宋子賀，李學(xué)鋒，齊發(fā)富，劉華

(廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院， 廣西 南寧 530004)

0 引言

近年來，隨著露天采礦開采規(guī)模的擴(kuò)大[1]，高陡邊坡的安全問題逐漸凸顯。人工開挖或外界受力變化引起的巖石內(nèi)部應(yīng)力重分布和應(yīng)力集中等情況會(huì)在邊坡上產(chǎn)成裂縫形成危巖體，以至于在地震、降雨等外力作用下突然脫離母體滾落下來，造成崩塌現(xiàn)象[2-4]。賀凱等[5-6]針對大型危巖崩塌探索高陡危巖崩塌模式與中上部巖體形狀以及底部壓裂失穩(wěn)有關(guān)。而WANG等[7]基于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了基巖在干濕條件下的本構(gòu)損傷模型，發(fā)現(xiàn)基巖體的破壞和退化也會(huì)導(dǎo)致危巖崩塌。VERMA等[8]利用3DEC軟件包進(jìn)行了三維穩(wěn)定性分析，分析了邊坡的破壞行為，確定了邊坡的易崩區(qū)(失穩(wěn)塊體)。許強(qiáng)等[9]則提出了適用于單體危巖崩塌的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法。

陳洪凱等[10-11]參考極限平衡理論推導(dǎo)出危巖體的穩(wěn)定性計(jì)算公式。陳維等[12]推導(dǎo)了4種危巖體在自重、地震力和裂隙水壓力共同作用下的崩塌破壞判別表達(dá)式，并由此反演出危巖體的臨界崩塌邊界方程。陳莉[13]采用赤平投影法和極限平衡法對崩塌穩(wěn)定性進(jìn)行定性、定量分析，并采用FLAC3D對崩塌治理前后的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析，得到“清危+錨桿+復(fù)綠+坡頂截水溝”相結(jié)合的提高穩(wěn)定性的措施。文獻(xiàn)[14-16]應(yīng)用FLAC3D、Rockfall、UDEC等軟件對地震影響下的危巖動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[17-19]先將實(shí)際崩塌災(zāi)害簡化為簡單模型，利用動(dòng)力學(xué)原理及Rockfall模擬軟件對潛在崩塌體的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析計(jì)算，從落石的飛行速度和彈跳距離2個(gè)方面來確定是否會(huì)對沿線造成危害。因?yàn)槲r崩塌一旦發(fā)生輕則造成經(jīng)濟(jì)損失，重則造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失并導(dǎo)致人員傷亡。所以危巖穩(wěn)定性的研究對于預(yù)防危巖崩塌災(zāi)害防治具有重大意義[20]。

2019年7月13日16時(shí)16分左右，岑溪市天馬石業(yè)有限公司河口花崗巖礦發(fā)生一起危巖崩塌事故[21]，事故造成4人死亡，1人輕傷，直接經(jīng)濟(jì)損失約1 000萬元。崩塌體位于標(biāo)高315.0～362.5 m，采場最低開采平臺標(biāo)高約234.0 m，上部整個(gè)斜坡坡高280.1 m，其中采場邊坡坡高約175.0 m.。本文通過對危巖基本特征分析以及Rockfall[22]軟件數(shù)值模擬的方式對事故成因進(jìn)行分析總結(jié)。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 氣候條件

岑溪市地處北回歸線以南，屬典型亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，日照充足、雨量充沛，但雨量分布不均勻，干濕季明顯。4～9月多雨期，平均降水量為1 367.56 mm，占年均降水量的77 %，5～8月是全年雨量集中期，多年平均降水量為872.2 mm，占年均降水量的58.6 %，大多數(shù)的暴雨洪澇出現(xiàn)在這4個(gè)月里。2019年5～7月降水量為608.1 mm，對比往年降水量屬于正常范圍。

1.2 地層巖性及工程地理特征

礦山采場出露地層為第四系坡殘積層，厚度在2.0～5.0 m，主要為粉質(zhì)黏土，黃褐色、黃紅色，可塑狀。下伏侏羅紀(jì)粗、中粗粒黑云母花崗巖，按風(fēng)化程度，可將礦區(qū)采場劃分為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化花崗巖。強(qiáng)風(fēng)化花崗巖呈黃褐色，巖質(zhì)較軟，巖體破碎，呈碎塊石土狀；厚度10.0～18.0 m。中風(fēng)化花崗巖巖體顏色與母巖顏色基本一致，沿裂隙面風(fēng)化呈灰黃色或銹色，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體一般呈塊狀。崩塌處底部夾斷層破碎帶薄層，巖質(zhì)較軟，厚1.0～1.5 m。微風(fēng)花崗巖呈淺肉紅色至灰白色，細(xì)-中粗粒粒狀結(jié)構(gòu)、花崗變晶結(jié)構(gòu)、斑狀正長結(jié)構(gòu)，巖石風(fēng)化輕微，沿少量裂隙面有銹黃色風(fēng)化變色現(xiàn)象。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)構(gòu)造位置處于云開臺隆北部邊緣，陸川-岑溪斷裂北段西側(cè)，礦區(qū)內(nèi)無大的斷裂構(gòu)造發(fā)育。受區(qū)域構(gòu)造影響，礦區(qū)構(gòu)造較發(fā)育，根據(jù)調(diào)查及航拍影像資料分析，礦區(qū)采場邊坡發(fā)育一條小斷層，位于崩塌底部，邊坡揭露長度約65.0 m，傾向南東，傾角約35°，形成斷層破碎巖巖質(zhì)極軟。根據(jù)采場邊坡揭露，礦區(qū)主要發(fā)育2組優(yōu)勢構(gòu)造節(jié)理，其中1組傾向北，產(chǎn)狀為10°∠60°～70°；另1組傾向東，產(chǎn)狀為90°∠60°～70°。

2 危巖崩塌基本特征及成因機(jī)理分析

2.1 危巖崩塌基本特征

① 地形特征

崩塌體處于采場西南邊坡與相鄰采場交界處坡高68 m以上位置，屬高位崩塌。崩塌區(qū)標(biāo)高在302.0～362.5 m(坡高68.0～128.5 m)，高差60.5 m，其中上部原始坡面處于第6～8級分級臺階之間，總坡高約47.5 m，崩塌前坡度60°；下部坡高約13.0 m，原始坡度呈直立狀，為“一面墻”式邊坡，整體崩塌區(qū)崩塌前坡面呈錐狀凸出(如圖1所示)。主崩區(qū)集中在第7級臺階，坡高37.5 m，整個(gè)分級臺階崩塌，崩塌后坡面坡度60°～70°。

② 規(guī)模及物質(zhì)組成

崩塌體總長約70 m、寬38 m(如圖2所示)，其中上部主崩塌體位于標(biāo)高315.0～362.5 m，崩塌落石主要集中于233.7 m水平平臺。崩塌體平均斜長約40.0 m、平均寬約28.0 m、平均厚度3.0 m(厚度1.0～5.0 m)，體積3 360.0 m3；主崩塌區(qū)下部崩塌體寬約40.0 m、平均長約10m、平均厚1.0 m，體積400 m3，2個(gè)崩塌體合計(jì)體積3 760 m3，崩塌主要物質(zhì)成分為中風(fēng)化花崗巖。

圖1 崩塌剖面圖

圖2 事故現(xiàn)場平面示意圖

③ 控崩結(jié)構(gòu)面特征

崩塌體控崩結(jié)構(gòu)面主要為2組優(yōu)勢構(gòu)造節(jié)理面和斷層，其中J1構(gòu)造節(jié)理面產(chǎn)狀10°∠60°～70°，與邊坡坡向呈20°小角度夾角，結(jié)構(gòu)面順傾；另一組傾向東，與J1節(jié)理面將巖體切割呈楔形體；崩塌體底部為斷層，傾向南東，傾向與坡向相反，斷層破碎巖巖質(zhì)極軟，形成軟弱基座。

④ 崩塌運(yùn)動(dòng)方式

崩塌運(yùn)動(dòng)方式為滑移-剪斷式，上部主崩塌體沿順傾J1構(gòu)造節(jié)理面先產(chǎn)生下移滑動(dòng)，然后剪斷底部斷層破碎帶軟弱基座及凸出微風(fēng)化巖體，形成崩塌。

⑤ 崩塌堆積體特征

崩塌體少部分崩落到安全平臺上，形成安全隱患，大部分崩塌體堆積在邊坡坡腳沿坡向方向約80 m范圍內(nèi)，堆積高度一般在1.0～3.5 m，堆積成分以碎石、塊石為主，塊徑0.5～3.0 m不等，最大塊石體積達(dá)8.0 m3。

2.2 成因機(jī)理分析

該崩塌所處采場邊坡為極高陡邊坡，崩塌體位于68 m處高半坡位置，高度約47.5 m，崩塌巖性主要為中風(fēng)化花崗巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，原坡面呈直立狀，整體崩塌區(qū)崩塌前坡面呈錐狀凸出，并與巖體發(fā)育的兩組優(yōu)勢構(gòu)造節(jié)理組合構(gòu)成順傾的不穩(wěn)定楔形體，如圖3所示，產(chǎn)狀如表1所示。在開挖卸荷、楔形體自重、風(fēng)化等影響下構(gòu)造節(jié)理逐漸擴(kuò)展以至貫通，下滑力增大，為崩塌提供陡峭臨空面。崩塌處下部邊坡呈直立狀，表現(xiàn)出“一面墻”形態(tài)，為楔形體主崩節(jié)理面提供了剪出口，且剪出口為薄層軟弱破碎巖，形成軟弱基座。又由于崩塌所在采場邊坡上部較高，匯水面積較大，連續(xù)的降雨形成較大水流滲入到節(jié)理裂隙內(nèi)，受長期降雨滲入影響下節(jié)理裂隙面黏結(jié)強(qiáng)度逐漸降低，在節(jié)理裂隙內(nèi)產(chǎn)生的滲透壓力，楔形體下滑力逐漸增大，最終產(chǎn)生下滑，剪斷下部基底軟弱基座及凸出微風(fēng)化巖體，產(chǎn)生整體崩塌。

圖3 崩塌處原始邊坡赤平投影分析圖

表1 邊坡和結(jié)構(gòu)面及其交割線產(chǎn)狀表

3 “7·13”岑溪天馬危巖崩塌事故的數(shù)值模擬

以岑溪天馬石業(yè)股份有限公司河口花崗巖礦的開采現(xiàn)狀為研究對象，利用Rockfall軟件對從約80 m高的邊坡處崩塌的重量500 kg的花崗巖塊體進(jìn)行模擬。通過模擬，分析巖體的運(yùn)動(dòng)軌跡，包括滾石的瞬時(shí)速度、運(yùn)動(dòng)距離、能量轉(zhuǎn)換以及邊坡上的滾石數(shù)量等，以探討岑溪天馬“7·13”危巖崩塌事故原因。

3.1 數(shù)值模擬方案

采用開采設(shè)計(jì)中臺階開采參數(shù)：臺階高度10 m，臺階坡面角70°，安全平臺寬度4 m，最終邊坡角54°，如圖4(a)所示。數(shù)值模擬區(qū)域?yàn)槲挥跇?biāo)高+233～+313 m的邊坡，為便于比較，將其簡化為危巖崩塌的“一面墻”式邊坡，簡化后的臺階開采參數(shù)為臺階高度20～30 m，臺階坡面角85°，安全平臺寬度4 m，最終邊坡角79°，如圖4(b)所示。

(a) 標(biāo)準(zhǔn)臺階開采參數(shù)開采形成的邊坡示意圖

3.2 數(shù)值模擬參數(shù)

為了更好地對現(xiàn)場的滾石情況進(jìn)行數(shù)值模擬，本研究選用質(zhì)量500 kg的滑坡體，從標(biāo)高80 m處的邊坡最高處設(shè)計(jì)崩塌，在同一位置，記錄每次模擬100塊花崗巖塊滾落的路徑。本次數(shù)值模擬采用的上部邊坡與安全平臺巖體的切向阻尼系數(shù)值取0.85，法向阻尼系數(shù)值取0.35；下部邊坡與安全平臺巖體的切向阻尼系數(shù)值取0.90，法向阻尼系數(shù)值取0.5；作業(yè)平臺巖體的切向阻尼系數(shù)值取0.99，法向阻尼系數(shù)值取0.53；危巖崩塌時(shí)初始速度設(shè)為0 m/s。

3.3 模擬結(jié)果及分析

500 kg花崗巖塊在80 m標(biāo)高處崩塌后的能量分布、滾動(dòng)速度以及坡底滾動(dòng)距離等數(shù)值模擬結(jié)果如表2所示。500 kg花崗巖塊在80 m標(biāo)高處崩塌后的滾動(dòng)軌跡和滾動(dòng)距離與數(shù)量分別如圖5、圖6所示。從圖5(a)和圖6(a)中可以看出，當(dāng)落石初速度和重量相同時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)臺階開采方式，巖塊下落時(shí)勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，在不考慮空氣阻力的情況下，每與臺階碰撞一次，動(dòng)能都會(huì)有一定的損失，在此過程中，91 %的崩塌花崗巖塊都會(huì)被安全平臺截留，只有9 %的崩塌花崗巖塊能滾落到坡腳作業(yè)平臺，且能夠滾落到坡腳的巖塊所攜帶的最大能量為114 530 J，最遠(yuǎn)滾動(dòng)距離為28.80 m，最大速度為21.18 m/s。

從圖5(b)和圖6(b)中可知，在相同的初速度和重量下，采用“一面墻”式進(jìn)行開采，巖塊崩落時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡呈拋物線狀，99 %的崩塌花崗巖塊都滾落到坡腳，并與坡腳地面碰撞后，運(yùn)動(dòng)軌跡呈倒U型前行，巖塊在滾動(dòng)過程中消耗能量，最終停止前進(jìn)。在此過程中，落石最終所攜帶的最大能量為255 958 J，最遠(yuǎn)滾動(dòng)距離為58.82 m，最大速度為31.59 m/s。

綜合上述分析可知，花崗巖塊從“一面墻”式邊坡崩塌所攜帶的最大能量是標(biāo)準(zhǔn)臺階邊坡的2.23倍，滾動(dòng)的最遠(yuǎn)距離是前者是后者的2.04倍，滾落的最大速度前者為后者1.49倍。而按天馬公司河口花崗巖礦開采現(xiàn)狀形成的邊坡，一旦有花崗巖塊從高處崩塌后， “一面墻”開采方式作業(yè)平臺上人員設(shè)備被危巖擊中的概率是標(biāo)準(zhǔn)臺階開采方式的10倍，十分容易發(fā)生安全事故。

表2 數(shù)值模擬分析結(jié)果

(a) 標(biāo)準(zhǔn)臺階開采方式

(a) 標(biāo)準(zhǔn)臺階開采

4 結(jié)論

本文在結(jié)合實(shí)際調(diào)查和Rockfall軟件的模擬結(jié)果，得出以下結(jié)論:

① 崩塌是由于所處采場邊坡過陡，在開挖卸荷、楔形體本身重力、風(fēng)化、長期降雨滲入等因素的影響下，優(yōu)勢節(jié)理切割形成的楔形體下滑力逐漸增大，最終產(chǎn)生下滑，剪斷下部基底軟弱基座及凸出微風(fēng)化巖體，產(chǎn)生整體崩塌。

② Rockfall軟件分別模擬標(biāo)準(zhǔn)臺階開采和“一面墻”式開采2種開采方式下邊坡崩塌后的落石運(yùn)動(dòng)軌跡，發(fā)現(xiàn)按標(biāo)準(zhǔn)臺階開采方式開采，只有9 %的崩塌花崗巖塊能滾落到坡腳，而以“一面墻”式開采方式開采，則有99 %的崩塌花崗巖塊都會(huì)滾落于坡腳；“一面墻”開采方式下作業(yè)平臺上人員設(shè)備被危巖擊中的概率是標(biāo)準(zhǔn)臺階開采方式下的11倍。因此，“一面墻”開采是導(dǎo)致危巖崩塌致人傷亡的主要原因。