矿山边坡破环模式分析

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1984.02.001 北京钢铁学院学报 1984年第2期 矿山边坡破坏模式分析 岩石力学教研室廖国华 摘 要 地质不连续面及开挖面对岩体的切割方式确定了开挖边坡的破坏模式，本文按此思路讨论了识 别破坏模式的简化判据和方法问题。重点地举出了四个不同的滑坡实例，分析了它们的破坏模式， 并初步探讨了它们的破坏机制问题。 露天采场采用较陡的边坡角能减少废石剥离量，从而显著改善开采的经济效果。金属 矿山的边坡大部分是由坚硬岩石构成的，看来有采用陡帮的可能性，然而矿山边坡滑坡的 实例常有所闻，这往往是由于坡体岩石中潜伏有产状不利的软弱地质结构面造成的。在这 种情况下，坡体愈高、坡角愈陡、边坡的稳定性愈差，边坡破坏的可能性愈大， 国内外岩坡破坏的实例说明：边坡滑体的破坏面几乎总是由地质不连续面构成的，顶 多只有很少一部分破坏穿过完整岩石，其原因在于天然地质不连续面的抗拉和抗剪强度比 完整岩石低一个甚至一个以上的数量级。从而，破坏总是沿地质不连续面发展的。因此， 破坏体几何形态及发生破坏时的运动方式，即破坏模式，取决于岩体中的地质不连续面和 人工开挖面的空间组合方式。 如果查明了坡体中的地质不连续面并给定了开挖面，根据它们的空间组合关系我们可 以识别出坡体中有可能破坏的、由地质不连续面和坡面切割而成的潜在破坏体，这是边坡 分析的第一步，第二步才是对潜在破坏体的稳定性进行计算分析，第三步是决策，包括选 定最优的坡角和对不稳定坡段采取对策等等。这三个步骤是有序地联系在一起的。 本文讨论的对象是滑坡模式问题，先讨论识别边坡破坏模式的方法，然后讨论四个实 例，它们分属于四种不同的破坏模式。 一、破坏模式的识别 岩石边坡的破坏模式有四种基本类型：即平面破坏、楔体破坏、圆弧破坏和倾倒破坏 〔1〕。发生前两类破坏时，破坏体的运动表现为平移运动、后两类则表现为旋转运动。 一个边坡的破坏可能采取某种单一的模式，也可能分为几个破坏段，各段有各自的破坏模 式。这些特征是由坡体岩石中的地质不连续面的产状和分布特征确定的

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 第 期 矿山边坡破坏模式分析 岩石力学教研 室 廖国华 摘 要 地质不连续面及开挖面 对岩体的 切割方式确定 了开挖边坡的破坏模 式 ， 本文按此思 路讨论 了识 别 破坏模式 的 简化判据和方法问 题 。 重点地 举 出了四 个不 同 的滑坡实例 ， 分析了它们的破坏模式 ， 并初步探讨了它们的破坏 机制 问题 。 ，口‘匕 露 天 采场采用较陡的边坡 角能减少废石 剥离量 ， 从而显 著改善开采的经济效果 。 金属 矿 山的边坡大部分是 由坚硬岩石构成 的 ， 看来有采用陡帮的可能性 ， 然而矿 山边坡滑坡的 实例常有所 闻 ， 这往往是 由于坡体岩石 中潜伏有产状不 利 的软弱地质结构面造成 的 。 在这 种情况下 ， 坡体愈高 、 坡 角愈陡 、 边坡 的稳定性愈差 ， 边坡破坏的可能性愈大 ， 国内外岩坡破坏的实例说 明 边坡 滑体的破坏面几乎总是 由地质不 连 续面构成的 ， 顶 多只 有很少一 部分破坏穿过完整岩石 ， 其原 因在 于天 然地质不 连续面 的抗 拉和抗剪强度 比 完整岩石低一个甚 至一个 以上 的数量级 。 从而 ， 破坏总是沿地质不连续面发展 的 。 因此 ， 破坏体几何形态及 发生破坏时的运 动方式 ， 即破坏模式 ， 取决于岩体 中的地质不连续面和 人工开挖面 的空 间组合方式 。 如果查 明了坡体中的地质不 连续面并给定了开挖面 ， 根据 它们 的空 间组合关系我们可 以识别出坡体 中有可能破坏 的 、 由地质不连 续面 和坡 面 切割而成 的潜在破坏体 ， 这是边坡 分析的第一 步 ， 第二步才是对潜在破坏体 的稳定性进行计算分析 ， 第三 步是决策 ， 包括选 定最优 的坡 角和对不稳定坡段采取对策等等 。 这三个步骤是 有序地联系在一起的 。 本文讨论 的对象是滑坡模式 问题 ， 先讨论 识别边坡破坏模式的方法 ， 然后讨论 四个实 例 ， 它们分属于 四种不 同的破坏模式 。 叮口 一 、 破坏模式的识 别 岩石 边坡 的破 坏模式有四 种基本类型 即平面破坏 、 楔体破坏 、 圆弧破坏和倾倒破坏 〔 〕 。 发生前两类 破坏时 ， 破 坏体 的运动表现 为平移运动 、 后两类 则表现 为旋转 运 动 。 一 个 边坡 的破 坏可能 采取某种单一 的模式， 也可能分为几个破 坏段 ， 各段 有各 自的破坏棋 式 。 这些特征是 由坡体岩石 中的地质不 连续面 的产 状 和分 布特征确定的 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1984．02．001

根据坡体中的地质不连续面和开挖坡面及坡顶面之间的空间组合关系来确定边坡可能 采取的破坏模式是模式分析中的基本方法，石根华曾建立了一套严格的理论，用于识别平 移型的破怀十分完美有效，这种完善的、稍为复杂的方法可从〔2〕、〔3〕中得到了解。 另有一种半经验的几何方法可用以识别破坏模式，这种方法能够概括所有四种破坏类 型，程序简单、使用灵活，是一种有效的初等方法，本文对后者适当加以说明。 平面破坏。如果不连续面走向与坡面走向平行，倾向一致，而倾角小于坡面倾角，则 此不连续面就能在坡面上临空并构成破坏面。沿此不连续面发生破坏称为平面破坏。 设坡面为F、不连续面为P,则不连续面在坡面上临空的条件是 0<中，<： 这里中表倾角。事实上，某些沉积岩矿床的开采常常是顺层进行的，这时下盘中的沉积结 构面往往与坡面倾角相同而无临空条件，但若岩体具有薄层结构，则在坡脚被破坏的条件 下仍能发生平面滑坡。此外，在水力作用下的所谓“块体破坏”，破坏面可以是水平的， 这类破坏可归入平面破坏模式之列，考虑到上述两方面的事实，条件可改写为： 0<,≤中r 经验说明，不连续面的倾向方位与坡面的倾向方位相差士20°仍有发生平面破坏的可 能，综合前述条件和本条件，就可建立平面滑坡模式的图解判据如下。 任何一种赤平投影方法都可用来表示这种图解，本文采用下半球Lambert(等面)投 影系统。在这种系统中，我们用大圆及极点投影f及表示坡面产状，显然，在此图中只要 不连续面P的倾斜线g,落入图1中G,区域上时，则坡体有沿p作平面破坏的可能，但通常P面 是用它的极点表示的，而n,与g,之间 的角距为90°。据此我们可作出与G,区 域对应的N区域，只要n落入N,上，则 坡体有沿P作平面破环的可能。 N,的简化作图法是：先作f、,在 f上以g:为始点用纬线网量士20°角距得 g2及g12点，以O为圆心，O为半径作 弧，与g20及g12O的延长线交于a、b两 点，区域Oab即为所求域N,的近似。 坡藏 楔体破坏。对于节理岩体而言，更 g:3gI 常见的破坏体是由两个不连续面及坡面 1 和坡顶面构成的四面楔形体，破坏常表 GP 现为沿二不连续面的交线发生滑动，称 为（三维）楔体破坏。记二地质不连续 20-20° 面交线的赤平投影为i,若落入图2中区 图1 域I内时，则需考虑边坡体沿此二面发 生楔体破坏的可能性。这是因由I区内的点的倾角小于而能在上临空，但又大于摩擦角 中而能在自重下滑动。这里只考虑摩擦是因为假定水力的负作用与楔体夹持效应大体相互 抵消〔1)。这一判别法称为Markland法， 2

口砚月， 根据坡体中的地质不 连续面和开挖坡面及坡顶面之 间的空 间组合关系来确定边 坡可能 采取的破坏模式是模式分析中的基本方 法 ， 石根华 曾建立 了一套严格的理论 ， 用于识别平 移型的破坏十分完美有效 ， 这种完善的 、 稍为复杂的方法可 从 〔 〕 、 〔 〕 中得到 了解 。 另有一种半经验的几何方法可用 以识别破 坏模式 ， 这种方法能够概括所有 四种破坏类 型 ， 程序简单 、 使用灵活 ， 是一种有效 的初等方法 ， 本文对后者适当加 以说明 。 平面破坏 。 如果不连续面走 向与坡面走 向平行 ， 倾向一致 ， 而 倾角小于坡面倾角 ， 则 此不 连续面就能在坡面上临空并构成破坏 面 。 沿此不 连续面发 生破坏称为平面破坏 。 设坡面为 、 不连续面为 ， 则不 连续面在坡面上临空 的条件是 冲 ， 冲 这里币表倾角 。 事实上 ， 某些沉积岩矿床的开采 常常是顺层进行 的 ， 这时下盘 中的 沉 积结 构面往往与坡面倾角相同而无临空条件 ， 但若岩体具有薄层 结构 ， 则在坡脚被破坏 的条件 下仍能发生平面滑坡 。 此外 ， 在水力作用下 的所谓 “ 块体破坏” ， 破坏 面可 以是水平 的 ， 这类破坏可归入平面破坏模式之列 ， 考虑到上述两方面的事实 ， 条件可改写 为 冲 ， 加 经验说明 ， 不 连续面的倾向方位与坡面的倾向方位相差 士 。 仍 有发生平面破 坏 的 可 能 ， 综合前述条件和本条件 ， 就可建立平面滑坡模式的图解判据如下 。 任何一种赤平投影方法都可用来表示 这种 图解 ， 本文采用下半球 等面 投 影系统 。 在这种系统中 ， 我们用大圆及极点投影 及 ，表示坡面产状 ， 显然 ， 在此 图中只要 不连续面 的倾斜线 ，落入 图 中吼 区域上时 ， 则坡体有沿 作平面破坏 的可能 ， 但通常 面 刊 是用它 的极点 。 表示的 ， 而 ，与 ， 之 间 的角距 为 “ 。 据此我们可作 出 与 ， 区 域对应 的 区域 ， 只要 ，落入 ，上 ， 则 坡体有沿 作平面破坏的可能 。 ， 的简化作图法是 先作 、 ， 在 上 以 ，为始点用纬线网量 士 “ 角 距 得 及 点 ， 以 为圆心 ， 为半径作 弧 ， 与 及 的延长线交于 、 两 点 ， 区域 即为所求域 ，的近 似 。 楔体破坏 。 对于节理岩体而言 ， 更 常见 的破坏体是 由两个不连续 面及坡 面 和 坡顶 面构成 的四 面楔形体 ， 破坏 常表 现 为沿二 不 连续面的交线发生滑 动 ， 称 为 三维 楔体破坏 。 记二地质不连续 面交线的赤平投影为 ， 若 落入图 中区 域 内时 ， 则需考虑边坡体沿 此 二 面发 生棋体破坏的可能性 。 这是 因由 区内的点的倾 角小于伞 ‘而能在 上临空 ， 但又大于 摩擦 角 小而能在 自重下 滑动 。 这里只考虑摩擦是 因为假定水力的负作用与楔体夹持效 应大体相互 抵消 〔 〕 。 这一判别法称为 法

倾倒破坏。如果岩体具有层状或柱 状结构，倾角陡且倾向与坡面倾向相反， 就有可能发生倾倒破坏。〔4)认为可按发 生倾倒时岩层间的剪力大于其间的摩擦 力来规定倾倒条件，并可假定坡体中传 递的最大正应力σ是平行坡面方向作用 平 的。按此要求和假定，由图3a可见，克服 摩擦力而发生层面剪切倾倒的条件是： 坡而 中虹->中 此处中为层间摩擦角，而中，为层面P的 法线倾角，将上式移项，得P面法线倾 角应满足： 中N,<:-中。 此外，经验说明，层面走向与坡面走向 图2 夹角在±30°范围内变化时，倾倒能够 发生，上述两个条件共同确定了 图3b中的区域Nr。若岩体具有 层状结构且其极点位于N之内 时，则这些岩层有发生倾倒的可 (a) 能性。 面 圆孤破坏。如果岩体中不连 续面素乱分布而无优势取向如图 4所示，这时岩体成为一种宏观的 伪各向同性体。岩体受几组密集 节理的切割、强风化岩、压碎岩 带及废石推等等就接近这种情 况，这时，与均质土坡相似，破 坏面可能接近圆弧，滑体作旋转 运动。 (b)j 综上所述，对于一个产状给 面 定的边坡，我们可以很快地作出 如图5所示的三个判断区（如无 实际资料，可初步假定中=30°)。 只要将此图与此坡所在地段的不 连续面等值线图叠放在一起，我 们立即可以初步地确定给定边坡 3 在给定坡段可能具有的破坏模 图 3

口砚月， 根据坡体中的地质不 连续面和开挖坡面及坡顶面之 间的空 间组合关系来确定边 坡可能 采取的破坏模式是模式分析中的基本方 法 ， 石根华 曾建立 了一套严格的理论 ， 用于识别平 移型的破坏十分完美有效 ， 这种完善的 、 稍为复杂的方法可 从 〔 〕 、 〔 〕 中得到 了解 。 另有一种半经验的几何方法可用 以识别破 坏模式 ， 这种方法能够概括所有 四种破坏类 型 ， 程序简单 、 使用灵活 ， 是一种有效 的初等方法 ， 本文对后者适当加 以说明 。 平面破坏 。 如果不连续面走 向与坡面走 向平行 ， 倾向一致 ， 而 倾角小于坡面倾角 ， 则 此不 连续面就能在坡面上临空并构成破坏 面 。 沿此不 连续面发 生破坏称为平面破坏 。 设坡面为 、 不连续面为 ， 则不 连续面在坡面上临空 的条件是 冲 ， 冲 这里币表倾角 。 事实上 ， 某些沉积岩矿床的开采 常常是顺层进行 的 ， 这时下盘 中的 沉 积结 构面往往与坡面倾角相同而无临空条件 ， 但若岩体具有薄层 结构 ， 则在坡脚被破坏 的条件 下仍能发生平面滑坡 。 此外 ， 在水力作用下 的所谓 “ 块体破坏” ， 破坏 面可 以是水平 的 ， 这类破坏可归入平面破坏模式之列 ， 考虑到上述两方面的事实 ， 条件可改写 为 冲 ， 加 经验说明 ， 不 连续面的倾向方位与坡面的倾向方位相差 士 。 仍 有发生平面破 坏 的 可 能 ， 综合前述条件和本条件 ， 就可建立平面滑坡模式的图解判据如下 。 任何一种赤平投影方法都可用来表示 这种 图解 ， 本文采用下半球 等面 投 影系统 。 在这种系统中 ， 我们用大圆及极点投影 及 ，表示坡面产状 ， 显然 ， 在此 图中只要 不连续面 的倾斜线 ，落入 图 中吼 区域上时 ， 则坡体有沿 作平面破坏 的可能 ， 但通常 面 刊 是用它 的极点 。 表示的 ， 而 ，与 ， 之 间 的角距 为 “ 。 据此我们可作 出 与 ， 区 域对应 的 区域 ， 只要 ，落入 ，上 ， 则 坡体有沿 作平面破坏的可能 。 ， 的简化作图法是 先作 、 ， 在 上 以 ，为始点用纬线网量 士 “ 角 距 得 及 点 ， 以 为圆心 ， 为半径作 弧 ， 与 及 的延长线交于 、 两 点 ， 区域 即为所求域 ，的近 似 。 楔体破坏 。 对于节理岩体而言 ， 更 常见 的破坏体是 由两个不连续 面及坡 面 和 坡顶 面构成 的四 面楔形体 ， 破坏 常表 现 为沿二 不 连续面的交线发生滑 动 ， 称 为 三维 楔体破坏 。 记二地质不连续 面交线的赤平投影为 ， 若 落入图 中区 域 内时 ， 则需考虑边坡体沿 此 二 面发 生棋体破坏的可能性 。 这是 因由 区内的点的倾 角小于伞 ‘而能在 上临空 ， 但又大于 摩擦 角 小而能在 自重下 滑动 。 这里只考虑摩擦是 因为假定水力的负作用与楔体夹持效 应大体相互 抵消 〔 〕 。 这一判别法称为 法

坡面f NT 图4 图5 式，构成这一破坏的地质不连续面也能同时识别出来。 对于生产矿山，遇到的问题常常是已经开始运动了的坡体，为了对其将来的行为进行 预测、识别滑体及破坏模式仍然是进一步分析和采取适当处理措施的基础。上述以岩体结 构和开挖面几何方位相互关系分析为基础的方法仍然有重要参考意义，但更重要的在于对 坡体的实际运动加以观测。对坡面及坡顶面的点绝对位移矢进行几何测量是这一观测最为 简便易行而且十分有效的方法，根据测量结果可以圈定破坏区的范围，根据位移矢的空间 分布规律可以区别平移及旋转两类破坏，而结合上述结构分析和边坡巡视肉眼观测还能从 中进一步区分平移中的平面和楔体滑坡及旋转中的倾倒和弧形滑坡。 准确确定实际破坏面比较困难，因为这通常要求施工钻孔和进行钻孔观测，因此分布 的实际资料较少，正因为如此，许多破坏体的准确几何特征无法彻底查明，这种情况将来 也许会有改善的。 二、石灰岩采石场的顺层滑坡 1981年6月10日，某灰岩露天矿西段采场发生了一起顺段滑坡〔5一6)，滑体走向宽 350米，倾斜长约580米，滑塌量1100万吨左右。滑塌岩石顺坡前冲200余米，复盖了下部 的四个作业水平，使生产一度中断（图6）。 滑塌前在滑体坡脚进行了一次峒室爆破，设计爆破岩量50万吨，装药量120吨，峒室 布置在1434及1401两个水平上（见图6a),两段起爆，一段30吨，一段90吨，爆破后5小 时发生滑坡。由于人员已经撒离，幸而没有造成伤亡事故。 采场是顺坡布置的，岩层产状与山坡大致平行，以单斜的形式产出，产状稳定，地层 剖面如图7所示，自下而上为：震旦系白云岩(Zbd),质地硬脆、地貌上多由它构成高 4

式 ， 构成这一破坏的地质不 连续面也能 同时识别出来 。 对于生产矿 山 ， 遇到的问题常常是 已经开始运动了的坡体 ， 为了对其将来的行为进行 预测 、 识别滑体及破坏模式仍然是进 一 步分析和采取适当处理措施 的基础 。 上述 以岩体结 构和开挖面几何方位相互关系分析为基础 的方法仍然有重要参考意 义 ， 但更重要 的在于对 坡体的实际运动加 以观测 。 对坡 面及坡顶面 的点绝对位移矢进行几何测量是这一观测最为 简便易行而且十分 有效 的方法 ， 根据测 量结果可 以 圈定破坏区的范围 ， 根据位移矢 的空 间 分布规律可 以区别平移及旋转两类破坏 ， 而结合上述结构分析和边坡巡视 肉眼观测还能从 中进一步区分平移 中的平 面和楔体滑坡及旋转 中的倾倒和弧形滑坡 。 准确确定实际破坏面 比较困难 ， 因为这通 常要 求施工钻孔和进行钻孔观测 ， 因此分布 的实际资料较少 ， 正 因为如此 ， 许多破坏体 的准确几何特征无法彻底查 明 ， 这种情况 将来 也许会有改善的 。 二 、 石灰岩采石 场的顺层滑坡 年 月 日 ， 某灰岩露天矿西段采场发生 了一 起顺段滑坡 〔 一 〕 ， 滑体 走 向宽 米 ， 倾斜长约 米 ， 滑塌量 万 吨左右 。 滑塌岩石顺坡前冲 余米 ， 复盖 了 下 部 的四个作业水平 ， 使生产一度 中断 图 。 滑塌 前在滑体坡脚进行 了一 次桐室爆破 ， 设计爆破岩量 万 吨 ， 装 药量 吨 ， 桐 室 布置在 及 两个水平上 见 图 ， 两段起爆 ， 一段 吨 ， 一段 吨 ， 爆破后 小 时发生滑坡 。 由于人 员 已经撤离 ， 幸而没有造成伤亡 事故 。 采场是顺坡布置的 ， 岩层产状与 山坡大致平行 ， 以单斜的形式产 出 ， 产状稳定 ， 地层 剖面如图 所示 ， 自下而上为 震 旦 系自云岩 “ ， 质地硬 脆 、 地貌上多 由它构成 高 一 … 」

山和陡崖，二迭系梁山煤组(P1L)及阳新组(P1y),是构成边坡的直接岩层。梁山煤 组下段为粘土岩，结构松软遇水崩解，厚1.5至2米，属于软弱段，上段为粉砂岩，最厚6 地质平面图 1630 1610 1590 CK94 400公平 破环边界 1398 37水 1363水 图6()（马鞍山矿山研究院原图复制） 米。阳新组可分为四个分层：最下为P1y',厚5一8米，为钙质页岩夹薄层泥质灰岩，页 理发育质地软弱，上为P1y2±3，厚22一34米，为可采矿层，力学性能较好，再上为P1y·, 与P1yt3是渐变关系，厚度变化大(0一28米)，最上为P1y5,为主灰岩矿层，厚度大于 110米。致密块状、质硬性脆，由此可见，坡体地层结构是上下硬而中间软弱的夹糟并式 结构，矿区以前的几次小滑坡，滑面是在P1y'或P1L中。 本区发育着一些北北东向的断层和岩脉，它们通常西倾，领角陡急，其具体位置已示 于图6a中，主要的节理倾向北东，倾角50°左右，层理倾南，倾角35°左右，图8示出了所 有这些地质不连续面的极点赤平投影。 本次滑坡显然地属于顺层滑坡，滑体西侧的介面是由断层Fg构成的，东侧由风化的 解绿岩脉βμ构成释放面（见图6a)。 滑坡后在1400水平上滑塌岩体上施工了三个钻孔，说明1400水平下的P1y2±3仍维持 5

山和陡崖， 二迭系梁 山煤组 及 阳新组 ， 是构成 边坡的直接岩层 。 梁 山 煤 组 下段为粘土岩 ， 结构松软遇水崩解 ， 厚 至 米 ， 属 于软弱段 ， 上段为粉砂 岩 ， 最厚 一 夔 一 ’ 瞥图 马鞍山矿山研究院原图复制 米 。 阳新组可分为 四个分 层 最下 为 ‘ ， 厚 一 米 ， 为钙质页岩夹薄层泥 质 灰 岩 ， 页 理发育 质地软弱 ， 上为 ， 土“ ， 厚 一 米 ， 为可采矿层 ， 力学性能较好 ， 再上为 砚， 与 吕才 呈 渐变关系 ， 厚度变化大 一 米 ， 最上为 ， ’ ， 为主 灰岩矿层 ， 厚度大 于 米 。 致密块状 、 质硬性 脆 ， 由此可 见 ， 坡体地层结构是上下 硬而 中间 软 弱 的夹精并式 结构 ， 矿 区 以前 的几 次小滑坡 ， 滑面 是在 ’ 或 中 。 本区发育着一 些北北东向的断层 和岩脉 ， 它们通 常西倾 ， 倾 角陡急 ， 其具体位置 已示 于 图 中 ， 主要的节理倾 向北 东 ， 倾 角 。 左右 ， 层理倾南 ， 倾 角 。 左右 ， 图 示 出 了 所 有这些地质不 连续面 的极 点赤平投影 。 本次滑坡显然地属于 顺层 滑坡 ， 滑体西侧的介 面是 由断层 。 构成 的 ， 东侧由 风 化 的 解绿岩脉 林构成释放面 见 图 。 滑坡后在 水平上滑塌岩体上施工 了三个钻孔 ， 说 明 水平下 的 士 仍 维 掩 一一一一 一一 ‘ 曰 口