岩质高陡边坡结构特征及变形特征分析.pdf

岩质高陡边坡结构特征及变形特征分析 3 田景富 1 ,刘 宏 1 ,金仁祥 2 1. 贵州大学 喀斯特环境与地质灾害防治教育部重点实验室, 贵州 贵阳 550003; 2.浙江大学 建筑工程学院, 浙江 杭州 310027 摘 要营盘山高陡边坡最大坡高110 m,沿坡面走向宽400 m,是典型的缓倾内层状岩质高边坡。利用离散单元方法 DEM ,模拟分析了该岩质边坡采石切坡前及采石切坡后 的变形破坏及其演变过程。 关键词高陡边坡;离散单元法;数值模拟 中图分类号 TD854. 6 文献标识码A 文章编号 1005 - 27632007 04 - 0032 - 03 Analysis on the Structure Characteristics and Deation Behavior of a High and Steep Rock Slope Tian Jingfu1, Liu Hong1, Jin Renxiang2 1. KeyLaboratory of Karst Environment and Geological Hazard Prevention, Ministry of Education, Guizhou University, Guizhou, Guiyang 550003, China; 2. School ofArchitecture and Civil Engineering, ZhejiangUniversity, Hangzhou, Zhejiang 310027, China Abstract Yingpangshang high and steep slope with the maxi2 mum height of 110m and the slope face width of 400m is one typical low - angle stratofabric rock slope.The deation fail2 ure and evolution of the rock slope before and after the excava2 tion was simulated by discrete element DEM. KeyW ords High and steep slope, Discrete element , Numerical simulation 1 高陡边坡地质概况 1. 1 地形地貌 营盘山高陡边坡位于岷江北岸,最大坡高110 m,沿坡面走向宽约400 m。沿剖面方向可分为3段 见图1 ,上部为天然陡崖,高40～65 m,坡度为 60 ～70,局部为凹岩腔;陡崖坡脚为斜坡地带,宽 40～100 m,坡度25 ～35;斜坡前缘下方为近于直 立的人工采石陡壁,高10～15 m。 1. 2岩土体物理力学特征 营盘山陡崖边坡砂岩样测试结果见表1。砂岩 和碎块石土力学性质较好,抗剪强度较高。 表1 岩土体物理力学参数 岩石 名称 风化 程度 天然 密度 g/cm3 单轴抗 压强度 MPa 内聚力 C MPa 内摩擦 角φ 砂岩 微风化2. 45～2. 53 87. 1～95. 56. 048 碎块石-1. 74-0. 027～0. 032 23. 9～26. 8 图1 营盘山高陡边坡B3 - B3地质剖面略图 2 高陡边坡结构特征 2. 1 天然陡崖与采石陡壁岩体结构特征 该高陡边坡的岩层面产状较稳定 304 ∠22 ; 可见3组节理,第1组较发育,产状190 ∠71,节理 间距1. 8～2. 4 m,以陡倾角切穿层面,地表可见迹 长大于5～15 m,由于该组节理较发育,易于形成阶 梯状坡面;第2组和第3组不发育,受岩层面控制, 产状分别为152 ∠53 和94 ∠72,可见迹长一般 小于1～2 m,间距约10 m。RQD取值范围为80 ～89. 0 ,岩体完整性系数在0. 75以上。 此外,高陡边坡层面间常有夹层分布,但其结构 类型属于岩块岩屑型硬性结构面,物质组分由碎块 岩屑为主,仅含少量泥质物,边坡整体干燥,仅局部 ISSN 1005 - 2763 CN 43 - 1215/TD 矿业研究与开发 第27卷 第4期 M I N I NG R 2方案 Ⅱ。边坡演进过程模拟,共迭代 10000时步,其中前5000次时步为采石切坡前边坡 演进过程模拟,与方案 Ⅰ 相同,从5001次时步迭代 开始,为边坡经采石切坡后演进过程数值模拟。 3. 2 模拟结果分析 1边坡在演进过程中,采石切坡前、 后的应力 迹线形状基本一致,仅陡崖坡脚的崩积体有微小变 化,表明在陡崖坡脚的采石切坡活动,对于后方陡崖 边坡整体力学环境无较大影响,仅对陡崖坡脚崩积 体有一定影响,其主要原因是边坡岩体为厚 ～ 巨厚 层状缓倾内结构,仅发育一组间距较大的陡倾节理, 且在边坡顶部与坡面近于平行,但到陡崖坡脚以下, 由于坡度变缓,陡倾节理以陡倾方式向地下延伸,形 成板梁受力结构体系,低高程处的采石活动未改变 陡岩边坡的受力结构,对边坡整体稳定性影响十分 微弱。 2采石切坡前,边坡已发生较大位移见图 3 ,最大位移值发生于印刷厂崩积体中部厚度最大 部位,最大值约4. 2 cm,位移方向以铅直向为主,兼 有一定的坡外位移,显示了崩积体在重力作用下,土 体变形以压缩变密为主,以及崩积体与基岩面间阶 梯状接触面的影响;位移量值较大的区域为陡崖边 坡浅表部卸荷与风化带,位移方向仍以铅直方向为 主,而坡外水平方向的位移量值相对较小,表明边坡 岩体的弱卸荷作用;而在坡体一定深度部位的新鲜 岩体,位移量值最小,位移方向虽以铅直向为主,但 与边坡浅表部有所不同,水平方向的位移量稍向坡 内偏转,表明未经卸荷的新鲜岩体在沿缓倾内层面 上有坡内方向的应力分量,并在此应力分量作用下, 岩体向坡内方向发生变形和位移,利于边坡整体 稳定。 图3 采石切坡前迭代5000次时步累计位移矢量 3对比采石切坡前、 后边坡的位移矢量图 33 田景富,等 岩质高陡边坡结构特征及变形特征分析 图3和图 4 可知,采石切坡后,边坡岩体发生的位 移量值相对较小,其最大值发生于采石切坡陡面上 的碎块石土体单元上,最大位移值约0. 6 cm,以向 坡外水平方向位移为主,表明采石切坡对崩积体稳 定性有较大影响;而其余岩体新发生的位移量值较 采石切坡前小,表明后方边坡受下方采石切坡影响 较小,且边坡岩体处于缓慢的卸荷和风化演进阶段。 陡崖坡顶所跟踪岩块单元1,在过去边坡演进过程 中,曾有一定量的向坡外水平方向位移图5 a , 但随着迭代时步增加,坡外水平方向位移逐渐趋于 稳定图6 a ,铅直方向位移也表现出同样的位 移特征,且位移量值较水平方向大图5 b、 图6 b 。因此,陡崖边坡无发生较大规模的崩塌、 滑 坡的位移特征显示。 图4 采石切坡后迭代5000次时步累计位移矢量 图中编号1, 2, 3为跟踪块体的编号 图5 采石切坡前迭代5000次时步指定块体位移历时曲线 图中编号1, 2, 3为跟踪块体的编号 图6 采石切坡后迭代5000次时步指定块体位移历时曲线 4位于印刷厂崩积体上的碎块石土跟踪体单 元2,前期和后期均表现为一定量的向坡外水平位 移和铅直方向位移,且前期位移量值大于后期位移 量值,表明初期碎块石土体较为松散,岩体发生过一 定的压缩密实变形,后期,由于采石切割,稳定性有 所降低,而发生一定的水平位移,但位移量值较前期 的密实变形量值还小。故在不考虑强降雨和较强地 震等因素,崩积体仍处于较稳定状态。 4 结 论 1营盘山高陡边坡可划分为3段,即上部天 然陡崖、 中部斜坡地带和下部采石陡壁;缓倾内结构 体系及良好的岩体质量RMR岩体质量分级为II 类岩体 , 是上部天然陡崖和下部采石陡壁最主要 结构特征,与之相应的是边坡卸荷与风化作用较弱, 演进过程缓慢,较大规模崩塌、 滑坡等地质灾害发生 周期漫长。 2陡崖坡脚的采石切坡活动,对于后方陡崖 边坡整体力学环境无大的影响,仅对陡崖坡脚崩积 体有一定影响。 3采石切坡对崩积体稳定性有较大影响,后 方边坡受下方采石切坡影响较小,且边坡岩体处于 下转第53页 43 矿 业 研 究 与 开 发 2007, 274 示代码中英双向查询,并支持用户自定义字典编辑、 存储、 查询等。该模块主要利用概念模型字典、 字段 属性字典、 术语代码属性字典及数据约束字典等多 种数据字典,来维护图层结构、 字段代码、 字段提示 代码的正确性,不仅支持中英文双向查询和用户自 定义字典查询,还可以进行各种编辑、 输出。 3 系统实现 基于MapGIS成矿地质信息提取与分析系统是 基于MapGIS6. 5SDK二次开发函数库和API函数 类库用VisualBasic6. 0进行二次开发的,其核心是 利用MapGIS的控件对工作区进行各种操作,主要 对工作区中的内容进行添加、 修改、 删除、 检索等操 作。具体地说 Edit View控件负责工作区空间数据 的显示与编辑的; GISAttEdit控件负责工作区属性 数据的显示与编辑; AttStruEdit控件负责工作区属 性结构的显示与编辑;MapTreeCtrl控件负责工程和 文件的组织与控制 [1, 2 ]。 4 系统应用 西藏冈底斯火山-岩浆弧带是我国重要的金、 铜矿成矿远景区带。它有望成为我国战略性矿产资 源勘查和开发的接替基地 [3, 4 ] ,其资源前景一直倍 受国内外关注,然而西藏冈底斯成矿带工作程度低, 很多空间数据库建立得极不规范,为成矿地质信息 提取带来了很大的困难,利用成矿信息提取系统可 以很好的解决这些问题。 在进行西藏冈底斯斑岩铜矿预测评价时,利用 该系统进行了如下工作 1创建了标准的多元信息地质图空间数据 库、 成矿规律空间数据库、 矿产预测评价数据库等数 据库结构标准的图层命名、 标准的图层属性结构、 属性字段代码 ; 2基于地质图空间数据库的面文件,根据图 元参数和典型矿床研究提取了的控矿地层和岩浆 岩,并自动添加到多元信息地质图空间数据库中; 3基于地质图空间数据库的线文件,根据图 元参数和典型矿床研究,提取了控矿构造,进行了断 裂缓冲区分析,并自动添加到成矿规律空间数据库; 4根据国标,修改和添加了多元信息地质图 空间数据库、 成矿规律空间数据库、 矿产预测评价数 据库等的属性; 5为空间数据库生成了统一风格的图名、 指 北针、 比例尺和责任表; 6对地球化学、 地球物理的数据进行统计分 析,了解其分布特征,并把属性输出到Excel进行再 分析。应用效果表明,该系统不仅保证了矿产预测 评价空间数据库的标准化与规范化,而且大大提高 成矿地质信息提取的效率。 5 结 论 基于MapGIS成矿地质信息提取系统有效的解 决了地质人员与信息人员编图的障碍和数据的标准 化与规范化问题。地质专业人员利用该系统能方便 的进行成矿地质信息提取与分析,利用国标、863标 准、 字段术语代码、 字段提示代码来保证图层、 字段、 字段值的标准化与规范化;并提供空间图元、 图层结 构、 字段代码、 字段提示代码的辅助编辑和整饰图层 编辑功能。 参考文献 [1 ]中地数码有限公司. MapGIS二次开发手册[M ].武汉 2003. [2 ]中地数码有限公司. MapGIS地理信息系统使用手册[M ].武 汉 2002. [3 ]侯增谦,曲晓明,黄 卫.冈底斯斑岩铜矿成矿带有望成为西 藏第二条“ 玉龙 ” 铜矿带[ J ].中国地质, 2001, 28 10 27～ 29, 40. [4 ]曲晓明,侯增谦,黄 卫.冈底斯斑岩铜矿成矿化带西藏 第二条“ 玉龙 ” 铜矿带[J ].矿床地质, 2001, 204 355～366. 上接第34页 缓慢的卸荷和风化演进阶段;陡崖边坡无发生较大 规模的崩塌、 滑坡的位移特征显示。 4位于印刷厂后方的崩积体,初期碎块石土 体较为松散,岩体发生过一定的压缩密实变形,后 期,由于 采石切割,稳定性有所降低,但在不考虑强 降雨和较强地震等因素下,崩积体仍处于较稳定 状态。 参考文献 [1 ]黄润秋,邓荣贵.高边坡物质运动全过程模拟[M ].成都成 都科技大学出版社, 1993 1～2 [2 ]王思敬,黄鼎成.中国工程地质世纪成就[M ].北京地质出 版社, 2004 330～342. [3 ]王在泉.岩石高边坡岩体结构特征及其工程控制研究[ J ]. 中国矿业大学学报, 1997, 263 79～80. [4 ]唐辉明,宴鄂川,胡新丽.工程地质数值模拟的理论与方法 [M ].北京中国地质大学出版社,2001 145～158. 35 左仁广,等 基于MapGIS成矿地质信息提取系统的开发与应用