石佳矿山高边坡崩塌特征与失稳模式分析

罗 越，刘江伟，明伟庭

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059）

露天矿边坡是我国主要人工边坡工程之一，相比于一般工程边坡，露天矿边坡更为高陡且坡面受节理裂隙控制，岩体破碎，地质灾害频发，崩塌作为最常见的矿山地质灾害破坏形式，具有突发性、急剧性、快速性等特点，一旦发生损失巨大[1−6]。目前众多学者针对矿山边坡灾害进行了研究[7−8]，并取得了显著成果。洪儒宝等[9]认为露天矿边坡失稳模式有危岩崩塌、平面滑动、楔形体破坏、倾倒破坏和圆弧滑动破坏等。代永新等[10]在梳理国内外文献基础上分析了露天矿超高边坡灾变影响因素和防控关机技术，并指出未来面临的挑战；Anabestani 等[11]通过多准则决策方法研究了如何确定露天矿边坡危岩体。Rose 等[12]通过建立裂隙位移与时间关系曲线预测了露天矿边坡的破坏情况。徐博等[13]认为山西磺厂沟煤矿崩塌成因是采煤扰动和差异风化共同作用结果，并提出治理方案。针对边坡危岩崩塌灾害，Rocfall 能较好地模拟崩落轨迹、状态并预测落点位置，确定大致危险区范围。唐红梅等[14]运用Rocfall 对重庆市万州区天生城危岩崩落进行模拟，确定落石对坡脚公路和学校的影响概率为100%，其结果为三峡库区危岩落石的防治提供了重要依据；钟传欣[15]基于Rocfall 模拟了坡高与坡角相同条件下5 类坡型（直线型、凹弧形、阶梯型、直线–平台型、实地型）的落石运动特征；韩超明等[16]对6 级常用坡率岩质边坡落石运动轨迹进行了Rocfall 模拟。

河津市矿产资源丰富，北部沿山一带分布有大量石灰岩矿山，由于长期不科学开采遗留大量边坡，坡面高陡，岩体结构破碎，在降雨、荷载、爆破振动以及开挖卸荷下灾害频发，准确把握区内崩塌落石发育规律以及失稳类型具有现实意义。鉴于此，本文通过对河津市石佳矿区内遗留矿山边坡现场进行调查，对区内边坡结构、危岩体特征及结构面特性等进行分析，总结崩塌发育特征及失稳模式，采用Rocfall 模拟典型危岩体崩塌运动过程，获取运动路径、弹跳高度、平移速度以及动能，大致确定危害程度。本研究可为矿山地质灾害识别及防治提供一定指导。

1 矿山基本概况

1.1 区域地质条件

石佳矿山位于河津市北东方向，地理坐标：110°48′48″E，35°42′24″N。矿区地势整体北高南低，属中低山地貌，地形切割较深，相对高差200～300 m。区内沟谷发育，呈“V”字形。沟谷多为干沟，无常年流水，水源以大气降水为主，人类工程活动强烈。矿区出露有寒武系下统毛庄组（∈2mz）、中统徐庄组(∈2x)、张夏组（∈2z）及寒武系上统及奥陶系下统地层（∈3-O1），以碳酸盐岩为主（图1）。主要开采岩层为张夏组（∈2z）广泛分布于矿区中部，地貌上表现为大陡坎。中上部为深灰色中厚层灰岩夹青灰色薄—中厚层灰岩及白云质灰岩。下部主要为深灰色中厚层泥质条带灰岩夹黄绿色页岩，总厚度40～60 m。厚度变化较大，底部页岩及薄板状泥质条带灰岩常呈不明显小缓坡，中上部多为高差较大的大陡崖。岩层产状340°∠9°。区内构造线总体呈北东-南西向单斜构造，与地层产状一致。矿区南西部为罗云山山前断裂[17]，该断裂河津区段总体走向NWW，是晚更新世断层。

图1 石佳工程地质图

1.2 矿山边坡概况

石佳矿山属于典型露天石矿，倚坡随地形开挖后形成岩体裸露面，根据坡向不同划分成3 个坡段，自西向东分别为B1、B2、B3（图2），边坡特征见表1。坡体上陡下缓，顶部有植被覆盖，坡面基岩裸露，边坡整体为切向坡。坡面整体平面形态呈圆弧形，发育与临空面平行的陡倾裂隙，上宽下窄，少量碎石充填。坡体表层岩体松动破碎，深部较为完整。

表1 边坡特征

图2 矿山边坡全貌（无人机影像图）

2 崩塌发育特征

2.1 分布及规模特征

调查发现3 个坡体表面均分布有大量松动岩体，现场不时有石块从高处滚落。从位置分布上，危岩体分布在坡体中上部，800～830 m 高程居多。从规模上，最大危岩体体积2 568 m3，属于小型崩塌。岩体被结构面切割成块状、板状、棱柱等。对各坡面典型危岩体分析，具体特征见表2。根据坡体结构和坡面变形情况可分为六个区（见图3），各区特征（见图4）：Ⅰ区、Ⅴ区位于边坡两侧边缘，节理裂隙发育，岩体被切割成大小不一的碎块；Ⅱ区、Ⅲ区位于边坡顶部，坡面高陡，岩石风化破碎，长大裂隙面发育，卸荷较为充分，岩体结多被结构面切割成板状和柱状，已发生块体崩塌；Ⅳ区位于边坡中部，结构面发育，受多组节理切割，岩体呈碎裂状，危岩体较多；Ⅵ区以崩塌堆积体为主。

图3 坡面分区图

图4 危岩体特征

表2 典型危岩体特征

2.2 结构特征

根据现场调查，岩层产状近水平，坡面岩体被切割成大小不等的块体，已经出现崩塌现象。根据坡体结构类型划分[18]，区内3 个边坡均属于节理控制性边坡，其稳定性主要受控于坡面与结构面组合关系。由于边坡高陡且下部被历史崩塌堆积体和矿渣覆盖，难以测量结构面，其中B1 边坡高度相对较小，岩层露头好，坡底堆积体较小，所以选择B1 作为代表性区域进行分析。忽略细小裂隙，主要测量长大结构面，主要发育4 组:J1：357°∠78°，走向与边坡延伸方向近于平行，结构面长大、粗糙，贯通性好;J2：84°∠88°，与边坡大角度相交，平直粗糙，贯通性较好；J3：253°∠58°，结构面短小、贯通性一般；J4：110°∠70°，结构面短小，贯通性一般。边坡214°∠67°，层面340°∠9°，赤平投影关系见图5，可通过每两组节理相交所得交线与边坡倾向倾角相对关系判定稳定性[19]。层面-J1、J2-J3、J2-J4、J3-J4 交线倾向均与坡面倾向相反，交线倾角小于坡面倾角，为不稳定状态。

图5 危岩体赤平投影

2.3 堆积体特征

堆积体多呈倒石堆状，整体结构松散，大小混杂，分选性差。主要由石灰岩块石、碎屑弃渣体及粉质黏土组成。堆积体表面岩体风化程度不一。堆积体主要分布在边坡底部，部分堆积于沟谷中。各堆积体中较大块石主要分布在坡体表面以及坡脚前缘较远处，较小石块堆积在下层以及坡脚处，而从堆积体冲刷断面发现下部堆积有大块石，上部反而为小石块（图6（a）），可推测是多次崩塌堆积而成。可大致划分为5 个区域（图1），Ⅰ区堆积体平面形态呈舌形，纵长约183 m，平均宽度约48 m，体积约22 698 m3；Ⅱ区堆积体为长条形，横长约82 m，宽约16 m，体积约1 053 m3；Ⅲ区呈不规则状，堆积体长约86 m，宽约36 m，体积约5 471 m3，上部为坚硬块状灰岩体，灰褐色，主要粒径为20～50 cm，含量约40%，下部为碎石与黏土混杂层，主要粒径为10～15 cm，含量50%～60%，前缘大块石2.2 m×1.8 m×0.8 m（图6（b））；Ⅳ区呈不规则状，纵长260 m，平均宽度约56 m，体积约30 862 m3，前缘大块石1.5 m×1.3 m×0.9 m（图6（c）），堆积体表面受雨水冲刷发育多条冲沟，冲沟长约6 m，宽约0.5 m，深约0.5 m（图6（c））；Ⅴ区平面呈舌形，纵长148 m，宽约70 m，体积约13 472 m3，前缘巨石6 m×3 m×4 m（图6（d））。

图6 崩塌堆积体剖面

3 失稳模式与影响因素

爆破振动和人工开挖致使边坡侧向卸荷，产生回弹变形，应力重分布[20]，具体表现为坡内向坡面、坡脚向坡顶压应力渐变为拉应力，在坡顶部分出现拉应力带，所以在坡顶容易形成与坡面平行的陡倾裂隙，卸荷裂隙也不断扩展，随着时间效应，边坡不断向临空方向发展，受降雨、地震、荷载等因素诱发崩塌。区内边坡崩塌成因模式属于卸荷−拉裂类，根据各危岩体发育特性其崩塌模式可进一步划分为卸荷−拉裂−滑移、卸荷−拉裂−倾倒、卸荷−挤压−鼓胀、卸荷−拉裂−坠落。

3.1 失稳模式

3.1.1 卸荷−拉裂−滑移式

W3 为典型拉裂-滑移破坏模式（图7（a）），该危岩体位于B2 中部左侧边缘处，岩层近水平，上部为厚层白云质灰岩下部为夹泥质条带，下部属于相对软弱结构面。发育有陡倾结构面L1、L2、L3。裂隙1 延伸长度约10 m，张开度约40 cm，已贯通；裂隙2 延伸长度约8 m，张开度约18 cm；裂隙3 延伸长度约3 m，张开度约14 cm，少量碎石充填。陡倾裂隙使危岩体后缘拉裂，由于上覆岩体的重力作用、降雨入渗以及软硬岩层的差异风化作用，裂隙不断贯通至软弱层，当抗滑力不足以抵抗滑动力，岩体将向临空面滑出，主崩方向204°。

3.1.2 卸荷−拉裂−倾倒式

W6（图7（b））位于B3 顶部边缘处，被与坡面平行的垂直拉张裂隙切割成板状或长柱状，此类不稳定岩体高且长，横向稳定性差，危岩体高达26 m，裂隙延伸长度约20 m，间距1～2 m，张开度约15 cm。被切割危岩重心向外偏移，对岩体作用有拉应力，当拉应力超过岩体强度，发生拉裂破坏。目前危岩处于基本稳定−欠稳定状态，在重力作用以及雨水入渗条件下，裂隙不断向下扩展当与缓倾结构面贯通时，岩体将向临空面转动倾倒产生崩塌灾害，主崩方向137°。

图7 危岩体破坏模式

3.1.3 卸荷−挤压−鼓胀式

B2 边坡左侧坡脚处发育危岩体（图7（c）），下部为泥质条带软弱层，上部危岩体由于重力作用将对下部软弱层产生向下的压应力，下部软弱层不断受到向外的挤压力将不断下沉和外移产生破裂面，同时发生倾斜，若重心移出坡外即产生崩塌。该危岩体破裂面长约1 m，下沉距离2 cm 左右。

3.1.4 卸荷−拉裂−坠落式

由于采矿开挖结构面切割作用其顶部部分岩体底部悬空，凸出岩体顶部及两侧均受结构面控制。此类危岩体主要发育在边坡顶部，B2（图7（d））坡体上部近乎直立，卸荷裂隙发育，在风化、重力、人为扰动下产生坠落，运动轨迹近似于自由落体。

3.2 影响因素

3.2.1 露天开采扰动

长时间爆破振动与卸荷开挖造就崩塌发生背景。区内原山体地形坡度约25°～35°，残坡积较薄，基岩裸露，边坡岩石结构较完整，风化破碎带小，基本不存在陡倾结构面或危岩体，整体结构稳定。石佳矿山开采方法为露天爆破后人工开挖剥离，爆破振动与卸荷开挖双重作用致使原山体结构遭到破坏，坡面岩体松动破碎，危岩体遍布，可在不确定的时间失稳致灾。同时为了加工运输方便，经常会在坡脚开挖道路以及施工堆料场等，若支护不到位，也易失稳。石佳矿山有长大十年的开采历史，强烈的人类工程活动改变了区内地质环境，破坏原有应力平衡，高陡坡体及危岩体为崩塌发生提供了一定地质背景。

3.2.2 地形地貌与岩性结构

坡体结构与岩性结构面是控制崩塌发生的主要因素。开采后边坡坡高且陡，为高位崩塌发生提供良好的临空条件。矿区主要发育厚层状白云质灰岩，坚硬性脆，在外力、构造力以及自重下容易产生节理裂隙，由于应力集中加之爆破振动的端部效应，坡体上部极易发育大量与坡面平行的陡倾裂隙，结构面组合切割，将厚层状灰岩切割成块状、板状等，坡面危岩体发育，容易发生变形破坏。下部有泥质灰岩和页岩夹层，软硬岩层组合也利于崩塌发生。

3.2.3 差异风化

露天矿高边坡的形成是长期作用的结果，开采时间越长，岩体裸露时间越长，风化作用越严重。边坡组成岩体主要为质地坚硬的白云质灰岩，中下部含软弱层，软硬岩层的差异风化将加快崩塌进程。

3.2.4 气候条件

受气候条件影响，崩塌灾害具有季节性特征，河津市属大陆性温暖气候，四季分明夏季多雨，节理裂隙将成为降雨入渗通道，其产生的静（动）水压力以及水的湿润作用使岩体结构强度降低。降雨入渗将诱发崩塌发生。

4 危岩失稳过程模拟

采用Rocfall 软件对区内典型危岩体进行数值模拟分析。建立危岩边坡二维模型，并根据边坡特性对碰撞恢复系数以及摩擦系数赋值，模拟危岩崩塌滚落过程的运动状态，获得大致运动路径、弹跳高度、总动能、平移速度等理论值，为后期崩塌灾害防治提供一定依据。

4.1 参数确定

石佳采石场边坡高陡，上部为陡峭的基岩裸露面，中下部为无植被的崩塌堆积体，根据前人研究成果[14,21]及该地区经验参数，计算参数取值见表3，计算中滚石数量为50 块。由于各典型危岩体整体规模较大，模拟时以节理所切割的小块体作为目标对象（表4）。

表3 计算参数

表4 危岩体积

4.2 模拟结果分析

4.2.1 运动路径

危岩失稳运动主要以沿坡面滚落和弹跳为主（图8），崩塌落石运动方式与边坡结构相关，当坡形简单且边坡整体平缓时以滚落为主，运动轨迹与坡形大致吻合，当边坡高陡且陡缓分明时以碰撞弹跳为主。如W2、W3、W4、W5 的模拟运动路径与坡体剖面线走势大致重合，在坡度发生变化时会有小幅弹跳，危岩W1、W6 边坡剖面陡缓分明，能明显看出岩体碰撞弹跳轨迹。

4.2.2 分布特征

对滚石落点位置进行统计，W1 有50%的滚石停留在35.82 m 处，12%停留在41.33 m 最远处，对平台道路暂时无危害；W2 有48%滚石停留在19.30 m 处，28%停 留 在57.89 m 最 远 处，54～81 m 处是矿区道路和施工平台，若W2 失稳，理论上54～57.89 m（道路及平台区）将被滚石覆盖，属于毁坏区，57.89～81 m 为危险区；W3 有52%停留在219.63 m 处，14%停留在192.59 处，12%停留在185.84 m 处，6%停留在199.35 m 处，4%停留在172.32 m 处，4%停留在179.08 m 处，其中102～120 m 为矿区内道路，若W3 失稳，滚石会将道路全毁坏并继续运动最终停积于沟谷之中；W4 有30%停留在212.69 m 处，24%停留在160.24 m 处，20%停留在171.9 m 处，16%停留在218 m 处，1%停留在224.35 m 处，100～118 m 为矿区内道路，属于滚石路径范围内，属于毁坏区，238 m 处有厂房，属于危险区；W5 有54%停留在109.12 m 处，44%停留在114.45 m 处，2%停留在119.77 m 处，104 m 处为道路，属于毁坏区；W6 有48%停留在193.57 m 处，26%停留在198.35 m 处，18%停留在188.79 m 处，6%停留在184.01 m 处，2%停留在203.13 m 处，169～204 m 处为道路及施工平台，滚石将堆积于此区域。区内危岩体失稳对坡脚公路、施工平台、厂房均有危害影响。因此，有必要设置挡石墙，挡石网等被动防护措施进行安全防护。

4.2.3 弹跳高度

对比图8、图9，滚石弹跳峰值一般出现在陡坡。以W6 为例，共有3 个明显弹跳峰值，对应图8中C、E、G 处。滚石先经历一小段滚落，即AB 段，运动至B 处，此时坡面变陡，坡度约80°，滚石滑出同时在自重作用下加速向下，此过程中岩体以飞跃为主，在C 点达到弹跳最大值24 m。D 点碰撞以后再次被弹出，在E 点出现第二次明显弹跳，高度约10 m，此次弹跳落点在F 点附近，随后岩体沿坡面运动直至坡底碰撞后在G 点出现第三次小型弹跳，高度约1.7 m，落点于H 附近。第二次、第三次弹跳值明显低于比第一次。

图8 运动路径图

图9 弹跳高度、总动能、平移速度

4.2.4 总动能、平移速度

总动能与平移速度包络线走势大致相同，在前期呈线性增长趋势，滚石与坡面碰撞后，能量损失，速度减小，有研究表明由于摩擦消能作用危岩落石切向速度在碰撞过程中消失10%[22]，甚至停止增长。碰撞后滚石或回弹或滚落，当做回弹运动时，弹出后会有一个上升过程，动能逐渐减小，上升到最高点后危岩体继续做重力作用主导的落体运动，势能减小速度也会不断增加，总动能又会持续增加直至下一次碰撞；若岩体以滚落为主，与坡面不断摩擦后，动能增长速率会减小，平移速度减小。

5 结论

1）河津市石佳矿山崩塌灾害以小型高位岩质崩塌为主，受采矿活动影响后形成高陡岩质边坡。边坡岩性主要为寒武系坚硬灰岩夹有页岩软弱层，坡面节理裂隙组合切割，岩体呈碎裂状，稳定性差。在不利坡体结构、地形地质组合以及差异风化下，岩体失稳崩塌。

2）矿区遗留高陡边坡中上部分布有大量危岩体，高程800～830 m 居多，体积大小不等，被结构面切割成块状、板状、棱柱状等。根据危岩体发育特征及边坡结构面组合，推测潜在崩塌模式有滑移、倾倒、坠落等。现有堆积体由多次崩塌事件堆积而成，呈倒石堆状。

3）矿区遗留高边坡崩塌失稳原因可归纳为：爆破振动与卸荷开挖造就崩塌地质背景；高陡坡体与不利结构面耦合控制崩塌发生机制；软硬岩层差异风化加速崩塌失稳进程；降雨最终导致崩塌发生。具体失稳模式可分为卸荷−拉裂−滑移式、卸荷−拉裂−倾倒、卸荷−挤压−鼓胀、卸荷−拉裂−坠落四种类型。为同类型矿山地质灾害识别提供一定理论参考。

4）通过Rockfall 对研究区典型危岩体进行崩落轨迹模拟，揭示危岩在岩体在重力主导下做初速度为零的落体运动，在不断碰撞弹跳摩擦中实现能量转换与消耗，直至停积。根据模拟运动轨迹及落点位置，石佳采石场矿区道路、施工平台、厂房等均处于危岩滚落危险区范围内，后期需设置拦石墙等支挡防护。模拟结果为同类型石灰岩矿危岩崩落灾害防治提供一定技术指导。