孟國(guó)良 張 雷 張福煬 楊曉曦 付亞男

（浙江安盛爆破工程有限公司）

形成柱狀節(jié)理的火山巖時(shí)代多在侏羅紀(jì)及以后，柱狀節(jié)理是火山熔巖中呈規(guī)則柱狀形態(tài)的原生破裂構(gòu)造，其內(nèi)部節(jié)理、裂隙異常發(fā)育，自穩(wěn)能力差，力學(xué)特性表現(xiàn)為各向異性，具有強(qiáng)烈的松弛效應(yīng)，對(duì)礦山邊坡安全及長(zhǎng)期穩(wěn)定性存在危害［1］。我國(guó)的柱狀節(jié)理構(gòu)造主要分布于東北三省、內(nèi)蒙古、浙江、福建、廣東等地區(qū)，四川峨眉山地區(qū)也較多分布［2-3］，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)柱狀節(jié)理的力學(xué)特性及破壞形態(tài)開(kāi)展了相關(guān)研究，黃巍等［4］采用3D 打印技術(shù)制作了不規(guī)則柱狀節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)研究了破壞模式及強(qiáng)度特性，表現(xiàn)為典型的各向異性規(guī)律。闕相成等［5］研究了柱體截面形狀、走向角及傾角對(duì)柱狀節(jié)理巖體各向異性特性的影響，得出柱體截面形狀主要影響試樣的變形及強(qiáng)度，對(duì)試樣的各向異性影響較小，四棱柱、五棱柱及六棱柱柱狀節(jié)理巖體分別表現(xiàn)出正交各向異性、正交各向異性及準(zhǔn)橫觀各向同性的特征。裴書鋒等［6］針對(duì)水民站柱狀節(jié)理玄武巖壩基開(kāi)挖時(shí)的松弛效應(yīng)開(kāi)展研究，探討了松弛機(jī)理。前人的研究成果表明，柱狀節(jié)理玄武巖的強(qiáng)度、變形具有明顯的橫觀各向異性特性，在載荷條件下存在應(yīng)力松弛現(xiàn)象，這些特性不利于邊坡穩(wěn)定性計(jì)算及支護(hù)。

本礦區(qū)為浙江地區(qū)柱狀節(jié)理玄武巖礦，邊坡為典型的六棱形柱狀巖體邊坡，研究此類邊坡穩(wěn)定性特征對(duì)柱狀節(jié)理露天礦山安全開(kāi)采有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

1.1 開(kāi)采技術(shù)條件

礦區(qū)大地構(gòu)造位于華南褶皺系（Ⅰ2）浙東南隆起區(qū)（Ⅱ4）麗水—余姚隆起帶（Ⅲ8）新昌—鎮(zhèn)海隆斷束（Ⅳ7）西段，北北東向麗水—余姚深斷裂北段，嵊州白堊紀(jì)盆地北側(cè)，新近紀(jì)簸箕灣盾火山東部基性熔巖段分布區(qū)內(nèi)。

調(diào)查及鉆探工程表明，礦體的覆蓋層為玄武巖風(fēng)化層，厚度一般為3.60～10.77 m，由含碎石粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、碎塊石等組成，屬現(xiàn)代風(fēng)化殼。礦體由新鮮的玄武巖層組成，結(jié)構(gòu)致密，屬堅(jiān)硬巖類，礦區(qū)厚度5～50 m，發(fā)育柱狀節(jié)理；底部宕碴體由氣孔狀玄武巖層組成，多孔質(zhì)輕，厚度4.2～17.6 m，抗壓強(qiáng)度明顯降低。礦區(qū)深部為晶玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r層風(fēng)化層，為氣孔狀玄武巖層之底板，厚度0～9 m，由含碎石粉質(zhì)黏土、碎塊石、高嶺土等組成，可塑—硬塑，屬古風(fēng)化殼。

礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造單一，未見(jiàn)斷層，發(fā)育玄武巖柱狀節(jié)理。玄武巖柱直徑約1 m，六邊形單邊長(zhǎng)近0.5 m，垂直高度大于10 m，傾角近90°。發(fā)育的柱狀節(jié)理面平直、閉合，節(jié)理面上部被鐵錳浸染，無(wú)其他充填物。

上述柱狀節(jié)理的邊坡結(jié)構(gòu)不利于邊坡穩(wěn)定，易發(fā)生巖土體崩滑。通過(guò)工程地質(zhì)條件分析，認(rèn)為該礦區(qū)工程地質(zhì)條件屬中等類型。

1.2 開(kāi)采現(xiàn)狀

目前，露天采場(chǎng)坑底寬約250 m，東西長(zhǎng)約650 m，采坑的最低開(kāi)采平臺(tái)為2 250 m 水平，最高臺(tái)階標(biāo)高為2 388 m，臺(tái)階高度為15 m，清掃平臺(tái)寬度為6 m，安全平臺(tái)為4m，臺(tái)階高度為10 m，臺(tái)階坡面角為70°～75°，最終邊坡角小于51°。采場(chǎng)頂、底標(biāo)高分別為+131.4 m和+60 m，坡面總高達(dá)到71.4 m。

開(kāi)采方法為自上而下分臺(tái)階，潛孔鉆穿孔，多排中深孔非電網(wǎng)絡(luò)延時(shí)爆破，挖掘機(jī)、鏟裝機(jī)裝車，汽車運(yùn)輸?shù)牟傻V方法。

2 柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性

2.1 柱狀節(jié)理的破環(huán)模式

張建聰?shù)龋?］針對(duì)我國(guó)在建最大的白鶴灘水電站柱狀節(jié)理玄武巖多處塌方工程難題開(kāi)展研究，觀察發(fā)現(xiàn)塌方處柱狀節(jié)理較發(fā)育，呈典型六棱形，柱體長(zhǎng)1 m 左右，邊長(zhǎng)15 cm 左右，在塌方前節(jié)理閉合，開(kāi)挖后巖體解體并塌方，分析認(rèn)為開(kāi)挖后巖體應(yīng)力重分布、柱狀節(jié)理玄武巖強(qiáng)烈松弛使柱間節(jié)理面張開(kāi)和結(jié)構(gòu)劣化是塌方的主要因素。

柯志強(qiáng)等［8］通過(guò)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了柱體傾角對(duì)柱狀節(jié)理巖體變形及破壞的影響。研究表明，柱體傾角對(duì)巖體彈性模量和峰值強(qiáng)度影響較大（圖1），表現(xiàn)為明顯的各向異性。

2.2 柱狀節(jié)理邊坡穩(wěn)定性特點(diǎn)

本露天礦礦體為玄武巖，呈正六棱柱形柱狀節(jié)理結(jié)構(gòu)，多項(xiàng)研究表明柱狀節(jié)理巖體存在典型的橫觀各向異性，表現(xiàn)為橫觀松弛大、節(jié)理張開(kāi)明顯、強(qiáng)度各向異性、彈性模量各向異性等，對(duì)常規(guī)的工程安全評(píng)價(jià)提出了挑戰(zhàn)，邊坡等工程的設(shè)計(jì)亦區(qū)別于常規(guī)巖體。

根據(jù)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算規(guī)范，順層邊坡采用巖體結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行平面滑動(dòng)或楔形體滑動(dòng)分析，計(jì)算其下滑力；非順層時(shí)，一般按照結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況對(duì)巖塊強(qiáng)度進(jìn)行折減。計(jì)算時(shí)采用的巖體參數(shù)均視為各向同性，計(jì)算模型中的節(jié)理數(shù)量也只有2 組或有限的幾組，對(duì)計(jì)算模型的計(jì)算量影響不大，而柱狀節(jié)理巖體邊坡節(jié)理密度大，柱體直徑變化范圍大，代入模型后網(wǎng)格劃分困難，特別是大規(guī)模邊坡中，計(jì)算范圍遠(yuǎn)大于巖柱尺寸，將給網(wǎng)格劃分和計(jì)算效率帶來(lái)巨大難題。

3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 柱狀節(jié)理巖體各向異性的數(shù)學(xué)表達(dá)

肖維民等［9］依托白鶴灘水電站工程，以下六棱柱形柱狀節(jié)理為研究對(duì)象，給出并驗(yàn)證了歸一化的彈性模量Ecr及單軸抗壓強(qiáng)度σcr：

式中，θ為傾角，（°）；θm為單軸抗壓強(qiáng)度值最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的傾角，（°）；Ad、Bd、As、Bs為經(jīng)驗(yàn)公式中的常數(shù)系數(shù)，可根據(jù)0°、θm和90°對(duì)應(yīng)的單軸抗壓強(qiáng)度確定。

上述系數(shù)的取值見(jiàn)表1。

3.2 模型設(shè)置

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本礦區(qū)露天礦采場(chǎng)南北寬約250 m，東西長(zhǎng)約650 m，臺(tái)階高度為15 m，設(shè)計(jì)臺(tái)階坡面角75°，設(shè)計(jì)安全平臺(tái)寬度為4 m，清掃平臺(tái)為6 m，最終邊坡角為51°，總高度為75 m?？碧綀?bào)告提供的巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，模型采用由上及下逐步開(kāi)挖方式，計(jì)算柱狀節(jié)理邊坡開(kāi)挖過(guò)程中的變形破壞特性。

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3.3 計(jì)算結(jié)果

邊坡分步開(kāi)挖時(shí)，柱狀節(jié)理各向異性與各向同性巖體水平位移如圖2、圖3所示。

圖2顯示，柱狀節(jié)理巖體邊坡分步開(kāi)挖時(shí)，最大水平位移分別為3.64，4.89，6.1，7.2 cm，對(duì)比圖3 各向同性巖體邊坡分步開(kāi)挖時(shí)水平位移，發(fā)現(xiàn)其位移遠(yuǎn)小于柱狀節(jié)理巖體。分析認(rèn)為，邊坡開(kāi)挖后坡面水平壓力卸載，引起地應(yīng)力重新分布，巖體有向外擴(kuò)張的趨勢(shì)，而柱狀節(jié)理具有明顯的各向異性，且本礦區(qū)巖柱呈豎直分布，傾角近90°，在水平推力的作用下，節(jié)理張開(kāi)、挫動(dòng)，巖柱發(fā)生旋轉(zhuǎn)失穩(wěn)等運(yùn)動(dòng)，使水平方向承載力減弱，表現(xiàn)為水平彈性模量降低，使巖體呈現(xiàn)為各向異性。采用折減法計(jì)算邊坡塑性區(qū)，結(jié)果如圖4所示。

不同開(kāi)挖步下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)見(jiàn)表3。

邊坡穩(wěn)定性結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的露天邊坡在無(wú)柱狀節(jié)理?xiàng)l件下，穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.2，無(wú)穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，符合邊坡規(guī)范要求。而柱狀結(jié)理邊坡在第1 次、第2次開(kāi)挖時(shí)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.2，而第3次開(kāi)挖后，穩(wěn)定性系數(shù)降至1.12，第4 次開(kāi)挖后降至1.05，邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)急劇上升。從圖4 邊坡塑性區(qū)也可以看出，邊坡滑坡面也區(qū)別于圓弧狀，巖體深部塑性區(qū)邊緣近豎直狀，與豎直的柱狀節(jié)理方向一致。因此，柱狀節(jié)理邊坡的穩(wěn)定性遠(yuǎn)小于常規(guī)巖質(zhì)邊坡，在邊坡設(shè)計(jì)及開(kāi)挖時(shí)應(yīng)采取邊坡加固措施。

4 柱狀節(jié)理邊坡穩(wěn)定性控制措施

4.1 卸荷防松弛加固

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根據(jù)前述分析，本露天礦區(qū)柱狀節(jié)理邊坡有第一臺(tái)階和第二臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，第三臺(tái)階及第四臺(tái)階穩(wěn)定性系數(shù)下降，考慮到柱狀節(jié)理巖體具有松弛及水平位移大的力學(xué)特性，在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)采取以下管理及支護(hù)措施。

（1）開(kāi)挖過(guò)程中，當(dāng)開(kāi)采范圍臨近邊坡坡面時(shí)，應(yīng)提前2個(gè)爆破周期采用精細(xì)爆破，并在邊坡面外側(cè)預(yù)留2 m 厚的保護(hù)層，該保護(hù)層將吸收因地應(yīng)力卸載及爆破擾動(dòng)造成的大部分巖體松弛效應(yīng)。

（2）在2 m 厚的保護(hù)層的重力覆蓋作用下，從上部臺(tái)階向下鉆進(jìn)灌漿孔，并及時(shí)灌注水泥砂漿，使巖體固結(jié)，加強(qiáng)坡體巖體質(zhì)量，降低坡面揭露后的時(shí)效松弛發(fā)展程度。

（3）灌漿完成后，采用小梯度爆破、精細(xì)爆破開(kāi)挖保護(hù)層揭露坡面，并從坡面水平施工錨索鉆孔，及時(shí)施工水平加長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨索，重點(diǎn)加固結(jié)構(gòu)面，防止柱狀巖體錯(cuò)動(dòng)開(kāi)裂，控制水平位移。錨固深度應(yīng)大于20 m，邊坡表面應(yīng)掛網(wǎng)噴漿，維持巖體完整性。

4.2 長(zhǎng)期管控措施

（1）因柱狀節(jié)理巖體裂隙豐富，礦山孔隙水、裂隙水對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大，礦山勘探未探測(cè)到地下水，但浙江地區(qū)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害頻發(fā)，降雨多，在邊坡各平臺(tái)處應(yīng)設(shè)置排水孔及排水溝，防止降雨導(dǎo)致的裂縫水影響邊坡穩(wěn)定性。

（2）在礦山開(kāi)采服務(wù)年限內(nèi)，應(yīng)常態(tài)化開(kāi)展邊坡位移監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)，做到隱患及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)治理。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）柱狀節(jié)理巖體力學(xué)性能為橫觀各向異性，巖柱徑向性能遠(yuǎn)小于軸向，表現(xiàn)為橫向強(qiáng)烈的松弛效應(yīng)，節(jié)理張開(kāi)巖柱失穩(wěn)使巖體崩解。

（2）柱狀節(jié)理邊坡水平位移遠(yuǎn)大于常規(guī)巖質(zhì)邊坡，滑坡面處于臺(tái)階深處呈近豎直狀，穩(wěn)定性系數(shù)也遠(yuǎn)小于同參數(shù)下的常規(guī)巖質(zhì)邊坡，此類地質(zhì)條件的邊坡參數(shù)應(yīng)采用保守設(shè)計(jì)。

（3）采取預(yù)留保護(hù)層防松弛后加固再開(kāi)挖的治理措施，對(duì)邊坡進(jìn)行灌漿和預(yù)應(yīng)力錨固加固，結(jié)合有效的地表水管理措施，采取常態(tài)化監(jiān)測(cè)，為礦山安全開(kāi)采提供安全技術(shù)支撐。