（安全技术及工程专业论文）弱面控制的岩质边坡稳定性分析及治理措施研究.pdf

中南大学硕士学位论文英文摘要 a b s t i a c t t h es 1 0 p es 咖i l 毋h 弱b e e na n 蚰p o r t a n t s n l d ) ro b j e c t o f g e o t e c l l i l i c a le n g i i l e e r i n ga l lm et 疏e ，a i l di tr e l a t e st om a n yf i e l d s 蛐c h m i l l i n g ，c i v i le n g i i l e 耐n g ，舰m c g i i l e e r i n g ，h y 出o l o g i c a l 锄d h y d r o e l e c t r i ce n 西n 血g ，e t c 晰m l e 斑d e v e l o p m e n to fd o m e s t i c e c o n o m y ，m es c a l e 锄dn u m b e ro fc o n s t n j c t i o ni so n 也ei n c r e a s e ，a n dt h e s l 叩ed i s 船t e rw i ub em o r e 锄dm o r es e r i o u s t h ep r o b l e m so fs l o p e e x 钯n d 觑i ms i m p l es o i ls l o p et oc o n l p l e xh i 曲m c ks l o p ，s om er e s e 船c h o fr o c ks l o p es t a _ b i l 姆，e s p e c i a l l y l ew e d k e rp l 柚e sa n dc r a c k s d e v e l o p i i l g ，锄dt h er e s e a r c ho f 础n m i s n 砸i o nm e 娜r ew i nb em o r ca i l d m o r es i g n i f i c a t i v e t l l i s p 印e r s t u d i e dm eh i g i lr o c k s l o p e o f h u 加g n i u q i a i l o fd e x 吨c o p p e ri i l i n e ， f o l l o w 崦t l l e r e s e a r c hr o u t e豁f i e l d i n v e s t i g a t i o i 卜证f o i m a t i o i l c o l l e c t i o n - l a b 0 咖彤t e s t - p a r 锄e t i d i s p o s a l - e s 仞l b l i s e n to fc a l c u l a t i o i l ，m o d e l 一嘲b i l i 锄锄a l y s i s 锄dn l e a d m i i l i s 仃a t i o nm e a s u mp r o p o s i i 玛i i lt l l ec a l c u l a t i i l g ，f o rs o m es t e p s a d o p t e dp r o g r a m m e rp s s a sw l l i c ha p p l i c 删l i i i l i te q u i l i b r i 岫l a wt 0 a l l a l ) 骺；a d o p tf l a c 3 ds o 胁a r et 0c a n yo nt l l r e ed i m e i l s i o nv a l u e s i m u l a t i o nt o 粕a l y s et i l ew h o l es l 叩e s 灿i l i 够f i i l a l l y ，b a s e d0 nt l l e 舭a l y s er e 蛐l 乜，t 1 1 ep 印e rp u t f o r 、) i 删r d p r e 殉旧s s i l l g f o r c ca n c h o r a d m i n i s 仃a t i o nm e a s u 鹏，趾d b r i e n ye x p l a i l l e d m er e i i l f o r c e m e n t m e c 量l a l l i s m 觚dc 秭e do nm en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt om ep r e s 恤s s i i l g f b r c e 锄c h o r c 0 m b i i l gm e r e s e a r c ho f t h i sm e s i s ，d r a wm ef o l l o 、i n gc o n c l u s i o i l s ： 1 ) t h m u 曲g e o l0 _ g i c a ls u r v e y i n 舀 c 觚k i l o wt l l e s l 叩e s r o c ki s c o m p a r a t i v e l ys i n g l e ，锄d 廿l ef a u ha i l dw e a k e rp l a n e sa r eq u i t e d e v e l o p i i 培； 2 ) 1 h r o u 曲1 er o c k st e 瓯c 孤k n o w m em c k si n t e n s 时i sr e l a t i v e l y1 0 w a i l dd i s p e r s e dv e r ym u c h ； 3 ) a n a l y z 吨岫s 切b i l 毋o f1 4 0 - 1 7 0s t e pb yp s s a sp m g r a m m e r ，c a n k wm es t e p ss a f e 够c o e f f i c i e n ti s0 9 3 ，w h i c hi si nl l i l s 切b l es 龇； 4 ) c a n y i n go nt h r e ed i i n e n s i o i l sv a l u es i m u l a t i o nt 0m ew h o l es 1 0 p e t h r o u 曲f l a c 3 d ，d r a wt h ec o n c l u s i o nm a tt l ! 忙s a 矗匆c o e 伍c i e n ti s 中南大学硕士学位论文 英文摘要 1 4 4w i 廿l o u tm ec o n s i d i n go f w e a k e rp l a n e sa i l dc r a c k s ；o t l l e 刑i s ei ti s 1 1 9 a n di t i sp r o v e dt l l a t w e a l ( c rp l a n e sa l l dc r a c k sh a v eg r e a t i i l n u e n c et 0t i l es l o p e ss t a b i l i 锣； 5 ) t 啪u 曲l es i 舢l a t i o no fp r e i t r e s s i n gf i ) r c e 锄c h o rb yf l a c 3 d ，l c s 1 0 p e ss 勰匆c o e m c i e n ti sr i s e n 觚m1 1 9 t o1 4 0 ，p r o v e i n gm e p r e s n e s s i n gf o r c e 锄c h o ri so n eo fe f f b c t u a lm e t t l o d st oa d m i n i s 缸吼e r i 斌s l o p e sw h i c hc o n t r d u e db yw e a _ k e rp l a n e s k e yw o r d sr o c ks l 叩e ，w e a k e rp l a l l e sa n dc r a c l ( sd e v e l 叩i n g ， 曲a b i l i t ya n a l y s i s ，t i l r e ed i m e n s i o nv a l u es i m u l a t i o i l m ep r e s t r e s s i n gf o r c e a n c h o r 。 i 原创，性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。 与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：! 曼星芝盔兰日期：盘丛年垦月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩 印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名；尘垫堑l 兰导师签名： 中南大学硕士学位论文 第一章前言 第一章前言 1 1 岩质边坡稳定性研究的目的与意义 当前，随着山区的开发建设、铁路与高速公路建设、深基坑的开挖及露天矿 山向深部的开采，各工程建设中所遇到的岩质边坡稳定性问题也相应增多，特别 是大型露天矿边坡问题表现尤为突出。新中国成立后，露天矿的开采规模不断扩 大，开采深度不断下降，逐步形成凹陷采场或深凹采场，则边坡稳定性的评价等 工作的重要性便日趋显示出来。由于工程的需要，往往在一定程度上破坏或扰 动原来较为稳定的岩体而形成新的人工边坡，因而普遍地存在着边坡稳定的问题 需要解决。然而，不同的边坡工程常常赋存于不同的工程地质环境中，不同的边 坡稳定性分析方法又各具特点，有一定的适用条件。边坡不稳定造成的滑坡问题 已成为全球性三大自然灾害之一嘲，因此，正确合理的选用边坡稳定性研究方法， 使工程建设符合安全经济和合理原则，是十分重要的。 1 2 岩质边坡稳定性研究概况 岩质边坡稳定性问题是岩体力学研究的重要内容之一。作为岩体力学的一个 重要组成部分，其出现和发展与人类工程活动的迫切需要和有关学科的迅速发展 紧密相关。一门学科的诞生和发展与当时的社会状况、经济发展和工业建设等有 关，将岩体力学作为一门技术学科并持续发展起来是在2 0 世纪中期以后的事d 1 。 最初从事岩质边坡稳定性研究的是地质工程师，逐渐地，从事力学研究的学者也 参加了边坡稳定性研究，但早期的地质研究与力学研究自成体系，互相分离。对 于岩质边坡的研究，在国际学术界形成两种学派，其一是以m u l i c r 和g ( i o ( 1 m m 为代表的“岩体不连续面控制论学派”；另一是单纯的数值学派。随着时间的推 移和不断的工程实践，两种学派趋于融合并相互借鉴，使岩质边坡稳定性研究形 成比较完善的理论体系h 1 。岩质边坡的稳定性研究其进展情况总体上大致概括为 如下几个研究发展阶段。 1 ) 5 0 年代起步 上世纪初至5 0 年代，岩质边坡稳定性评价几乎完全属于土力学范畴。在研 究初期基本上采用了以材料力学和简单的均质弹性理论为基础的土力学的原理 和方法。土质边坡稳定性的计算分析方法被应用于岩质边坡稳定性问题的研究。 在这个时期，边坡稳定性的计算分析方法，其半经验半理论性质及假定滑动面具 有某一固定位置和形状为其显著特点。在上世纪4 0 年代开始进入重要的发展阶 段，由于第二次世界大战后世界各国水利、交通和建筑等工程的大量兴建，以及 中南大学硕士学位论文第一章前言 5 0 年代采矿事业的迅速发展，提出了大量的岩石力学研究课题，其中矿山边坡、 路基路堑边坡、大坝坝肩和河谷岸坡等人工和自然的岩质边坡稳定性问题也亟待 解决，在吸取了前阶段应用土力学原理和方法于岩质边坡工程所产生的不良效果 的基础上，加上有关数学力学科学的一定发展，人们普遍认识到系统开展岩石力 学研究的重要性，同时也使人们感到有必要和有可能引进一些较新的理论和方 法。这一阶段，主要是以均质弹塑性理论和极限平衡理论的普遍应用，均质体光 弹试验和模拟材料模型试验的开展，以及室内小块岩石的物理力学试验大量进行 为其主要特点n “1 。总体来说这一阶段属于定性研究阶段。 2 ) 6 0 年代有所提高 6 0 年代，岩质边坡稳定性研究理论和方法有了较大的发展。1 9 5 9 年法国乌 尔帕赛拱坝坝基失事及1 9 6 3 年意大利瓦依昂水库岩坡滑动，震动了世界各国从 事岩石工程的工作者，因此成立了“国际岩石力学学会”，并于1 9 6 6 年在里斯本 召开了第一次国际岩石力学大会“1 ，人们开始意识到边坡失稳破坏是累进性变形 破坏过程，有着明显的时间效应，对边坡研究必须将地质分析和力学机制紧密结 合起来。边坡稳定性研究进入力学机制和内部作用研究阶段。 3 ) 7 0 年代全面发展 进入7 0 年代，随着岩体工程的增多，特别是露天矿边坡稳定性探讨的深入， 如1 9 7 0 年及1 9 7 1 年在加拿大温哥华连续召开两次国际露天矿边坡稳定性讨论 会，为了解决工程实践中出现的岩石力学问题和促进岩石力学的进一步发展，全 面的、深入地开展了将岩体视为粘弹性、弹塑性或具有裂隙的脆性介质等方面的 研究，岩体的非均匀性，各向异性和非连续性的研究，岩体的流变特性及其他时 间效应的研究，岩体的应力应变关系和破坏机制的研究，岩体的非连续性介质力 学的研究，利用物探、红外线、电磁波等方法开展原地深部岩体和工程扰动区岩 体的变形特性和应力状态的测试研究，利用遥测技术进行现场岩体的变形、位移 特征的测试研究以及引进了快速电子计算机技术为基础的有限单元法进行岩体 力学的计算分析等等】，这一切都标志着岩体力学进入了全面、深入的崭新的发 展阶段。 4 ) 8 0 年代步入成熟 自进入8 0 年代以来，边坡稳定性研究的理论与方法步入成熟，可以利用计 算机或半定量地模拟边坡开挖至破坏的全过程。一些新理论、新方法、新技术诸 如信息论方法、模糊数学1 、灰色理论口1 、损伤断裂力学理论、数据库与专家系 统口1 、神经网络模型嗍、遗传算法n 0 1 和计算机仿真技术等被引入边坡稳定性研究， 为定量评价和预测岩质边坡稳定性开辟了更为广阔的前景，边坡稳定性研究已步 入系统工程分析研究阶段。 2 中南大学硕士学位论文第一章前言 1 3 岩质边坡稳定性评价主要方法 一 边坡稳定问题是边坡工程及露采技术中的主要课题，在以最佳营效为目标的 现代露天矿生产和工程概念、整体优化观念中，依然是重要组成部分。新中国成 立以来，特别是近2 0 年来，由于生产建设的蓬勃发展和科技进步，对我国岩质 边坡稳定性的研究有很大的推动作用。现就边坡稳定性评价方法简介如下【“】： 1 ) 经验类比法 该评价方法自5 0 年代起，一直在露天矿开采中占有重要地位。它是通过大 体相似的两个矿山进行比较，据它们的相似属性推出其他属性的相似性的方法。 类比法的优点是简单、实用。随着计算机的发展和普及，建立矿山边坡实例数据 库，对其进行综合逻辑查询，以获得相似程度高的工程实例进行类比，这是经验 类比的发展方向。采用边坡专家的知识、经验和判断来解决边坡稳定评价问题， 也属经验类比范畴。 类比是一种或然性推理，虽然有它的局限性和定量的难度，但随着对矿山工 程地质环境认识的提高，对类推属性相关程度高的相似属性的理解和比较准确的 掌握，以及边坡工程实践经验的积累，类比精度也将随之提高。类比法随着简单 科技进步，也必将不断地向前发展。 2 ) 结构分析方法 该法通过大量结构面统计，据结构面产状、规模、组合关系及力学性质，应 用赤平投影、实体比例投影和磨擦圆方法，进行图解分析。该法在边坡分析中被 广泛采用，对边坡的潜在变形破坏模式和决定块体稳定进行定性或初步的判断。 3 ) 极限平衡分析方法 该法把滑体作为刚体，分析其沿滑动面的平衡状态。边坡稳定性用定什稳定 系数k 表示，它可比较正确地进行块体的运动分析。该法可适用于各种复杂的滑 动面，并编制了多种计算程序供选择。该法的主要优点是简便，许多边坡工程稳 定性分析研究都采用这一方法。其主要方法有：s 啪法、b i s h o p 法、f e l l e n i i l s 法、j a n b u 法、楔形体法、平面滑动法和传递系数法。 4 ) 数值分析方法 由于电子计算机的迅速发展和普及，数值分析方法在边坡稳定问题中得以广 泛的应用。有限单元法和离散元法是最常用的边坡稳定性分析方法，此外，边界 元、动力学稳定性分析、突变理论分析、渗流分析等法也应用较多。这些数值方 法本身有很高的精度，但受地质模型，简化的力学模型和力学参数等的影响，使 “高精度”的计算结果只能作为定性评价的一个有价值的依据。 5 ) 概率分析 该方法是7 0 年代发展起来的磨擦方法，它是以极限平衡原理建立状态方程， 中南大学硕士学位论文 、 第一章前言 在宣传安全系数方法基础上，用概率理论计算边坡不稳定性概率的方法。该法要 求掌握参加计算变量的空间规律，如岩体和不连续面的抗剪强度，地下水压力， 破坏面产状，长度，起伏角，容重等，求出它们的统计量。它要求实测数据的质 量和数量，以确定其概率分布。不稳定概率比用安全系数作为评价指标能更客观 和定量的反映边坡的安全性“”。该方法是在极限平衡法和有限元法基础上建立起 来的方法，因此，也包含上述方法的缺陷和局限性。 6 ) 模糊综合评判法 即把模糊评判和层次分析法相结合进行滑坡综合评判：其基本思路是，分析 影响滑坡的各种因素，采用层次分析法将各种因素划分层次，建立递阶关系，求 出各类影响指标对稳定性的影响程度，最后和模糊评判方法按最大隶属度原则进 行选择，判断边坡属于哪种状态【”l 。 7 ) 神经网络分析方法 人工神经网络是基于模仿大脑神经网络结构和功能而建立的一种信息处理 系统。它是由大量简单元件相互连接而成的复杂网络，具有高度非线性，是能够 进行复杂逻辑操作和非线性关系实现的系统。神经网络在边坡工程研究中主要是 用于边坡稳定性的评价和滑坡时空预测预报【1 4 】。它根据待识边坡的固有特性、 统计特性、结构特性、模糊特性、知识性，对待识边坡进行描述、量化，然后作 为神经网络的输入，设置其期望值，与一些标准的边坡样本进行比较据此去调 整权值，经过反复核算，直到获得理想结果为止。 8 ) 图解法1 1 5 i 图解法可以分为诺模图法和赤平投影图法。 t 诺模图法是利用一定的诺模图或关系曲线来标识与边坡稳定有关参数间的 关系，并由此求出边坡稳定安全系数，或根据要求的安全系数及一些参数来分析 其它参数( o ，c ，结构面倾角，坡角，坡高等) 的方法。它实际上是数理分析 方法的一种简化方法，如t a y l o r 图解法。它目前主要用于土质或全风化的具有弧 形破坏面的边坡稳定性分析。 投影图法就是利用赤平极射投影的原理，通过作图来直观地表示边坡变形破 坏的边界条件，分析结构面的组合关系，从而判断可能失稳的岩土体形态及其滑 动方向。然后结合有关的物理力学参数，来计算边坡的安全系数。根据投影方法 的差异有赤平极射投影图法和实体比例投影图法，即将软弱结构面视作空间中的 平面，采用空间解析几何方法进行计算分析。 1 4 边坡稳定性计算方法的发展 边坡稳定性计算方法，可概括地分为两大类：一是传统的极限平衡法；二是 4 中南大学硕士学位论文第一章前言 正在发展的数值分析方法。就目前的实际情况而言，极限平衡法仍然是边坡稳定 性分析的基本方法，数值分析法还在不断探索和完善之中“1 1 ) 极限平衡方法 极限平衡法( 简称极限法) 从土体滑坡计算发展起来，在工程实践中用于评 价士体边坡的稳定性，常常假定滑动面为圆弧形，依此条件建立土体的作用力与 土体强度之比的平衡条件，进行边坡稳定性评价。 。 1 9 1 5 年瑞典彼得森( k e p e t t e r s o n ) 提出的圆弧法，1 9 5 5 年毕肖普( a n b i s h o p ) 提出条分法“”，萨尔玛博士于1 9 7 9 年在边坡和堤坝稳定分析一文中提出对 滑坡体进行斜分条的极限平衡分析法【 i ，即萨尔玛( s a m a ) 法是极限平衡法的 最新发展，这个方法受到h o e k 教授的极力推崇( h o e k 1 9 8 3 ) i l 硼，之后在西方 国家逐渐普遍采用，近些年来，在我国露天矿边坡稳定性分析中也有广泛应用。 2 ) 数值分析方法 在边坡稳定性计算中常应用的数值分析法包括有限单元法1 ”、边界元法 “、离散元法3 等，其中有限单元法应用比较广泛。此外，尚有近年提出的 基于余推力法的临界滑动场( c s f ) 法叫以及d d a 法4 、f l a c 法帆“捌， 运动单元法咖。“蜘等新兴发展起来的分析方法。 以上各方法在上述所引参考文献中均有较详细的介绍，因此本文此处不再详 细叙述。 1 5 本研究课题的来源与技术路线 本文研究的课题来自江西铜业股份有限公司德兴铜矿科研项目“德兴铜矿黄 牛前边坡滑体动体评价及对边坡稳定性影响分析”。 技术路线：首先对黄牛前边坡范围内的工程地质、水文地质进行详细调查和 研究，对有代表性岩石取样并通过室内常规岩石力学试验，确定德兴铜矿黄牛前 边坡的典型岩石和弱面的物理力学参数，对试验结果进行工程处理后选取合理的 计算参数，针对具体的岩体赋存条件，分析边坡破坏模式。对局部弱面发育存在 潜在平面滑移面的坡体采用自编极限平衡法程序进行稳定性分析，对黄牛前整体 边坡采用现行比较流行的f l a c 。软件进行支护前后的数值模拟，分析边坡的稳定 性，并提出合理的治理措施，通过数值模拟分析治理效果。 中南大学硕士学位论文第二章边坡工稃与水文地质 第二章边坡工程与水文地质 2 1 工程概况 江西铜业公司是我国最大的有色金属基地之一，德兴铜矿是江西铜业公司最 大的铜矿。也是我国最大的斑岩铜矿，世界上几个特大型斑岩铜矿之一。已探明 铜矿石储量1 6 3 亿吨，现保有矿石储量为1 3 2 亿吨。矿藏特点是储量大而集中， 埋藏浅，剥采比小，矿石可选性好，综合利用元素多，伴有大量的金、银、钼、 硫、铼等稀有金属m ”。 德兴铜矿位于江西省上饶地区德兴县内，距德兴县城2 2 公里，距上饶市1 2 7 公里，距南昌市2 8 0 公里。 德兴铜矿采矿场是一个大型的露天矿床，采区面积达5 5 2 平方公里，采区 设计境界上口尺寸为2 3 0 0 米2 4 0 0 米，最高台阶标高为+ 4 9 6 米，最低为一2 2 0 米，设计采场边坡坡高超过6 0 0 米，年采剥总量6 4 0 0 多万吨。德兴铜矿露天采 场被横穿矿体中的大坞河分为南山采区和北山采区，南山采区早已形成生产能 力，北山采区正在基建剥离。北山采区主要由三个山峰组成，至东向西有黄牛前， 西源岭和黄坑坞( 见图2 1 ) 。其中黄牛前边坡白3 2 0 米水平每3 0 米一个台阶分 台阶已开挖至1 4 0 m 水平，由于该边坡下储藏大量矿石。德兴铜矿已作出近期规 划将该边坡延伸到一2 0 米。但是2 0 0 4 年年初，黄牛前边坡1 7 0 米平台中部发现 张裂缝，经数次观察，张裂缝有扩张趋势，致使该边坡白1 4 0 米至2 9 0 米水平存 在严重的安全隐患。矿领导，采矿场及有关部门非常重视，再次将该边坡独立立 项，进行安全稳定性评估和对策研究。为了了解露采边坡的工程地质条件，有必 要对该矿区的地质条件作一全面的认识。 图2 一l 德j 箸铜矿露天采矿场全景照 6 中南大学硕士学位论文 第二章边坡工程与水文地质 2 2 矿区地质概况 德兴铜矿矿区地质主要从该矿区的地层特征和构造特征的一些主要内容 p 5 捌。 2 2 1 地层特征 德兴铜矿矿区地层简单，矿区地层为元古界前震旦系双桥山群杜村组地层。 其主要岩性为泥砂质千枚岩、凝灰质千枚岩、变质沉凝灰岩。在花岗闪长斑岩的 接触带附近的围岩均受不同程度的蚀变。强蚀变岩石统称硅化绢云母千枚岩。其 地层特征详见表2 1 。矿区开采现状见图2 一l ，矿区平面图见图2 2 。 黄坑钨 图2 2德兴铜矿矿区平面图 7 中南大学硕士学位论文第二章边坡工程与水文地质 表2 1 德兴铜矿矿区地层特征 厚度 界 系 统组段代号岩性 ( m ) 上统陡山沱组z 。d3 5 1 6 7白云质灰岩，含炭粉砂质页岩 雷 上段z 1 1 3 4 9 2 2 冰成砂砾泥岩，含砂泥岩、泥砾岩 公 中段 z 1 1 22 1 1 8 含铁锰质白云质灰岩、含炭页岩 震 坞 下 组 下段z 1 1 1 1 0 6 8 冰成含砾砂岩 - 志 板岩、凝灰质板岩，夹假鲕状凝灰质板岩，底 兀上段z i z 1 1 8 8 9 旦 部变质砂砾岩 中段z 。z 12 0 3 0 3 1 扳岩、凝灰质板岩，夹假鲕状凝灰质板岩，底 棠 部变质砂砾岩 系 板岩、凝灰质板岩，夹假鲕状凝灰质板岩，底 统 下段 z l z l1 2 8 2 2 9 组 部变质砂砾岩 p t s h n 8 0 1 9 9 变质杂砾岩，变中基岩一中酸性火山岩或变火山 古 上野群 岩角砾岩，变细碧角斑岩、变火山碎屑岩 板岩，凝灰质板岩、变砂岩砾岩，夹变凝灰质砂 浮溪群p t x1 0 4 9 7 7 岩 月u 板岩、凝灰质板岩、干枚岩，夹含钙质、白云 双 东上段 p t s h d l l 2 4 2 9 3 5 震坑 质粉砂岩透镜体 桥 组下段 p t s h d n l1 1 4 9 9 3 绢云母千枚岩、凝灰质千枚岩、板岩夹变质沉 旦 凝灰岩 镇桥组 p t s h d n1 l o 1 l 变质泥砾岩、变质砂砾泥岩、凝灰质千枚岩 p t s h d f l 27 6 4 6 2 绢云母千枚岩、凝灰质、砂质千枚岩夹少量变中 界 山 村l 段 基性一中酸性古火山岩 系 群 组i 下段 p t s h d n l 7 4 6 2 5凝灰质千枚岩，变质沉凝灰岩夹多层变古火山岩 2 2 2 构造特征 矿区处于东西向的泗洲庙复向斜南翼。矿区东部，片理走向渐次弧形弯转， 以至在石金崖一带走向转为北北西向。 矿区断裂构造发育，断层纵横交错，裂隙密集成带，岩体、岩脉、矿脉的展 布也标志着一定的构造形迹。根据结构面的力学性质及配套关系，结合区域构造 体系分析，矿区各构造形迹；主要归属于东西向构造体系与新华夏构造体系，其 次，有华夏构造体系与北西向构造带。 就东西向构造体系而言，矿区处于区域东西向构造体系的铜厂一黄村二级带 上，构造形迹有东西向片理、陡立片理带、挤压带及逆冲断层，沿东西向压性裂 8 中南大学硕七学位论文 第二章边坡工程与水文地质 面及其有关的南北向张裂面充填的岩脉与矿脉等。大致构成三个三级密集带。由 北而南分别为：一号桥带、祝家一黄牛前带和石金崖带，各带间距约1 5 0 0 米。 以中带较强，北带次之。三带除都有较密集的东西向压性断裂外，一号桥带尚见 有陡立片理带、挤压带，祝家一黄牛前有较多东西向花岗闪长斑岩等岩脉断续分 布，并控制铜厂主岩体的某些边界，石金崖带东部为断裂，向西渐次变为小型、 开阔的东西向褶皱。 矿区内发现较大的东西向断裂1 2 条( f 。一f 衢) 。一般走向近东西，个别地段 偏转为北7 0 。东，大部分倾向北，倾角4 2 。8 5 。挤压破碎带宽度从不足l 米至2 米多，个别宽达5 米，断层延长5 0 0 3 1 0 0 米以上，间距3 0 0 1 0 0 0 米， 密集带可至5 0 米。 结构面具有明显挤压特点，断面呈舒缓波状，有时现斜冲擦痕。断裂带内岩 石由于强烈挤压作用而形成一系列平行斜列的构造透镜体，围绕透镜体常见片状 矿物或片理化，有的甚至糜棱片岩化。裂面旁侧岩石也呈现挤压状态，可见陡立 片理带、拖曳褶皱及平行的次级裂面等等。 沿东西向压性断裂，见有花岗闪长斑岩、变质辉长岩等岩脉充填及矿化现象， 并见有该组断裂切割花岗闪长斑岩体( f 2 。) 。 本区东西向断裂后期一般都发生右行扭动。扭裂面多沿挤压带的边界发育， 其上可见大片大平擦痕，旁侧碎裂岩又经糜棱岩化，角砾磨圆，透镜体斜列。 对影响矿区较大的新华夏系，矿区属新华夏系黄柏洋一曹门二级带，北北东 向压一压扭性断裂异常强烈，配套断裂也比较齐全。根据断裂分布密集程度，可 大致划分为三个北北东向三级断裂构造带。由西而东分别为朱砂红带、冷水坞带、 西沅岭带，以中带最强，西带次之，间距约1 5 0 0 米。 较大的北北东向压一压扭性断裂1 3 条( f 。f 。) 。长数百米至数千米，破碎 带宽度从小于l 米至8 米。走向1 0 。2 5 。，一般倾向西，局部向东，倾角4 0 。9 0 。，间距2 5 0 5 0 0 米。该组断裂有成群出现特点，断裂有时由平行的几 个裂面组成，而且大部分都呈左行侧列分布，特别是纵贯矿区的几条主干断裂 f 3 、f 5 、r 、凡、f 。：等。 结构面特征：断面呈舒缓波状、波状，其上可见逆冲或斜冲的擦痕。断裂破 碎带中的岩石，一般为压碎岩或糜棱岩化压碎岩，透镜体及片理常见，有的为细 角砾岩及糜棱岩，透镜体平行于裂面或者斜列。断裂旁侧可见次级平行的挤压性 断面、“入字型”分枝断裂、拖曳褶皱及旋卷构造。 该组断裂一般均兼有扭动。裂面局部平直，压碎岩又糜棱岩化，产生平面上 的“入字型”分枝，斜冲及近水平的擦痕。一种情况是压扭同时，造成斜冲断层。 另一种情况是先压后扭，后期的扭裂沿断裂边缘发育，也有切割挤压破碎带的。 9 中南大学硕士学位论文第二章边坡工程与水文地质 扭裂面上一般可见大片近水平擦痕。无论何种情况，扭动方向均为左错，即西盘 相对南移。该组断裂常被花岗闪长斑岩或石英闪长玢岩脉充填。如黄坑坞沿f 5 断层有花岗闪长斑岩脉充填，脉宽1 3 米，连续长可达l o o 1 5 0 米，脉体显示 充填压性断裂的形态特征，明显控制花岗闪长斑岩入侵，但又常见切割这些岩体、 岩脉的现象，说明它在成岩期、成岩后持续活动的。 2 3 工程地质条件 2 3 1 矿区工程地质岩组的划分及基本特点 采区内地层较单一，可划分为三大岩组。即松散软弱岩组；半坚硬至坚硬的 变质岩岩组；半坚硬至坚硬的火成岩岩组。 ( 一) 松散软弱岩组 包括第四系残坡积层、冲洪积层、和现代人工堆积层。属散体结构。 1 ) 残坡积层 大面积覆盖于山脊山坡及山洼中。山坡山脊薄，厚度o o 5 m ，个别地段达 1 5 m 。山洼山脚处厚，厚度l 3 m ，个别地方 3 m 。上部为黑灰色、褐色腐植土 及植物根系，厚度 0 3 。下部土黄色。黄褐色亚砂土夹碎石块。- 2 ) 冲洪积层 只分布于大坞河两侧谷地，n n w 向长2 0 0 0 余米，宽2 0 至1 5 0 不等，面积约 o 1 4 k m 2 ，仅占测区面积的0 0 3 5 。厚l 至1 2 m ，最厚处达1 9 m ，岩性主要是亚 粘土，亚砂土和卵石等之松散沉积层，透水性较好，冲洪积层由于位处露天坑当 中，加之范围小，厚度较薄，开矿时全被铲掉，而且上、下游进出采坑处基本无 此沉积，对采坑边坡无大的影响。 3 ) 现代人工堆积层 分布于采场内剥离台阶及开挖公路的下部的山洼及沟谷源头，呈松散状，遇 暴雨易沿沟谷形成泥石流，在采坑未形成之前，对其下方容易产生威胁。目前已 在其下部砌了拦石坝，随着采坑的形成，将会全部铲掉，对边坡没有影响。 ( 二) 半坚硬的变质岩岩组 北山采区除中部蚀变矿化的y 6 靠岩体及外侧的脉岩外，大面积分布的是弱蚀 变及强蚀变的千枚岩和变质沉凝灰岩，只在西源岭和黄坑坞东部的北坡分别有 o 0 2 k m 2 、o 0 1 2 8 k m 2 的未蚀变岩石。 变质沉凝灰岩，年代长，经过区域变质，矿物已经重结晶，改变了原来易风 化、遇水易膨胀的性质。由于层理较厚，且又不太发育，片理不大明显，故而抗 风化能力增强，加之内有晶屑、岩屑，断口粗糙，抗滑力较之千枚岩类要好。 l o 中南大学硕士学位论丈 第二章边坡工程与水文地质 浅变质千枚岩及变质沉凝灰岩，经过矿化热液蚀交，带入k 、f 。s i 等元素， 随着蚀变程度的加强，使岩石片理结合较紧，片理面模糊，岩石变硬，力学性质 及抗风化能力加强。测区内出现陡崖的地方多为强蚀变变质沉凝灰岩。出露较久 的岩石属中等风化。 强蚀变岩与弱蚀变及未蚀变浅变质岩之间呈过渡关系，不存在明显的不连续 面。该岩组特点，片理较发育，多被三组以上节理切割并与部分断层相交或叠加， 岩体被分割成碎块，属碎裂镶嵌结构，加之地下水的作用，常常造成台阶上中小 型滑体的出现。 仨) 坚硬的火成岩岩组 该岩组主要是y 6 e 岩，具中等硬度。位于矿区中部，由于蚀变长石斑晶抗风 化能力较弱，出露地表的岩石一般属中等风化，部分为强风化，其亦因蚀变硅化 的加强，抗风化能力也相应加大。总之，矿区新鲜t6 “岩较多，变质岩工程地质 性能要高，本岩组呈侵入接触关系，与围岩之间的不连续面明显，有的部位常有 接触角砾岩，易于松脱。 2 3 2 黄牛前边坡地质岩性的组成及分布 黄牛前地段边坡总体产状为：走向1 4 4 。1 5 2 。，倾向2 3 4 。2 4 2 。，倾 角4 1 。4 2 。，主要高边坡地段边坡总体产状为：走向1 5 2 。，倾向2 4 2 4 ，倾 角4 2 。黄牛前边坡外貌见图2 - _ 3 。 图2 3德兴铜矿黄牛前边坡外貌图 黄牛前边坡的地层属元古界前震旦系双桥山群杜村组岩层( 见表2 1 ) ，本 项目的工作范围主要为黄牛前边坡1 4 0 m 水平至2 9 0 i n 水平( 见图2 2 ) 。根据此 次工程地质调查，可以看到黄牛前边坡其主要岩性为硅化绢云母千枚岩，其次为 中南大学硕士学位论文第二章边坡工程与水文地质 弱蚀变千枚岩。 ， 。 硅化绢云母千枚岩片理模糊，沿片理间局部有似扁豆状和浸染状石英细脉， 浸染状的片理胶结紧密，节理中多黄矿微脉。岩石断口呈锯齿状凹凸不平。 弱蚀变千枚岩包括绢云母千枚岩夹层或互层变质沉凝灰岩，其中残存有灰黑 色、灰绿色未蚀变岩石残块。片理发育，少部分片理面有黄铁矿微脉。斜切片理 的黄铁矿脉较多，且稍大，局部有沿片理和斜交片理的石英细脉。弱蚀变岩石沿 片理易剥离。该区由于构造发育，岩石揉皱强烈，岩石层理易于辨认，在黄牛前 边坡顶部有1 r6 丌岩体，出露面积达1 5 0 m 2 以上，岩石呈浅灰色，全晶质中粒斑 状结构，块状构造，斑晶含量4 0 一6 0 ，粒径1 3 唧，基质为他形粒状。造岩矿物 v 主要为中性斜长石、石英、钾长石，次为角闪石、黑云母等。边坡上部岩普遍受 到不同程度的风化，坡顶为强风化带，随着边坡高度的下降逐渐向中风化微 风化未风化过渡。 ( 一) 褶皱构造 ， 黄牛前片理倾向主要为n 或n e ，倾角一般1 5 。3 2 。，与边坡走向基本一 致，但倾角相反。边坡东部的片理变化异常，这是由于边坡东部岩层遭受褶皱的 原因。 黄牛前东南部发育一组次级褶皱背向斜，包括4 个背斜夹3 个向斜，总宽度 达1 4 0 m ，背向斜轴向近南北，向北倾伏，轴长1 0 0 1 6 0 m ，该组背向斜虽然位于 边坡境界线外侧，但造成了该处边坡东端岩体片理产状的混乱。 在边坡顶部的斑岩体与围岩的接触处及数处斑岩体的入侵处，片理产状变化 较大。在断层带的两侧，尤其是挤压性的断层带两侧，往往受挤压或牵引改变 了片理的产状。 ( = ) 断裂构造 本区的断裂构造十分发育( 见图2 4 ) ，其中有几组大的断层自1 4 0 米延伸 至3 2 0 米以上，如f h l 、f h 2 断层，其外观痕迹清晰可见。现根据该区断层产状 可区分为下列几种，并按其发育强烈程度排列如下： 1 ) 东西向断层是该区内发育最早的构造形迹，此组断层具成组出现的 特点，断层大小不一，有的单独出现，有的成组出现，间距o 8 m 2 2 m 。断层 走向东西，个别地段偏转为7 0 。或1 0 0 。，工作区南部倾向南者居多，北部倾向 北者为主，倾角3 5 。3 0 。，断层长度十余米至数百米，挤压破碎带宽度o 3 m 4 o m 。 结构面具明显的挤压特征，无论单独或成组出现的断层，都有展示舒缓波状 的光滑面，有时可见斜冲擦痕，断层内有平行斜列的透镜体，有时可见糜棱岩， 擦痕及透镜体表面有纤维状石英、腊石等应力矿物。 1 2 中南大学硕七学位论文 第二章边坡工程与水文地质 本项目工作区内出现的东西向断层主要有f h l 、f h 2 、f h 3 等。 2 ) 北北东向断层是影响该区边坡稳定的主要断层之一，断层具明显的光 滑面，光面略具波状或舒缓坡状，黄牛前边坡西北侧的大光面，其规模相当壮观。 断层走向北北东，由于该断层成侧列延伸，引起局部走向向东偏转，倾角大于 4 0 。，断层延伸长度均达百米以上，断面挤压破碎宽度o 1 m o 2 m 。 结构面显示压扭性，断面较光滑，可见挤压片理，糜棱岩及角砾岩，角砾被 泥质和铁质所胶结。 本次工作区内出现的北北东向断层主要有f h 4 、f h 8 、f h 9 等。 3 ) 北西向断层其走向几乎与边坡正交，虽然对边坡稳定没有造成直接影 响，但切割破坏了岩体的完整性。该断层切割错断东西向断层，可见发育晚于东 西向断层。断面比较平直，略具舒缓波状，断层面挤压表现较强烈，逆时钟向扭 错，断层显示压扭性，沿走向及倾斜方向均呈波状，有的形似簸箕状，反映了挤 压透镜体的形态。 本次工作区内出现的北西向断层有f h 5 、f h 6 、f h 7 等。 2 3 3 节理裂隙调查及统计分析 ( 一) 节理调查 为了系统地了解并掌握节理的展布特征、分布规律、产状、搭配规律，以便 通过计算或制图分析它们对边坡或台阶的稳定性影响或潜在影响，在本区进行了 详细线调查。 本次详细线测量工作遵循以下原则： 1 ) 详细线选在边坡固定帮或临近固定帮的局部过度帮且断裂构造不发育地 段上，以便将获取的资料直接用于边坡稳定性分析上。 2 ) 详细线与主要节理垂交或大角度斜交。 3 ) 详细线选在风化条件中等的地段，有意识地舍去对边坡与台阶稳定影响 甚微的节理裂隙。 4 ) 每条详细线有足够的取样数( 均超过1 0 0 ) ，以确保节理统计结果的代表 性与可靠程度。 根据以上原则，在本次工程地质工作中，在黄牛前边坡选择了6 条详细线进 行了详细线的测量工作。 中南大学硕士学位论文 第二章边坡工稃与水文地质 1 4 一 目聋皑h目f哥髯剜镕廿f n n 中南大学硕士学位论文 第二章边坡工程与水文地质 ( 二) 节理特征分析 由各线节理调查记录作出其节理等密度图如图2 _ - 5 所示。 图2 5各测线节理等密度囤 l 2 0 线测点位于2 6 0 米台阶至2 9 0 米台阶边坡d 2 6 0 _ - 4 北侧坡面，从节理等 密度图分析可知n n e 向节理的密度为l o 1 2 条米，倾角较陡，多数为6 0 。左 中南大学硕士学位论文第二章边坡工程与水文地质 右。n e 向节理密度为8 1 0 条米，倾角4 0 。7 5 。节理裂隙间可见黄铁矿脉。 从l 2 1 节理等密度图分析可知n n e 向节理及n e e 向节理密度为1 0 1 2 条 米，倾角较缓，多数为5 0 。以下。节理闭合较紧密，充填物不明显。 l 2 6 线测点位于2 0 0 米台阶至2 3 0 米台阶边坡d 2 0 0 一- 3 北侧坡面，从节理等 密图分析可知n e 向节理的密度为8 l o 条米，产状为4 0 。5 0 。6 0 。7 0 。 w s 向节理密度为8 条米，倾向2 4 5 。，倾角6 5 。裂隙充填物为黄色泥质，含 角砾。 l 2 7 线测点位于1 7 0 米台阶至2 0 0 米台阶边坡d 一1 附近坡面，从节理等密 度图分析可知节理密度最大为1 2 1 4 条米的一组主要节理面产状为5 0 。7 0 。6 5 。 l 2 8 线测点位于1 4 0 米台阶至1 7 0 米台阶边坡d 1 2 d 1 3 之间坡面，从节理 等密度图分析可知w s s 向节理的密度为1 0 1 4 条米，倾角较陡，多数为7 0 。 左右。节理裂隙充填有角砾岩及少量白色石英。 l 2 9 线测点位于2 0 0 米平台北侧，从节理等密度图分析可知主要节理产状为 1 5 4 。4 0 。6 0 。的密度为l o 1 2 条米，节理张开，裂隙充填物含角砾，局部 有灰色断层泥。 综上，黄牛前边坡整体节理主要发育可分为以下几组：2 4 5 。6 5 。；3 3 0 。 6 0 0 ；1 5 4 0 4 0 。6 0 。；5 0 。7 0 。6 5 。 ， 2 4 水文地质条件 矿区的水文地质条件属简单类型，简要介绍如下： 2 4 1 地形气候与地表水 ( 一) 地形地貌 矿区属侵蚀构造低山丘陵区，地形切割强烈，总的地势是南东高，向北西逐 渐降低。南东的官帽山，海拔6 4 8 5 m 为最高点，发源于此山的大坞河，由南东 向北西横穿矿区中部，将矿区分为南山、北山两个部分。矿区中部的大坞河谷标 高为1 1 3 9 m ，为采矿区内的最低的自然地面，此处与官帽山的相对高差达 5 3 4 6 m 。 本次工作区范围内的黄牛前边坡的顶峰高度为5 3 8 4 9 m ，其自然坡度角总的 是山顶、山脊、山脚缓，半山坡较陡。北山黄牛前经过千百万年的风化和剥蚀， 仍有较陡的自然坡角的存在。 ( 二) 气候 矿区气候属北温带潮湿区，雨量充沛，四季分明。雨量多集中在3 7 月份， 中南大学硕士学位论文 第二章边坡工程与水文地质 且多暴雨。1 9 5 8 年至1 9 8 2 年的2 5 年间，该区年最大降雨量可达2 5 3 2 2 唧( 1 9 7 5 年) ，日最大降雨量可达2 1 6 啪( 1 9 7 1 年6 月2 日) 。 矿区最高气温4 0 ，最低气温- 9 ，年平均气温1 7 ，年平均蒸发量可 达1 2 8 6 眦( 1 9 7 0 - 1 9 7 9