松树南沟矿区边坡岩体质量评价与边坡稳定性分析

王 伟 胡 斌 甘 露 欧光劲

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；2.成都建筑材料工业设计研究院有限公司，四川 成都 610011；3.四川金顶(集团)股份有限公司，四川 峨眉山 614224)

松树南沟矿区边坡岩体质量评价与边坡稳定性分析

王 伟1胡 斌1甘 露2欧光劲3

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；2.成都建筑材料工业设计研究院有限公司，四川 成都 610011；3.四川金顶(集团)股份有限公司，四川 峨眉山 614224)

为了评价松树南沟矿区边坡岩体开挖稳定性情况，指导矿山的安全施工，以结构面测量与工程勘察为基础，分析边坡岩体结构面的分布及岩体结构特征，得到对边坡稳定起控制作用的优势结构面。利用结构面三维网络模拟技术，对上述优势结构面进行计算机模拟，建立结构面网络模型，再现岩体结构。分别沿平行和垂直各测线走向方向切割网络模型，发现岩体部分区域被结构面切割严重，为形成小规模的可动块体提供了有利条件。运用分形理论计算了各切面的分形维数，计算得出边坡岩体处于一般或差的状态；借助有限差分软件FLAC3D，计算开挖后边坡岩体的稳定性情况，结果表明：由于开挖卸荷局部边坡台阶处出现了较大的位移和塑性区，可能出现崩塌、滑移破坏，与质量评价结果一致，建议适当放缓该区域台阶坡面角。

岩体结构 分形理论 网络模拟 岩体质量评价

岩体在其形成与存在的过程中，长期经受着复杂的建造和改造2大地质作用，生成了各种类型和规模的结构面，如断层、节理、层理、裂隙等[1]。岩体失稳破坏的决定因素在于岩体结构，它制约着工程岩体变形、破坏的发生和发展过程[2-3]。因此，岩体结构的研究对于正确认识岩体的变形和强度特征以及工程岩体稳定性都具有重要的意义。岩体结构是岩体中结构面与结构体的排列组合特征，正确地调查岩体中结构面的分布情况及规模是清楚了解岩体结构的关键。对于矿山边坡来说，多数的矿山在自然条件下是能够保持稳定的，但由于开挖改造破坏了岩体原始结构，岩体中天然应力发生改变，导致次生裂隙的产生，以及开挖临空面为边坡岩体破坏提供了新的边界条件，从而影响边坡的稳定性。

本研究以实测结构面与工程勘察为基础，采用Dips软件将所测结构面分为5个优势组。分析每组优势结构面几何参数的数学特征和分布形式，找到其概率分布函数。运用Monte Carlo原理，在计算机中生成服从特定分布规律的结构面随机数，将产生的随机数导入CAD建立结构面网络模型。运用分形理论计算各模型各剖面的分形维数进而对边坡岩体进行质量评价。同时借助有限差分软件FLAC3D，分析了开挖后整体及局部边坡的稳定性情况，从而指导矿山的安全施工。

1 工程概况

松树南沟矿区海拔一般在3 450～3 800 m，相对高差为200～400 m，岩性主要为花岗岩和细碧岩。区内地势南高北低，地形坡度大致南陡北缓，平均坡角约为30°，3 700 m以下多被草甸、植被覆盖，冬季湿冷，夏季凉爽，昼夜温差较大，冰冻期长达6个月左右，冰冻深度一般在2 m左右，矿山露采施工前，自然斜坡处于稳定状态[4-5]。

2 岩体结构面的分布特征

根据现场调查和矿区已做矿床勘探资料，矿区结构面较发育，按成因可分为4类：①细碧岩中流层理(面)，凝灰岩中的似层理和岩体中的片理；②经过多次构造应力作用形成的断裂面，如断层和节理裂隙；③后期侵入岩与围岩的接触面；④风化卸荷裂隙，其中以构造应力作用形成的不同规模和性质的断裂为主。矿区为倾向180°～210°，倾角50°～80°的单斜构造，是本矿区重要的大型结构面，因此除东北帮边坡为顺向坡外，其他各帮边坡结构为反向坡或直交坡。由于东北帮设计的最终边坡角为23°，远小于矿区大型结构面的倾角，说明大型结构面对采坑各区边坡不存在滑移破坏的边界条件，对矿区边坡整体稳定性有利。此外，边坡受到风化等动力作用，出现了较多的小型崩塌体，多堆积在台阶的坡脚附近，台阶外侧也出现了卸荷裂隙，裂隙宽度1～10 cm不等，且裂隙仍在发育。这些小型的节理、裂隙是造成局部台阶边坡破坏的重要因素。

矿区内节理主要发育于西矿床地段的细碧玢岩和斑状花岗闪长岩中，西矿床主矿体分布在标高3 650～3 800 m，属较陡倾斜矿体(倾角58°～65°)。综合考虑各种因素，在西帮3 760 m高程处布置3条测线，从西北帮到西南帮测线依次命名为A、B、C，其中A测线长7 m，实测结构面54条；B测线长6.3 m，实测结构面51条；C测线长6.3 m，实测结构面104条(见图1)。由于3条测线都比较短、结构面产状较为分散且受到边坡岩体结构面出露情况的限制，测得的结构面数量有限。若对每条测线上结构面进行单独分组则优势分组效果不明显，因此将西帮3条测线所测结构面合并统一处理。利用Dips软件采用下半球等角度投影，共将结构面分为5个优势组(见图2)，各组结构面产状如表1所示。

图1 结构面测线布置Fig.1 Measuring line layout of discontinuity

图2 优势结构面分组Fig.2 The group of advantage discontinuity□—1个极点；▽—2～3个极点；▷—4～5个极点；+—6～7个极点； ×—8～9个极点；◇—10～11个极点；○—12～13个极点表1 各组优势结构面产状

Table 1 Occurrence of each discontinuity (°)

根据图2，5组优势结构面中第Ⅰ组数量最为优势，但是其出露迹长较短、切割不深，主要影响台阶局部岩体的稳定；第Ⅲ组规模最大，但其与西帮坡面倾向相反，威胁不大。

3 分形理论

分形理论主要是研究一些具有自相似性的不规则曲线，自反演性的不规则图形，自平方性的分形变换和自仿射分形集等[6-7]。在实际运用中，应用最为广泛的是自相似分形(或称为线性分形)。分形理论定量描述分形集合特征和几何复杂程度的最基本参数是分形维数，也可简称为分形维、分维数。根据分形的定义，有以下表达式：

(1)

式中,N(r)为在尺度r下所得到的测量数；c为比例常数；r为测量特征尺度；Dd为分形维数。判断系统是否具有分形结构，就是看该系统是否具有式(1)所表述的特征。

岩体内部结构面分布是随机、不规则的，但却具有统计上的自相似性，可以运用分形理论进行分析。计算分形维数的方法也有多种，比如码尺法、修正的码尺法、盒计维数法等，在结构岩体的应用研究中，常用的是码尺法与盒计维数法。无论采用何种计算方法，对同一对象都可得到1组统计数N与测量特征尺度r的数据，绘制出其双对数图lnr-lnN，拟合得到其线性关系的斜率，斜率的绝对值即为分形维数[8-9]。

4 岩体质量评价

4.1 结构面网络模拟

结构面网络模拟的实现基于3种假设：①假设结构面形状为薄圆盘状，结构面的大小和位置可以用中心点坐标和结构面半径来反映；②假设结构面为平直薄板，也就是说每条结构面只有一个统一的产状；假设在整个模拟区内，每组结构面的分布均遵循一定的概率模型[10-12]。采用Origin 软件对每组优势结构面参数进行拟合，得到各参数的分布规律及其均值、标准差,见表2。

表2 结构面网络模拟参数Table 2 Parameters of discontinuity′s network simulation model

注：表中“负”指负指数分布。

运用Monte Carlo原理在模型区内共生成1 606个结构面三维实体，选择应用区尺寸为5 m×5 m×5 m，得到应用区模型见图3。

图3 结构面网络模型Fig.3 Network simulation model of discontinuity

4.2 矿区西帮岩体质量评价

分别沿平行和垂直于A、B、C测线走向方向切取6个剖面。采用分形理论中的盒计维数法计算生成结构面网络的分形维数。以与C测线走向平行方向剖面为例，C测线走向如图3所示，其剖面见图4。

取测量特征尺度分别为50、80、100、150、200、250 mm，计算与结构面迹线相交的盒子数N(r)，绘制双对数曲线如图5，拟合得到其斜率为1.64，即为该剖面分形维数。

图4 C测线走向方向剖面结构面网络Fig.4 Discontinuity section network of C measuring line

图5 C测线走向方向剖面结构面网络分形维数Fig.5 Fractal dimension of discontinuity section of C measuring line

采用同样的方法对其他剖面计算得到分维数，参照文献[8，13]的岩体质量评价标准，则西帮岩体质量评价结果如表3。

表3 岩体质量评价结果Table 3 Evaluation results of rock mass quality

由图4结构面网络可以看出，部分区域岩体被结构面切割严重，形成小规模的岩石块体，很可能崩塌、滑落。从上述对6个剖面分形维数的计算可得，矿区西帮岩体质量一般或差，加之风化、冻融作用强烈，需采取适当的防护措施或放缓坡角。

5 边坡稳定性数值模拟分析

为了计算开挖卸荷对整体及局部台阶边坡稳定性的影响，选取矿区节理发育、相对高差最大的西南帮边坡进行计算。利用ANSYS建立西南剖面边坡计算模型，然后导入FLAC3D进行计算。西南帮边坡地层包括第四系、凝灰岩、细碧岩、闪长岩。三期开挖台阶边坡坑底标高3 650 m，坡顶标高3 990 m，3 830 m以下安全平台宽4 m，清扫运输平台宽8 m，每隔2个安全平台设置1个清扫平台；3 830 m以上安全平台宽6 m，清扫运输平台宽12 m，每隔2个安全平台设置1个清扫平台，台阶高度为10 m，台阶坡面角为70°。模型如图6。

图6 西南剖面计算模型Fig.6 Calculation model of southwest section

当三期开挖台阶边坡开挖完成后，计算得到能直接反应边坡稳定性的水平位移等值线图及塑性区图如图7、图8所示。

从图7可以看出，西南剖面整体边坡处于稳定状态，但是局部台阶部位出现了较大的水平位移，越靠近坡角位移越大，最大位移达到231 mm，说明边坡台阶尤其是靠近坑底的台阶产生破坏的可能性很大。

图7 西南剖面开挖后X方向位移等值线(单位：m)Fig.7 Displacement contour of X direction of South-west section after excavation

图8 西南剖面开挖后塑性区Fig.8 The plastic zone at South-west section after excavation

在图8中，塑性区主要出现在各级台阶上，没有形成整体的贯通情况，说明整体边坡处于稳定状态，但是由于边坡的开挖卸荷较为严重地干扰了边坡岩体内的应力分布情况，导致边坡临空面表层岩体结构发生一定程度的破坏，其完整性也遭到某种程度的影响。考虑到矿区风化、冻融作用的强烈，边坡台阶岩体可能出现崩塌、滑移现象。

6 结 论

(1)在矿区节理最为发育的西帮布置了3条测线，在现场勘察的基础上，利用Dips共将所测结构面分为5个优势组，这5组优势结构面控制着该区域边坡的稳定。

(2)运用计算机网络模拟技术，对结构面统计区边坡进行网络模拟。分别沿平行和垂直于3条测线走向方向切取剖面，得到6个结构面网络图。计算得到西帮边坡岩体质量一般或差，岩体部分位置被结构面密集切割，形成可移动块体，可能崩塌或滑移。

(3)借助软件FLAC3D，对边坡稳定进行定量的分析，结果显示：边坡整体稳定，但是大部分边坡台阶产生塑性区且局部位移较大，可能会产生破坏。

(4)与其他工程边坡相比较，矿山露采边坡有其特殊性，其长度和坡高大，在施工开挖过程中形成的边坡处于工作状态中，服务年限不长将被挖除，对这种边坡不宜采取工程防治措施，宜调整边坡设计。

[1] 刘佑荣，唐辉明.岩体力学[M].北京：化学工业出版社，2009. Liu Yourong，Tang Huiming.Rock Mass Mechanics[M].Beijing：Chemical Industry Press，2009.

[2] 谷德振，岩体工程地质力学基础[M].北京:科学出版社，1983. Gu Dezhen.Engineering Geological Mechanics Foundation of Rock Mass[M].Beijing：Science Press，1983.

[3] 胡 斌,王新刚,刘智权，等.西藏邦铺露天矿岩体优势结构面与边坡稳定性分析[J].金属矿山,2011(4):12-15. Hu Bin，Wang Xin′gang，Liu Zhiquan，et al.Analysis on the preferred structure plane of rock mass and slope stability in infrastructure construction in Tibet Bangfu Open-pit Mine[J].Metal Mine，2011(4)：12-15.

[4] 王新刚,胡 斌,刘 强，等.松树南沟矿区节理岩质边坡开挖稳定性分析[J].金属矿山,2013(8):127-130. Wang Xin′gang，Hu Bin，Liu Qiang，et al.Stability analysis of jointed rock slope after excavation in Songshunan′s Mining Area[J].Metal Mine，2013(8):127-130.

[5] 刘 强，胡 斌，王新刚,等.青海松树南沟矿区台阶边坡破坏类型分析[J].中国矿业,2013,22(8):85-89. Liu Qiang，Hu Bin，Wang Xin′gang，et al.The failure types analysis of steps slope in Qinghai′s Songshunangou Open-pit Mine[J].China Mining Magzine,2013,22(8):85-89.

[6] Xie Heping.Fractals in Rock Mechanics[M].Rotterdam:Balkema，1992.

[7] 黄润秋，许 模，陈剑平，等.复杂岩体结构精细描述及其工程应用[M].北京：科学出版社，2004. Huang Runqiu，Xu Mo，Chen Jianping，et al，Fine Description of Complex Rock Mass Structure and Its Engineering Application[M].Beijing:Science Press，2004.

[8] 刘艳章，盛建龙，葛修润,等.基于岩体结构面分布分形维的岩体质量评价[J].岩土力学,2007,28(5):971-975. Liu Yanzhang，Sheng Jianlong，Ge Xiurun，et al.Evaluation of rock mass quality based on fractal dimension of rock mass discontinuity distribution[J].Rock and Soil Mechanics，2007,28(5)：971-975.

[9] 盛建龙,伍佑伦.基于分形几何理论的岩体结构面分布特征研究[J].金属矿山,2002(8):45-47. Sheng Jianlong，Wu Youlun.Study on the distribution characteristics of the structural planes in rock mass based on the fractal geometry theory[J].Metal Mine ,2002(8):45-47.

[10] 贾洪彪，唐辉明，刘佑荣，等.岩体结构面三维网络模拟理论与工程应用[M].北京：科学出版社，2008. Jia Hongbiao，Tang Huiming，Liu Yourong，et al.Three-dimensional Network Simulation Theory and Engineering Application of Rock Mass Structural Plane[M].Beijing:Science Press，2008.

[11] 贾洪彪,马淑芝,唐辉明，等.岩体结构面网络三维模拟的工程应用研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(7):976-979. Jia Hongbiao，Ma Shuzhi，Tang Huiming，et al.Study on engineering application of 3D modeling of rock discontinuity network[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2002,21(7):976-979.

[12] 汪 斌，唐辉明，简文星，等.结构面三维网络模拟在岩体质量评价中的应用[J].岩土力学,2006,27(4):594-596. Wang Bin，Tang Huiming，Jian Wenxing，et al.Application of 3D network modeling rock mass discontinuities toevaluating rock mass quality for dam foundation[J].Rock and Soil Mechanics，2006,27(4):594-596.

[13] 周福军，陈剑平，徐黎明，等.基于岩体不连续面三维分形维岩体质量评价研究[J].岩土力学,2012,33(8):2315-2322. Zhou Fujun，Chen Jianping，Xu Liming，et al.Study of rock masses quality evaluation based on 3D fractal dimension of rock discontinuity distribution[J].Rock and Soil Mechanics,2012,33(8):2315-2322.

(责任编辑 徐志宏)

Quality Evaluation of Rock Mass and Stability Analysis of Slope in Songshunangou Mining Area

Wang Wei1Hu Bin1Gan Lu2Ou Guangjin3

(1.FacultyofEngineering，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan430074，China；2.ChengduDesign&ResearchInstituteofBuildingMaterialsIndustryCo.,Ltd.,Chengdu610011，China；3.SichuanGoldenSummit(Group)Co.,Ltd.,Emeishan614224，China)

In order to evaluate the stability of slope rock mass after excavation and to guide construction safety，based on the discontinuity measurement and engineering survey，the characteristics of discontinuity distribution and rock mass′ structure in Songshunangou Mining Area were analyzed，thus obtaining the advantage discontinuity which controls the slope stability.Three-dimensional network simulation technology was used to make simulation on the advantage discontinuity above and establish the network model to represent the rock-mass′s structure.The network model was cut along each measuring line in parallel or perpendicular direction.It is found that rock-mass were cut seriously by the discontinuity，which provides favorable conditions for the formation of small-scale movable ore blocks.The fractal dimension of each section was calculated by the fractal geometry theory，finding that rock mass is in general or poor state.With the aid of the finite difference software FLAC3D，the stability of rock mass after excavation was calculated.The results showed that due to the excavation and unloading，larger displacement and plastic zone in some parts of slope were generated，possibly resulting in collapse and slippage.It fits with the quality assessment，so reasonably lowering the step slope angle is recommended.

Rock mass structure，Fractal theory，Network simulation，Quality evaluation of rock mass

2014-01-05

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(编号：2011CB710604)，国家自然科学基金面上项目(编号：41172281),中央高校基本科研业务费专项(编号：CUGL100413,CUG090104)。

王 伟(1988—)，男，硕士研究生。

TD8

A

1001-1250(2014)-05-045-05