用数值软件对弹跳影响范围进行模拟计算，以提出合理的防治措施.

4.2 Rocfall数值模拟

在前述理论计算的基础上，采用Rocfall软件对危岩落石运动路径进行数值模拟，一方面验证理论计算的正确性，另一方面为提出合理的防治措施建议提供参考.危岩落石数值模拟参数见表4.

在对坡面进行清理前，边坡第二折线段和下部平台为碎石所覆盖，考虑后续矿地开发利用需对坡面和下部平台进行清理，清理后整个边坡基岩裸露，对前后分别进行模拟，结果见图6-图9和表5(a为清理前、b为清理后).

从模拟结果可以看出：①对比清理前后落石运动过程参数，清理后初次落地点位置、落地速度、停止运动位置、落地后首次弹跳最大高度、总动能均比清理前大，说明堆积碎石覆盖层对落石运动具有缓冲衰减作用；②清理前后初次落地位置、落地速度相差不大，但停止运动位置和落地后首次弹跳最大高度相差较大，说明覆盖层对落地后弹跳运动缓冲衰减作用要明显强于对斜坡运动的衰减作用.③对比初次落地点位置理论计算和软件模拟结果，理论计算值(≤33.55 m)略大于模拟结果(27.34 m～29.83 m)，为保守安全计，可按照理论计算值设置防护措施，根据清理前后落石运动特征参数，可考虑在距离坡脚10 m处修筑高3 m的混凝土拦挡墙，并在靠近拦挡墙内侧3 m范围内地面堆放碎石土和移植高低复合防护林充当缓冲层，使落石初次落地后弹跳高度减弱至清理前状态.

表4 危岩落石数值模拟参数

图6 落石运动路径模拟结果

表5 落石运动主要过程参数对比

5 结论

(1)该典型危岩是在被节理裂隙切割的基础上，受开采卸荷、岩体自重、降雨入渗等内外因素综合作用加速裂隙发育而逐渐形成一侧悬空的拉裂-坠落式危岩.

(2)基于材料力学模型的量化分析与基于影响因素赋值评价的半定量打分结果均表明崩落前危岩体整体处于欠稳定状态，且在崩落后残留危岩由于“悬臂”较短，其整体基本处于稳定状态，但在长期风化剥蚀等外因作用下，仍有可能发生崩落.

(3)以理论计算和软件模拟两者取较大值划定崩落直接影响范围为：以危岩体为中心确定的纵向33.55 m、横向19.80 m范围内应严禁人员进入和设置任何工程措施.

(4)覆盖层对落石运动轨迹有较大影响作用，特别是对落石弹跳运动具有明显衰减作用.

(5)根据落石运动特征和崩落威胁范围，建议在清理危岩的基础上，在坡脚外10 m处设置高3 m且内侧含缓冲垫层或防护林的拦挡墙进行隔离防护.