基于结构面的岩质边坡稳定性分析

杨时业，侯克鹏，杨会明

(1. 昆明理工大学，昆明 650093；2. 云南铜业股份有限公司，昆明 650102)

引言

我国经济建设的高速增长极大地刺激了资源的开发、交通体系的完善和城镇的都市化进程。工程数量的增多和规模的加大给不同领域带来了众多的边坡工程问题。近年来随着工程建设和施工技术的飞速发展，岩土边坡的高度已超过百米，尤其是岩质边坡，因此高陡岩质边坡稳定性问题成为了岩土工程的重要研究课题之一[1-4]。在构造应力作用下，岩体产生各种构造形迹。构造形迹在空间上的方位都用平面或曲面来表示，这些面统称为结构面。结构面在空间的分布状态与组合形式构成了岩体的机构，是决定岩体工程地质特征和力学性质的关键因素。结构面这种不连续面的存在使工程岩体失去其连续性和完整性，从而导致工程岩体的失稳与破坏[5-8]。

大量的工程实践与研究证明边坡的失稳源于结构面，岩质边坡的变形和破坏通常受控于岩体介质特性，沿岩体结构面发生。结构面控制着边坡的变形、破坏和演化过程，所以对岩质边坡的稳定性进行分析要充分考虑结构面因素[3-4]。

1 结构面对边坡稳定性的影响

结构面就是岩体发展历史中所形成的地质界面，是岩体中各种力学不连续面的总称，其强度较岩体明显减弱。岩体破坏总是沿相对小阻力面发生，而结构面间物质软弱松散、抗剪强度低，因此结构面往往成为岩体破坏的控制因素。野外调查发现，自然斜坡的崩落和滑坡往往源自山体或岩体内部某些地质界面，如岩体结构面。人工边坡的变形破坏与岩体结构面的关系尤为密切。

边坡岩体的破坏多为剪切和拉断两种形式。除少数情况外，绝大多数边坡的破坏均为滑动破坏形式。根据滑动面的形态、数目、组合特征以及边坡岩体破坏的力学性质，岩体边坡的破坏可分为曲面滑动、平面滑动、双平面滑动、多平面滑动和倾覆破坏等五种类型。除软弱岩体和散体结构岩体外，多数岩体边坡的滑动破坏都是由非稳定岩体沿着某些软弱结构面向一定自由空间发生滑动造成的[9]。上述非稳定岩体由若干个软弱结构面和若干个岩体自由面切割而成，具有一定的几何形态和尺寸。

因此，斜坡岩体的破坏实质上是作为滑动面的软弱结构面上的致滑力与摩擦阻力这对矛盾运动和发展的必然结果。几组结构面切割形成的可能滑动块体是斜坡失稳的必要条件，地下水沿结构面渗流并在其中形成超高渗压以及使滑动结构面力学性质弱化是斜坡失稳的诱因。所以，斜坡岩体稳定问题，实质上是岩体结构面的性状、组合及其与工程作用力的关系问题。

2 优势面理论

岩体结构控制论最初由中国科学院地质研究所工程地质室提出，优势结构面分析观点是基于岩体结构控制论。优势结构面理论是研究工程地质问题或岩土工程问题的一种新的观点和模式，是罗国煜教授在几十年实践基础上建立起来的，首先就岩坡问题于1979年提出，正式发表于1981年。该理论认为优势面控制岩坡变形的边界，优势面的组合构成岩体变形的破坏模式，这种破坏模式即为边坡物理模型建立的依据[3-4]。

优势结构面是在各种结构面中按照优势指标找出的对岩体稳定性起控制作用的结构面。寻找优势结构面的方法有ANN法、优势指标法、专家系统法等，其中最主要的方法为优势指标法，该方法根据如下优势指标确定优势面[1]:

CP(I)=t×TP(I)+q×QP(I)+n×NP(I)+g×GP(I)+d×DP(I)

式中：CP(I)为结构面的综合指标；TP(I)、QP(I)、NP(I)、GP(I)、DP(I)分别为第I结构面的时间、性质、数量、规模和分形优势指标；t、q、n、g、d分别为时间(指最后一次活动的时间)、性质、数量、规模和分形(指结构面的分形维数)优势指标对应的权值。CP(I)≥优势判据CN时，I结构面为优势面。优势结构面确定方法如图1所示。

图1 优势结构面确定方法

3 工程背景

边坡为山脉走向近东西、坡面北的单坡面。矿山经过多年的开采现已形成一面坡的现状，边坡高度约190 m，边坡角42°～ 47°，目前已形成2 190 m、2 160 m、2 130 m、2 100 m和2 070 m五个平台。根据该矿山开采计划，最终开挖到1 910 m水平。2 070 m水平以下到最低开采境界1 910 m水平仍采用“一面坡”的形式，边坡倾角与底板岩层的倾角一致，最终边坡总体高度将超过300 m。

3.1 矿区构造

边坡所在矿区位于香条村背斜北翼东段，地层倾斜北，呈单斜形态，构造相对较为简单，没有落差>30 m的断层。东部地层走向接近东西向，倾角较陡；由10线向西转为300°走向，倾角逐渐变缓。

3.2 地层与岩性

边坡矿体直接底板为寒武系梅树村组第一段(∈1m1)，岩性为层纹状含磷细晶白云岩、砂质白云岩夹燧石条带，厚度均匀，层厚46.75 m，下部与震旦系上统灯影组呈整合接触。矿体顶板岩性是一套碳酸盐沉积为主的白云岩。一般厚度2.43～7.09 m，有一定变化。上部为泥岩、黏土岩夹海绿石砂岩，中部为灰白色细晶白云岩，下部为磷、锰质白云岩夹燧石条带。地层产状为东西向，倾角上陡下缓，平均倾角45°。在边坡的后缘山顶部分，分布有厚3～7 m的第四系坡积、洪积松散岩组(Q)，表面植被发育。

目前边坡主要由白云岩、砂质白云岩薄层状结构坚硬岩组(∈1m1)和白云岩厚层—块状结构坚硬岩组(Zbdn)构成。白云岩、砂质白云岩薄层状结构坚硬岩组(∈1m1)呈条带状出露于分水岭，是矿体的直接底板，具有较强的抗风化能力。该层夹有致密磷块岩薄层，裂隙发育，底部为白云岩，呈灰黄色、黄色薄层状，局部风化呈砂土状，红色。该层为软弱夹层。白云岩厚层—块状结构坚硬岩组(Zbdn)夹硅质白云岩及燧石条带，岩性主要是厚层状细粉晶白云岩，为灰白色。该岩层位于边坡山麓脊部，岩石完整性好，坚硬致密。

3.3 水文地质

矿区处于滇池西侧低中山地带，地形高差大，水位埋藏较深，最高处标高2 225.75 m，山坡有南北向雨裂、冲沟切割，最低侵蚀基准面标高为1 883.15 m，利于自然排水，地下水主要由大气降水补给。

4 岩体结构面调查

为了确定岩体中结构面发育的组数和各组结构面的发育程度，掌握结构面的分布规律，经过现场边坡结构面调查，利用EXCEL对采集的数据进行统计分析。岩体结构面调查常采用详细线测法和取样窗法，本次调查采用详细线测法。

在节理露头面上布置一条或者多条相互平行或以任意角度相交的直线，然后详尽地记录与这些直线相交的节理条数、产状、迹长以及其他一些参数，这样的测量方法称为详细线测法，是一种线测量法。详细线测法将结构面共分为8种类型，见下图2所示：

图2 详细线测法示意图

结构面调查的主要内容包括方位、间距、迹长、起伏度、张开度、粗糙度、填充物等。目前，衡量节理分布的密度参数主要有：平均节理间距、节理迹线长度、单位体积的节理数、单位面积的节理数等。

5 结构面统计结果

边坡面上出露的岩体主要为砂质白云岩，根据现场边坡面五个平台的实际情况布置了12个测点，累计调查共194.67 m，结构面443条。结构面类型以5类为主。张开型结构面占很大比例，偶有钙质充填物，其中岩体结构面间距小于30 cm。大部分结构面属于平直型，倾角大于45°的结构面占总数的60%；倾角大于50°的结构面占总数的46%。统计结果显示：边坡岩体结构面较发育，平直型结构面为主要的结构面类型，不利于边坡岩体的稳定性。

对采集的结构面数据进行赤平极射投影分析，绘制极点等密图[10]，如图3所示。根据极点等密图分析得到的边坡优势结构面数据见下表1所示：

图3 极点等密图

图4 优势面赤平极射投影图

表1优势结构面数据

Table1Dataofpreferredplane

编号1234567倾向359°92°110°210°231°270°354°倾角51°80°70°20°50°81°37°

从图3可以看出：第2、3、4、5、6组结构面与边坡基本垂直或大角度相交，对边坡稳定性有利；第7组结构面与边坡同向且小角度相交，对边坡稳定性不利。

6 结论

综上所述，第7组结构面(354°∠37°)是对边坡稳定性起控制作用的结构面，该结构面形成时间较早，为砂质白云岩和细晶白云岩之间的岩层界限。细晶白云岩岩体坚硬致密，边坡面没有细晶白云岩出露，所以现阶段边坡不会沿着该结构面产生明显的滑动，边坡总体稳定。

目前边坡面均为砂质白云岩出露，在削坡卸载后，坡面应力重新分布，坡面岩体的风化和卸荷裂隙发育，其中顺层结构面较发育。在开挖过程中局部顺层岩体下部被挖空，上部顺层岩体失去了下部岩层的支撑作用，造成上部顺层岩体悬空，形成潜在的不稳定体，在长期暴晒及地下水—地表水的循环交替作用下，其结构面(层理面)极易达到饱和而导致岩体结构顺着层理面滑落下来。所以在开采过程中坡面将伴随有小规模的崩塌、剥离失稳。

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