浙东南火山岩矿山边坡整体变形破坏机制及稳定性研究

郑东华，刘 吉，胡 斌

（1.浙江省第十一地质大队，浙江 温州 325006；2.四川省水利工程建设质量与安全中心站，四川 成都 610017）

我国东南沿海地区经济发达，工业、交通等基础设施建设对建筑石料的需求量十分巨大，今后数年，以火山岩为主的建筑石料露天矿山边坡数量十分庞大。不同于公路、铁路及市政等进行支护的永久性边坡[1-3]，矿山边坡普遍为不进行支护的临时性边坡[4]，崩塌、滑坡等地质灾害发生概率更大[5-6]，边坡稳定性及其管理问题将越来越突出，制约着矿产资源的安全、高效开发。

近年来，针对露天非金属矿山边坡变形破坏模式和稳定性评价的研究较多[7-13]。以上研究均是从宏观上总结矿山边坡的变形破坏模式，并未区分变形破坏规模，对边坡局部破坏和整体破坏特点及其处置方式的差异性缺乏深入研究，没有按照矿山边坡尺度规模特征进行稳定性评价。为此，以浙江温州市某海岛火山岩露天矿山边坡为研究对象，在全面调查矿山边坡岩体结构特征和变形破坏特征基础上，结合监测成果和三维数值模拟结果，详细分析了边坡变形破坏机制与发展趋势，总结了此类边坡整体变形破坏与稳定性规律，为东南沿海地区火山岩露天矿山地质灾害评估、终了边坡设计与治理提供借鉴。

1 边坡概况

1.1 地质条件

边坡区主要出露强～中风化燕山晚期钾长花岗岩（ξγ53），呈浅肉色－浅肉红色，细粒花岗结构和显微文象结构，块状构造，岩石平均抗压强度143.0 MPa。区内未见断层、夹层和脉岩，发育北东东、北东、北西、近南北向四组节理。区内地下水类型主要为基岩裂隙水，透水性差，水量贫乏。

边坡区域发育的4 组裂隙参数如下：

1）裂隙Ⅰ。产状320°～350°∠51°～88°，间距0.1～0.6 m，延伸长度5.0 m～10.0 m。

2）裂隙Ⅱ。产状40°～60°∠61°～79°，间距0.2～1.0 m，延伸长度10.0 m。

3）裂隙Ⅲ。产状110°～135°∠50°～73°，间距0.2～0.8 m，延伸长度5.0～10.0 m。

4）裂隙Ⅳ。产状250°～280°∠62°～84°，间距0.25～0.5 m，延伸长度3.5 m～10.0 m。

1.2 边坡形态和变形破坏特征

最终边坡总体倾向333°，台阶坡面倾角60°，最终边坡角40°～50°，平台宽度4.0～6.0 m，台阶高度为15.0 m，当前坡底高程为＋70.0 m，坡顶最大高程为＋150.0 m。

边坡在2021 年至2022 年已发生过多次坍塌与滑坡，以2022 年7 月＋85.0 m 水平平台以上的滑坡变形范围最大。滑坡平面总体形态呈扇形。后缘宽20.0～30.0 m，前缘宽85.0～90.0 m，纵向水平长度55.0～60.0 m，后缘高程＋140.0～＋144.0 m，前缘剪出口高程＋82.0～＋85.0 m，西侧界限较为明显，与边坡近垂直，裂缝方向与裂隙Ⅱ走向基本一致。初步估算滑体厚度5.0～17.0 m，体积9.5×104m3。

滑坡后缘以张拉裂缝为主，裂缝最大张开宽度0.8～1.0 m，可见深度超过2.0 m，后缘裂缝与西侧缘裂缝近垂直相交，裂缝方向与裂隙Ⅰ走向基本一致。在145.0 m 高程附近，后缘裂缝呈“之”字型向东发展，并从张拉变形为主演变为以下错剪切变形为主，最大下错量达到1.7 m，后缘东侧缘滑壁可见明显斜向擦痕，滑壁面产状295°∠50°。

2 边坡变形监测

在滑坡体＋115.0 m 高程以上坡面布置7 个地表变形监测点，其中J1、J2位于滑坡后缘原始边坡，J3～J7位于滑坡体。取2022 年7 月22 日至8 月16 日的监测数据（监测期间未降雨）进行边坡变形特征分析。监测点水平位移速率随时间变化特征如图1，监测点沉降速率随时间变化特征如图2，监测点变形方向随时间变化特征如图3。

图1 监测点水平位移速率—时间变化曲线

图2 监测点沉降速率—时间变化曲线

图3 监测点变形方向—时间变化曲线

1）水平变形特征。由图1 可知：J1、J2监测点开始阶段位移变化较大，说明后缘边坡在滑坡滑动后出现临空，坡体应力开始调整，随着时间推移，应力调整完成，后缘边坡变形趋于稳定，变形速率趋于0；J3～J7监测点位于滑坡体上，x 方向上变形速率较大，大部分超过5.0 mm/d，随后逐渐降至3.0～5.0 mm/d；y 方向开始阶段变形速率达到15.0 mm/d，并逐渐降至5.0 mm/d 以下，之后基本稳定在2.0～3.0 mm/d。

2）沉降变形特征。由图2 可知：J1、J2监测点开始阶段沉降变化较大，随着时间推移，沉降变形逐渐趋于零；J3～J7监测点在前期呈加速趋势，至7 月29 日变形速率最大，可达15.0～20.0 mm/d，之后变形速率逐步降至5.0 mm/d 以内。

3）变形方向特征。由图3 可知：J1、J2监测点处于稳定后缘边坡上，水平位移和垂直位移变形方向规律性不强；J3～J7监测点水平位移变形方向都趋于一致，方向角平均值为342°，垂直位移变形方向也都趋于稳定，变形倾角在38°～52°，平均值为45°。

3 数值模拟

为进一步验证开挖边坡变形破坏模式，利用离散元程序（3DEC）建立边坡三维数值模型对边坡变形情况进行模拟。

3.1 模型和参数

模拟范围为变形破坏边界外25.0～30.0 m，平面130.0 m×160.0 m，底高程＋60.0 m，最大高程＋150.0 m。实际边坡形态复杂，为便于计算，将边坡简化为强～中风化岩体，岩体受4 组裂隙切割。计算模型采用摩尔—库伦弹塑性模型[14]。同时，在边坡表面沿主变形方向设置1 条监测断面，从坡顶向坡脚等间隔布置6 个位移监测点。

根据前期勘察成果和现场调查数据，结合地区经验，边坡岩体与结构面力学参数如下：

1）强～弱风化花岗岩。具体参数为：弹性模量10.8 GPa；泊松比0.32；密度2 550 kg/m3；黏聚力150 kPa；内摩擦角32°。

2）结构面。具体参数为：切向刚度0.75 MPa/mm；法向刚度1.7 MPa/mm；黏聚力26 kPa；内摩擦角28°。

3.2 模拟结果

根据模拟过程分析，2 000 计算时步后最大不平衡力趋于稳定，5 000 计算时步后位移趋于稳定，因此，变形云图分析取2 000 计算时步数据，变形监测点取5 000 计算时步数据。边坡水平x、y 方向与垂直z 方向位移场分布情况如图4，边坡监测点变形水平方向角（与N 方向夹角）及位移倾角随计算时步变化曲线如图5。

图4 边坡位移云图

图5 监测点变形方向—计算时步变化曲线

1）位移场分布规律。从各云图变形量来看：开挖边坡中上部变形量相对较大，模拟区东侧凸出部位（也即主滑体部分）变形量最大，且受坡面大角度相交的裂隙Ⅱ切割控制，裂隙两侧岩体变形不一致，出现顺坡向的位移差，表现为云图呈错断状的不连续，这与实际边坡东侧垂直坡面存在明显的滑坡侧缘情况相符。从各云图变形位置来看：边坡下部的水平方向变形量较边坡上部大，而垂直方向的变形量则刚好相反。

2）变形方向规律。从曲线图5（a）可以看出，除2＃监测点外，边坡其余监测点总体变形方向为333°～350°，平均值343°。从曲线图5（b）可以看出:1＃、2＃监测点位于边坡上部，变形以垂直方向为主，倾角较大，而边坡中下部以水平变形为主，3＃～6＃监测点变形倾角最终趋于43°。

4 变形破坏机制

大量研究表明[15-19]，岩土体强度、节理裂隙发育特征是边坡变形的内因，人工开挖是导致边坡变形的外因，也是边坡破坏的最直接原因。通过对研究区边坡岩土体物理力学性质、节理裂隙发育情况和地表变形监测成果的深入分析，结合数值模拟结果，认为露天矿山边坡的整体变形破坏受区域主要结构面产出状态控制，边坡凸出部位临空面较多，是边坡稳定性的薄弱点。

从边坡变形情况分析，研究区发育的4 组裂隙将矿山岩体切割成大小不一的松散岩块，裂隙面与边坡开挖面的不利组合（组合面或者组合线外倾坡面）使得岩块在自重力的作用下发生向坡外的变形，裂隙Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ的组合均指向坡外，方向320°～360°/0°～20°，交线倾角20°～50°，水平与垂直变形方向与不利结构面或其组合基本一致，成为边坡变形的控制性结构面。

边坡平面线形对整体稳定性也有不可忽略的影响。边坡线形变化愈大，则与结构面的组合关系愈多，产生不利结构面的机会相应增大。研究区东侧部分明显凸出于整体坡面，呈圆弧状，边坡临空面显著增加，因此成为滑坡变形的主体，数值模拟也显示该部分位移量最大。

5 结语

1）现场调查显示，研究区边坡受＋85 m 高程以下未完全开挖较完整新鲜岩体限制，变形破坏仅仅发生在该高程以上。地表变形监测结果表明，随时间推移，边坡变形速率逐渐减缓，各个监测点水平变形方向与垂直变形倾角都将趋于一致，且与边坡岩体中主要结构面的产状有密切关系。

2）离散元法充分考虑节理岩体的不连续性，对多裂隙岩体是较理想的数值计算方法，分析火山岩露天矿山边坡整体变形特征与稳定性方面优势明显。数值模拟结果表明，研究区边坡受坡底完整岩体阻挡，变形从坡顶的垂直变形为主，逐渐向坡底过度为水平变形为主，变形方向与实际监测结果吻合。

3）节理裂隙发育的露天矿山边坡整体稳定性受区域主要结构面产出状态控制，边坡变形破坏通常以切割边坡的多组裂隙面为边界。其中，与坡面大角度相交的裂隙多演化为变形侧边界，与坡面小角度相交、倾向坡外的裂隙面或其组合则演化为变形底边界。

4）边坡凸出部位临空面较多，是边坡稳定性的薄弱点。在矿山边坡设计中应尽量减少边坡平面线形的变化，降低不利结构面形成的概率，从而增强边坡整体稳定性。