基于赤平投影法的夏日哈木露天采场边坡稳定性分析

陆建同，李 军，何 平，孟祥超

(山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队)，山东 兖州272100)

边坡稳定性一直是边坡工程关注的内容之一，其失稳给生命财产带来了极大的威胁[1]。为准确地分析边坡稳定性及采取适当的施工措施，学者们提出了极限平衡法[2]、赤平极射投影图解法(以下简称“赤平投影法”)、数值分析法、模糊数学法等，方法各有利弊[3]。其中赤平投影法主要用来表示线、面的方位，以及相互间角距关系及其运动轨迹，把物体三维空间的结合要素(线、面)反映在投影平面上研究处理[4]。边坡稳定性分为稳定结构边坡、基本稳定结构边坡和不稳定结构边坡三种类型[5]。岩质不稳定边坡的破坏模式分为简单平面破坏和楔形破坏(图1)，赤平投影法根据边坡产状与优势结构面之间的位置关系，能形象地反映两种破坏形式。本文以青海夏日哈木拟建露天采场岩质边坡结构面特征，选取赤平投影法对边坡进行稳定性分析。

图1 --岩质不稳定结构边坡赤平极射投影图Fig 1.Stereographic Projection Map of Unstable Rock Structure Slope

1 露天采场概况

1.1 露天采场设计概况

夏日哈木镍钴矿地处青海西部东昆仑山脉西段，采用露天开采，拟规划建设年产矿石量561万吨，设计生产服务年限18年。可行性研究拟建露天采场设计长1670m，平均宽1200m，最高边坡超过600m，采场具体参数见图2和表1。该拟建露天采场分为五个区，各分区边坡初步设计坡度42O～45O，各台阶坡面角60°～65°。

表1 边坡分区参数表

图2 拟建露天采场工程地质图[1]

1.2 地形地貌及水工环地质特征

露天采场处于青藏高原腹地，整体地势西南高，北东低，属于柴达木盆地区和东昆仑山脉过渡带。研究区最低海拔高程+3299m，最高海拔高程+3699.15m，主要为中海拔小起伏中山及丘陵；采场附近河流属于柴达木盆地内陆水系，流程短，均为季节性河流，每年6月至10月为有水期，以大气降水及山区冰雪融水为补给水源；采场内岩石较坚硬-坚硬，工程地质条件较好；地质灾害现象不发育，仅山顶发育少量崩塌，地下水质量等级总体良好-较差。

1.3 露天采场边坡工程地质概况

露天采场境界内及周边岩体工程地质类型划分3个工程地质岩组，分为坚硬-较坚硬块状岩浆岩岩组；坚硬-较坚硬层状副变质岩岩组；坚硬层状正变质岩岩组[6](图2)。

1-更新世冲洪积，2-坚硬-较坚硬层状副变质岩岩组，3-坚硬层状花岗质片麻岩岩组，4-坚硬层状正变质岩岩组，5-拟建露天采场境界，6-拟建露天采场分区编号，7-拟建露天采场分区界线，8-拟建露天采场分区设计坡度，9-拟建露天采场内部等高线及高程，10-优势结构面控制点位置及编号，11-片麻理产状

(1)坚硬-较坚硬块状岩浆岩岩组：块状结构，主要岩石为辉石岩和辉长岩，其次为各类花岗岩脉，各岩石饱和单轴抗压强度31.60MPa～76.2MPa，坚硬-较坚硬岩类，岩体构造以剪节理为主，裂隙率5条/m，岩体体积节理数条9条/m3，边坡岩体完整程度较破碎。主要分布于边坡一区。

(2)坚硬-较坚硬层状副变质岩岩组：呈层状，主要岩石为黑云斜长片麻岩和各类片岩，岩石饱和单轴抗压强度31.30MPa～101.80MPa，较坚硬-坚硬岩类。岩体内构造以剪节理为主，其次为片麻理、片理，裂隙率5条/m～6条/m，岩体体积节理8条/m3～9条/m3，边坡岩体完整程度较完整-较破碎。主要分布于三、四区。

(3)坚硬层状正变质岩岩组：厚层状，主要为花岗质片麻岩，岩石饱和单轴抗压强度67.5MPa～107.4MPa，较坚硬-坚硬岩类。岩体内构造以剪节理为主，次为片麻理，裂隙率5条/m，岩体体积节理9条/m3，边坡岩体完整程度较完整。条带状分布于露天采场境界内中西部各区不均匀分布。

区内断层与褶皱构造不发育、不存在层间软弱结构面及层间滑动现象，岩体物理力学性质较好，各岩体主要优势结构面以剪节理、片麻理及片理为主，边坡主要工程地质问题为结构面稳定性问题。

2 赤平极射投影法边坡稳定性分析

拟建露天采场边坡主要优势结构面为剪节理、片麻理或片理等，选择15个具代表性的结构面控制点(图2)进行赤投影分析。由于本露天采场设计为台阶式边坡开采，每台阶的边坡高度不超过30m，因此楔形滑坡一般发生在台阶边坡上，规模一般较小，分析时边坡的坡角采用台阶坡面角65°。其赤平投影结果见图3，有9个优势结构面控制点(一区MG12控制点，二区MG09与MG05控制点，三区MG07与MG08控制点，四区MG10控制点，五区MG02、MG13、MG15)控制点两组结构面交线倾向与边坡倾向大致相同且两组结构面交线的倾角大于倾向边坡倾角，有发生楔形破坏的可能，为不稳定结构边坡。其余6个稳定-基本稳定结构边坡。本文重点对不稳定结构边坡进行分析评价。

大量楔形滑坡实例表明[7-9]：两结构面交线倾角>25°且两结构面交线倾向与边坡倾向夹角<60°时，楔形滑坡可能性大；两结构面交线倾角>25°或两结构面交线倾向与边坡倾向夹角<60°时，楔形滑坡可能性较大；两结构面交线倾角<25°且两结构面交线倾向与边坡倾向夹角>60°时，楔形滑坡可能性较小。据此可快速判断各分区发生楔形滑坡可能性的大小。

2.1 一区边坡稳定性分析

MG12控制点两组结构面交线的倾向与边坡倾向相同，且倾角小于坡角，为不稳定型边坡，有形成楔形滑动面的可能。MG12两结构面交线倾角16.6°<25°，两结构面交线倾向与边坡倾向夹角65°>60°时，发生楔形滑坡的可能性较小(表2，图3)。

2.2. 二区边坡稳定性定性分析

MG09与M05两组结构面交线的倾向与边坡倾向相同，且倾角小于坡角，为不稳定型，有形成楔形滑动面可能。根据两结构面交线倾角大小、两结构面交线倾向与边坡倾向夹角大小分析(表2)，MG09、MG05发生楔形滑坡可能性较大。图3。

2.3 三区边坡稳定性分析

MG07、MG08两组结构面交线的倾向与边坡倾向相同，且倾角小于坡角，为不稳定型，有形成楔形滑动面可能。据两结构面交线倾角大小、两结构面交线倾向与边坡倾向夹角大小分析(表2)，MG07发生楔形滑坡可能性大，MG08发生楔形滑坡可能性较小。图3。

2.4 四区边坡稳定性分析

MG10两组结构面交线的倾向与边坡倾向相同，且倾角小于坡角，为不稳定型，有形成楔形滑动面可能。据两结构面交线倾角大小、两结构面交线倾向与边坡倾向夹角大小分析(表2)，MG10发生楔形滑坡可能性大。图3。

2.5 五区边坡稳定性分析

MG02、MG13、MG15两组结构面交线的倾向与边坡倾向相同，且倾角小于坡角，为不稳定型，有形成楔形滑动面可能。据两结构面交线倾角大小、两结构面交线倾向与边坡倾向夹角大小分析(表2)，MG02、MG13、MG05发生楔形滑坡可能性较大。图3。

通过以上分析，二区MG09、三区MG07、四区MG10、五区MG05发生楔形滑坡可能性大，二区MG05、五区MG02、MG13发生楔形滑坡可能性较大，一区MG12、三区MG08发生楔形滑坡可能性小。

图3 地表优势结构面与边坡的关系赤平投影图

表2 赤平投影法边坡稳定性分析结果表

3 拟建边坡稳定性分区及防治措施

3.1 拟建边坡稳定性分区

据赤平投影法边坡稳定性定性分析结果，对拟建露天采场边坡防治分四个防治区，重点防治区(发生滑坡可能性大)、次重点防治区(发生滑坡可能性较大)、一般防治区(发生滑坡可能性小)和一般监测区(不具备发生楔形滑坡的条件)，见图4。

图4 拟建露天采场边坡稳定性分区图

3.2 边坡防治措施

3.2.1 重点防治区边坡防治措施

(1)放缓台阶边坡设计边坡角：拟建各台阶边坡坡度过陡是诱发边坡失稳最主要的因素，建议对重点防治区降低各台阶边坡的设计边坡角。

(2)锚杆锚固、结构面灌浆或注浆处理：边坡开挖中，对结构面交线倾角较陡的楔形体，建议采用锚杆或锚索技术稳定斜坡体；对于已经开裂的节理、片麻理等优势结构面应及时进行灌浆或注浆处理。

(3)建立边坡排水系统(减少边坡孔隙水压力)：必须重视孔隙水压力对边坡的影响。边坡形成后，设置有效的明排水系统(截水沟、排水沟等)，以减少雨季大气降水形成的地表水对边坡的直接入渗和破坏。

(4)建立边坡监测系统：边坡形成后，建立边坡监测系统，定期对边坡变形、边坡裂缝点位移、边坡孔隙水压力、边坡地应力等进行监测。

3.2.2 次重点防治区边坡防治措施

主要在边坡开挖过程中，对结构面交线倾角较陡的楔形体，建议采用锚杆或锚索技术稳定斜坡体；对已开裂的优势结构面及时灌浆或注浆处理。楔形滑坡体，同时应建立边坡排水系统(减少边坡孔隙水压力)和边坡监测系统，定期对边坡进行监测。

3.2.3 一般防治区和一般监测区

应建立边坡排水系统(减少边坡孔隙水压力)和边坡监测系统，定期对边坡进行监测。

4 结 语

(1)通过赤平投影法定性分析结果：有9处赤平投影控制点处为不稳定结构边坡，并根据形成楔形体的两组结构面交线倾角大小及两组结构面交线的倾向与边坡倾向的关系预测了发生楔形型滑坡的可能性大小。

(2)根据赤平投影法边坡稳定性定性分析结果，对拟建露天采场边坡稳定性的分区划分了边坡防治分区，并针对不同的防治区提出了相对性的防治措施。

(3)本次边坡稳定性赤平投影法定性分析快速简洁、分析结果及提出的边坡防治建议合理可行，建议在类似露天采场边坡设计中加以推广。