（岩土工程专业论文）复杂岩质边坡稳定性的弹塑性极限平衡法分析.pdf

中南人学硕士学位论文中文摘要 摘要 边坡稳定性问题一直跫岩工程器的一个建要篌究内容，它涉及 矿山工程、木工程、铁路公路工程、水利水电、港口、废渣及垃圾 处理等诸多工程领域，以及山坡、岸坡等自然领域。随着社会经济发 展步伐的不断加快，工程建设规模和力度也越来越大，边坡地质灾害 受为突出，边坡问题从简荜的坡延伸弼复杂的者旗高大边坡，因魏 装质边坡稳定性磷究耨交褥更掬重要。 本文以城门山铜矿露采边坡为研究对象，遵循现场调研室内试 验一计算模型建立一稳定性计算分析的研究思路。并对定内常规岩石 力学试验得出的物理力学参数进行工程处理，以选取合理的计算参数 爝子崮幸亍改编的麓考虑岩体弹塑性、不抗挝、毒线性酶n c a p - f s 摆穿 进行数值分析。 计算方法主要采用了舆有综合弹塑性有限元法和极限平衡法特点 的弹塑性极限平衡法。即以塑性理论为基础，参照传统极限平衡法的 解题特点，在有限元程序计算辛，采用逐步降低材籽强度的方法来邋 避系统的临界乎愆状态，系统达到螨雾平衡状态时所对应的材料强度 降低倍数即为整体最小安全系数。临界平衡状态定义为边坡内的塑性 属服区能够形成潜在的滑移通道时的状态，并采用点安全系数来表征 革元屈服与否。 计算选取城f l 出镳矿采场东帮边坡( x = 3 2 8 5 8 7 0 ) 秘南热边坡 ( y = 3 9 3 8 3 7 0 0 ) 为计算剖面，并对计算结果进行分析，分析结果表明： 现阶段城门山铜矿露采边坡整体最小安全系数约为1 0 6 1 1 5 ，边坡 眈较稳定。 关键词岩质边坡，稳定性分析，弹塑性，极限平衡 孛鸯大学硕士学位论文 英文搦簦 a b s t r a c t t h es l o p es t a b i l i t yh a sb e e na ni m p o r t a n ts t u d yo b j e c to fg e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n ga l lt h et i m e a n di tr e l a t e st oa r t i f i c i a la n dn a t u r a lf i e l d ss u c ha s m i n i n ge n g i n e e r i n g ，c i v i le n g i n e e r i n g ，r a i l w a ya n dh i g h w a ye n g i n e e r i n g ， h y d r o l o g i c a la n dh y d r o e l e c t r i ce n g i n e e r i n g ，w a s t er e s i d u ea n dg a r b a g e m a n a g e m e n te n g i n e e r i n g ，h i l l s i d er i v e r s i d e ，e t c w i 融t h ef a s td e v e l o p m e n t o fd o m e s t i ce c o n o m y , t h ec o n s t r u c t i o ni so nt h ei n c r e a s e t h e s l o p e d i s a s t e rw i l lb em o r ea n dm o r es e r i o u s ，t h ei n v o l v e ds l o p e se x t e n df r o m s i m p l es o i ls l o p et oc o m p l e xh i g hr o c ks l o p e ，s ot h er e s e a r c ho fr o c ks l o p e s t a b i l i t yw i l lb em o r ea n dm o r es i g n i f i c a t i v e t h i sp a p e rs t u d i e dt h es l o p eo fc h e n g m e n s h a no p e n - p i t ，f o l l o w i n gt h e r e s e a r c hr o u t ea sf i e l di n v e s t i g a t i o n l a b o r a t o r yt e s t e s t a b l i s h m e n to f c a l c u l a t i o nm o d e l s t a b i l i t ya n a l y s i so f r o c ks l o p e 。i no r d e rt oe v a l u a t et h e s t a b i l i t yo ft h es l o p e ，r o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r s ，w h i c hd e r i v e df r o m l a b o r a t o r yt e s tf i r s t l ya n dt h e no p t i m i z e db ye m p i r i c a lf o r m u l a ，w e r e a d o p t e da n da n a l y z e db yn c a p f sp r o g r a m o nt h eb a s i so ft h el i m i tt h e o r yo fp l a s t i c i t ya n da c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co ft r a d i t i o n a ll i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d ，a l le l a s t o p l a s t i c l i m i te q u i l i b r i u mm e t h o dw a sp r e s e n t e df o rs t a b i l i t ya n a l y s i so f r o c ks l o p e t h em i n i m u m s a f e t yf a c t o rw a sd e f i n e da st h er e d u c t i o nc o e f f i c i e n t ，w h e n t h es y s t e mi sf a i r l yc l o s et ot h el i m i te q u i l i b r i u ms t a t et h r o u g hd e c r e m e n t o f m a t e r i a ls t r e n g t hs t e pb ys t e p t h ee a s t e r ns l o p e ( x = 3 2 8 5 8 7 0 ) a n dt h es o u t h e r ns l o p e ( y = 3 9 3 8 3 7 0 0 ) o fc h e n g m e n s h a no p e n p i tw e r es e l e c t e da st h ec a l c u l a t i o nc a s e s ，a n a l y s i s o ft h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sw e r em a d e 霹 er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef a c t o ro f s a f e t ya p p r o x i m a t e l yi s1 0 6 - 1 15a n dt h es l o p ei so fs t a b i l i t ya tp r e s e n t k e yw o r d sr o c ks l o p e ，s t a b i l i 够a n a l y s i s , e l a s t o - p l a s t i e i t y ， l i m i te q u i l i b r i u m h 源剖性声帮 本人声疆，所璺交鞠学位论文跫本太在导瑟掇母下送行毂硬究：l ： 譬及玻霉懿 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 豫大已经发表或攒写遭弱磷究残暴，也不色含为获缮中鸯大学或葵地单垃戆学位 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 笨了明确数淀襄。 狠学签名；日期：塑生年竺月只 关于学位论文使用授权说阴 本人了解中南大学裔关保留、使用学位论文的窳定，群：学绞专程绦聱学位 论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公稍学位论文的全部或部分内容， 爵隧采瘸麓窜、缩印或其德手段缳存学使论文；学校可裰据鋈家箴灌毒黉簿关部 门规定送交学位论文。 搏者签名：曩翅；丑年望月互l | 缉 名麓 融彰 。廷一军 赞一 中南大学硕士学位论文第一章前言 第一章前言 。 岩矮边坡稳定性聚究的意义与目的 隧饕国民经济豹快速发展，矿山开采、交通运输、水测建设和国防工程筹 建设工稷中所遇到的岩质边坡稳定性问题也相成地增多。为了使资源丌发适应 经济建设高速发展的需要，新的大型鼯天矿山不断开发，原有矿山露天采场逐 年船深，使边坡稳定健滴题歪加突出“3 。出于工程豹需要，往往在一定程度上 破坏或拨动骚寒较为稳定的岩 搴嚣形成耨瓣人工边坡，因嚣普遍地毒在藿边坡 稳定的问题需要解决。显然，从霞全观点的角度出发，要求边坡角越小越安全， 但从经济方面看，却要求边坡具有较大的角度 2 j o 因此，正确确定在新的条件 下的边瑗角及其稳定性，使工程建设符台安全经济萃鞋台理藤粼。是卡分鼙要懿。 1 。2 岩质边坡稳定性研究概况 岩矮边坡稳定性阉题是岩体力学戮究的重要内褰之一。作为岩体力学约 个熏要组成部分，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。岩体力学作为一门独立的学科。其历史怒较短的83 。最初从事 岩菔透踱稳定往研究静是戆蕨工程疖，逐渐遮，麸事力学研究鼢学者氇参麓了 边坡稳定性磷究，但早期的地质獗究与力学研究自成体系，豆楣分离。j c 寸于岩 质边坡的研究，在国际学术界形成两种学激，其一是以m u l l e r 和g o o d m a n 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 不断懿工程安践，两稃学派趋予融合并稷麓偌箍，饺岩袋边瑗稳定性磁宠形残 较完善豹理论体系e 4 o 岩质边坡的稳定性研究大约经历了三个阶段： ( 1 ) 上世纪初至5 0 年代，辫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磺弹饿理论为基础的土力学 的舔理帮方法。质迭坡稳定性瓣诗箅分析方法被或蔫予岩袋逮坡稳定性阔邋 豹磅究。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蔫特点。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偌世界各溺水利、交通和建筑等工程的大 量兴建，良及5 0 年代采矿攀监静逶速发震，提出了大量鹣岩磁力学簪 究溧舔， 其中矿山边坡、路基路堑边坡、大坝坝肩鞠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予岩质边坡工 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，入们普遍 认谈至l 系统开展老石力学研究静重要牲，鬻辩稳健入稍感裂鸯必要彝鸯莓筏号l 进一些较叛蛇理谂翻方法。这一除段，主疑是以均质弹塑性理论和极限平缀理 中南大学硕士学位论文 第一章前育 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“。总体来说这阶段属于定性研 究阶段。 ( 2 ) 6 0 年代拦7 0 年代，岩质边坡稳定性研究理论和方法有了较大的发展。 年彳弋镑期意丈嚣琵蔽赫承库毒较失事”1 ，在工程氇质秘表石力学赛萼| 超缦大 震动，人们开始意识到边坡失稳破坏是累谶性变形破坏过程，有着明晟的时间 效应，对边坡疆究必须将趣矮分橱鄹力学投割紧密缕台起来。边坡稳定性硬究 进入力学机制和内部作用研究阶段。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，全越的、深入地开展了将岩体视为孝占弹性、弹 塑性或赋有裂隙的脆性奔蔟等方瑟的研究，者体的非均匀佳，各向昴往和菲连 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 渡蒜辊巷l 翡繇究，岩髂豹 连续瞧分蒺力学懿礤突，稠溺穆探、鲤羚线、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威力状态的测试研 究，列翻遥测技术进行觋场岩抟豹变形、位移特征的测试研究以及弓l 进了快速 电子计算机技术为基础的有限单元法进行卷体力学的计算分析等等”“1 ，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。 ( 3 ) 8 0 年代以来，逸坡稳定髓醑究的理论与方法更热或然，可黻澍用诗葵 机或半定量地模拟边坡开挖至破坏的全过稔。一些新理论、新方法、新技术诸 麴骧坏攘率分辑方法、蘩蠢论方法、摸凝数学”3 、获色理论蹲3 、损馋凝裂力学 理论、神经网络模型、数据库与专家系统咐3 和计算机仿真技术等被弓 入边坡稳 定性研究，为定爨评价秘鞭测岩质边坡稳定性开辟了更为广闼的前景，边坡稳 定性研究已步入系统工程分析研究阶段。 3 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 楚正在发展的数镳分析方法。就霹簿的实辩情况丽密，极隈平衡法仍然是边城 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 0 o 一、极限平衡方法 极限平衡法从土体滑坡计算发展起来，在工程察践中用于评价土体边坡的 稳定性，常霉馁宠淆动瑟梵鋈弧形，鞋茨条传建立主俸懿终矮力与主俸强凄之 比的平衡条件，进行边坡稳定性评价。常见方法有；瑞典圆弧条分法、简化毕 肖磐法、麓枣法、萨容玛法、裳宾塞法班及瘴报数蠛簧赖袈法”。 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，其詹在各国得到广泛的 应用，人们将其称之为“瑞典圆弧法”。这方法用于岩质边坡稳定性分析，只 中南大学颂士学位论文第一章前言 囊袭均葳各疯弱性热岩体及皴磅袋捡教岩钵中爿翦菜秘近似的意义，困为岩簸 边坡破坏般均为a 圆弧形滑动面。 1 9 5 5 年毕肖营( a + n b i s h o p ) 提出条分法，将圆弧滑动体分为若干等宽垂 直条块，分剐求萁自重并将蓬力分解成与滑动瑟籀翻和正交的两个分力，并鞋 嚣弧爨嚣心为力矩中心，求泼圆弧豹安全系数。这秘方法比瑞典圆弧法避了 步，但与岩质边坡破坏仍有很大的区别。 萨尔玛( s a r m a ) 法是极限平衡法的最新发展。自萨尔玛博士于1 9 7 9 年 在边玻和堤坝稳定分析一文中提出该方法醴来，在西方国家逐渐替遍采髑， 近垫年来，在我国露天矿逮坡稳定牲分辑中瞧袁广泛应爰。它矮寿豹优点是可 以用于各糟形状滑动面的边坡稳定分析，可根据岩体实际存在的断层、节理和 层面等结构面划分为条块，使计算比较接近实际。萨尔玛法比较简单适用，可 以对影响边坡稳定性的各种因素送行敏感度分瓣；对边玻岩体破坏( 淆被) 进 行反分聿嚣，求滢蘸蠢兹抗剪强度参数：计算游坡雄力，必摭潺蠛设诗提供绞摄。 颠寅塞( s p e n c e r ) 法假定条块之间的作用力与水平线成0 角，0 角及边坡 稳定性安全系数r 由条块的力矩和力的平衡条件确定，该方法满足力矩与力的 平衡条件，值假定条块之间的作用力方向稻丽。 摩稷瓶毽普赣矮法假定薄相邻条块法翔条耀力和切向条阈力之间存在一个 对水平方向坐标的函数关系，实际上怒假寇条块之间的作用力方向随水乎坐标 变化，变化的函数关系人为地确定，然后由力瓶和力的平衡确定潜在滑移面上 的法向应力及边城稳定性安全系数。 显然，上述各秘掇限乎鸳分板方法均蠢一定爨逶耀范围及羯眼性。考虑岩 质边坡的特点及结构面特别是大型地质结构面的控制作用，中科院地质研究所 提出的滑动块体极限平衡分析方法具有明照的优点，在边坡工程实践中已得到 普逾的攘广应用“”。 二、数依分析方法 在边缓稳定嚣诗雾中零嶷题豹数穰分据法包摇交。浆单元法、边蹇元法、薅 数元法等，其中有限单元法应用比较广泛。此外，尚有d d a 法、运动单元法以 及近年提出的基于余推力法的临界滑动场( c s f ) 法“”等新兴发展起来的分析 方法。 有限元法在岩石力学孛残已褥到蘩广，+ 常廷熬程序有s a p 5 、a d i n a 等。 边爨元法是7 0 年代兴越的一种数值分析法，b r e b b i a 为其代表n ”。在岩石力学 c r o u c h 首先将边界元法用于解决层状岩体的开挖问鼷。由于边界元法具有降维 作用，计算精度高，对解决，云限域闯糕尤为理糠，骈孩椴适瘸子者石力学中院 较复杂豹工稷润题。有限元法和边巽建法均是群决逸续髂力学懿数僮方法，瞧 岩体是一静复杂的，受过多次构造运动的多裂隙体，具有明显的不连续性，不 中南大学硕士学位论文 第一章前商 禳为理想载连续体，予是c u n d a l l 提如枣教单元法，现已在边坡稳定性分据翻 巷邋稳定性分析方斌得到比较广泛应用。 1 有限元法 有限元法的优越性不仅在于能考虑到介质复杂的物理力学属性，并且可以 简便地处理复杂的边界条件；既可以精于各向异性的分层的弹性体，也可班踊 于 缘匀鼢弹性 奉。甄谭鞋爝于弹塑魅润题，也哥用于漉变阉题，丈建移翻大 变形闽题以及其她非线性应力变形阀题等等“。 有限单元法中不同的单元可以有不同的力学性质，节理、断层等可采用节 理单元和兴层单元，且对节理裂陬发育区段或破碎岩体可黻看律无授力介质等， 疑两可戳在一定程凄土模 j ； 笈杂蠢体中送到嚣实际藏题。骞强肇元法虽楚一季申 比较好的数傻分析方法，但必须认识到它的可靠性取决于对边坡岩石工程地质 特性的认识程度及研究的深度，从根本上来讲，有限元法的计算结果取决于对 岩体基本性质的深入认识程艘和对于各种地质因索的合理简化。 2 边界元法 边界元法将蕈元布篾于边器，所戳有醛维静律矮，即二壤鞠题w 翔维瓣 单元，三维的翘题用二维豹单元，因北数撂豹准螯工作量小，求解的方穰组少， 计算效率高。边界元法很适用域求解糟石力学中经常遇到的无限域和半无限域 的问题“”。 透界元滚和吝隈元法都蹩解决边穰闼繇的数僮方法，它翻豹主要区攒在予 边爨元法是“边界”方法，寿艰元法熄“区域”方法，因此馒用边舆有降低维 数的效果。边界元法中的位移不连续法虽然还能对岩体中的断层、裂隙等各种 不适续面进行较好的处理，但是，在处理j # 均质问题和菲线住问题方面。不如 有黻元法灵活。弛架将这两释方法结念起来，程求憋壤豹透处援毒羧元法来考 虑不均质豹撼况，惩在稍远处用边界元法考虑无限域的逯场条件，则可能是解 决复杂岩石力学问题的一种驻好的方法1 。 3 离散元法 离散元法由c u n d a l l 于1 9 7 1 年提出。岩体怒多裂隙介质，被各种结构面所 切割，特剐楚在开挖区域酌辩迓，岩石破碎及大变形往往鞠显璺不连续静性矮， 扶瑟不熬翔赞统鲍有限元法鼓边界元法来辫决| 羽题，丽要求助于离散元法。璃 散元法用于边坡变形破坏机理的研究是近些年来的一个新进展，是分析不连续 岩体的一种较理想的数值计算方法。该方法充分考虑了节理岩体的不连续往， 淤分力静决棒为崮发点，竞许决俸有较大羚位移，甚至聪离母体焉舀峦下落， 且霹以对节理岩体破坯嬲全过程遴毒亍模拟 1 8 o 4 中赢大学硕士学位论文第一章前窘 4 葵德方法 d d a 方法是由石根华与古德熙( g o o d m a n ) 提出的块体系统不连续变形分 析方法，是基于岩体介质、非连续性发展起来的种数值分析方法1 9 。节理丽 切割岩体形成不同的块体单元，肇个块体内部满足连续介质静变形协调方程韵 本搦关系，毽块体之闽不滚足变彩渗调关系，块俸闼鳃本构关系是逸过缓定列 度来实现，d d a 方法中的本构关系为块体所受的合外力与块体位移之间的关系 c 2 0 0 运动单元法由p e t e r g u s s m a n n 教授在8 0 年代饼立疆 ，这种塑往裰限数值分 柝方法主要争对莫尔一瘁仑炎岩主奔矮。运动孳元法认为，对于瑟蠢缓设豹塑 性滑动区和最危险滑动愆，真正的最危险塑性区和滑动面对应的安全系数最小。 因此，对于给定的边坡问题，运动单元法在经验的基础上首先假设一满足莫尔 一库仑准则的塑性区并得到相应的最危险湔动丽在该塑性区内弓l 出有限组氅 往淆移线( 平蠢润遂) 袋塑健滑移瑟( 空翊闫题) ，这些澎移线( 嚣) 搀塑性嚣 离教为单元，即运动单元，然后通过严格的自动搜索过程找到满足约束方程和 边界条件的最小安全系数并确定塑性滑动区和最危险滑动面 2 2 , 2 33 。 1 4 研究课题的来源与技术路线 本文研究的课题采自江疆铜娩股份有限公司城f j 由铜矿科研顼酲“簸f j 睡 铜矿露采逮缓稳定牲谔伶”。 技术路线：首先对矿区范围内的工程地质、水文地质进行调查釉研究，通 过室内常规岩石力学试验确定城门山锕矿露天边坡的典型岩石和弱面的物理力 学参数，对试验结莱进行工程处理后遥取含理的计算参数，针对其体静者体斌 存条转，采用综合了弹塑性蠢隈攀元法窝缀限警餐法忧点豹弹塑性极跟平麓法 对研究范围内的边坡的稳定性进行分析研究，并利用自行编写帕程序来褥以实 现。 5 中搿大学硕士学位论文第二章边坡工程与水文地质 第二章边坡工程与水文地质 2 工程概况 城门出锅矿是我国骞垂金属零亍业数大型霉天钢磅。之一。城门山锔矿瓣天袋 区经过多年建设，目前已下愿2 0 m 水平台阶左右，形成了高达1 1 0 m 的高边坡。 由于岩层组成复杂，强度低：在上部边坡，岩滕受到强风化作用，岩体松散破 碎。特剐是雨天，边较上常出现崩蠲、滑动、滋流等现象，器箭露采区东部器 末薅部边坡己出现多处中等蠼摸媳塌落郛游动，对生产秘人员安全构成了极大 的威胁。 通过对矿区，特别是露天采场进行初步的工程地质调查及对前人资料的查 阅。给我们一个总的印象是城门由镭矿“大露采”的难点在于“永”；丽“小瓣 采”豹鼹点在于“卷”，即在于鞫艘边坡岩石豹工程力学性质。为了了释露采选 坡的工程地质条件，需对矿区的地质条件作一必要的认识心钔。 2 2 矿区地质概况 城门山铜矿是在二叠一石炭系为主的一套隧海相碎属岩建造和碳酸盐岩建 造的基确上，由予燕由期中羧性浅成超浅成卷体的侵入舔形成静与长江串下 游典型斑岩钢矿嘏类似教一秘次火山热渡型铜( 镯) 多金属矿床。下瑟结合与 工程地质条件关系密切的一些主疆内容予以简要介绍。 2 2 1 地层特征 露采区出露的地层主要有志留系上统纱帽组( s a s ) ；泥盐系上统五通组 ( d 3 w ) 1 二叠系下统栖霞组( p l q ) 和茅口缀( p i m ) ，以及受燕山期花岗闪长斑 岩和石蓑斑卷侵入簿发生静热液 蠡交作焉瑟产生懿臻纯款岩霹矽卡岩等。其分 布与譬誓缀详见表2 1 ，对应蛇工程地震分区见图2 1 。 表2 1 城门山锶矿区地层特征表 系统组代号 厚度 m ) 分布及主要岩性特征 第 2 广泛分布于矿区地表及湖区。下部为红一绎红色粘土 四 q 1 2 6 砾石屡，中部为莛褐色亚数及移砾石层，上部为期攘牯 系 土一征粘土层。 分布予矿区j e 部，属浅海相碳酸盐及滨海相页岩岩层。 出 嘉陵江 上段。灰黑色中厚膳状敷岩；中段；灰至灰白色薄麟泥 三 统组 删 5 0 0 质灰岩夹钙质页岩，角砾状灰质白云辫：下段：灰一灰白 叠 色率厚一随厚屡自云质灰者夹鲕获瘤欹获岩 系 分布于矿区北部，构成倍露天坑北部的上部边坡及北 下 犬冶组 t l d 2 0 0 部后缘透缓。主段：浚灰、肉鲮色薄至孛蓐层灰者。闷夹 镜 薄层钙质页岩；下段：青灰色页岩夹透镜状灰岩，风化后 星黄绿色 6 中离大学颁士学位论文 第二章边城工程与水文地质 ( 续) 广泛分布于矿区中部，属浅海相碳酸盐岩层。上段：深灰 主汝兴缀p 2 c 4 l 黑绝琏攒页卷、炭矮页岩 下段：拽灰一漾灰怨燧蠢灰 岩 缝 龙潭纽p 2 l o 属海醚交臻摆禽煤岩据。炭质夏岩，套对夹炭质获岩，硅 l l 质页岩及t i 煤，底部有一层结核状黄铁矿，成透镜状分布 叠 4 5 0 上段：获辩色、深灰色厚菇状燧石结核灰岩：下敌：获黑 系 茅口组p 1 m “ ”f 5 0 0 色炭质页岩，夹透镜、眼球状灰岩 1 3 0 上段：深灰色含燧朽结核灰岩：f 段：深灰至黑色含炭质 缀拯霾组 p l q 灰卷 1 5 0 梁山组 p i l o 5黑色炭质页岩，禽炭质粘土 石 山 黄龙组 c 2 h 1 8 分布tf t 断层j e 稍，为浅海相碳酸盐籍屡。上段：灰一肉 炭 缝7 5 红色厚层状纯灰岩：f 段：灰一肉红色厚层状白云质灰岩、 系自云者 分布t - f t 断层南侧，构成南露天坑南部边坡。上段：灰白 淀 l o 色禽砾石葵秒岩，阔夹舍云母矮移震装岩：中段：舍绢势 盆 上 五通组 d 3 w 母砂质页糟、石英砂岩夹含砾石英砂辑；下段：石英砂岩统5 3 系 与嚣英黟砾岩耍攫 主要分布于f 断层以南，组成南露天坑南部与东南部边坡 士 土 岩钵。主要上段：猿j l 手色、紫红色石荚缨砂岩：中段：灰 ，i 廿缆 纱帽雏s 3 s 2 0 0 白色石英砂岩与粉砂岩互层：下段：灰白色砂岩夹灰绿色 窭 页岩 系分布于f t 断层以南。上段；黄褐、浅黄、获白色泥岩夹粉 中 罗惹坪 统 缰 s 2 l l o o砂岩、细妙岩：下段：灰囟、浅黄色。中厚层石英细砂岩 夹杂色砂旗页者，未觅底 ( 主要符号说明；y 6 喊岗闪长斑岩；q l o 嚣英斑岩；c u 一铜矿体) 豳2 - i 城门山铜矿矿区工程她蠼分区图 从工程媳成分区婴上可以看剿，谯露采区最主要的岩组是芯岗闪长斑岩。 7 孛漆大学颈士学搜论文第二章边坡工程与水文地矮 2 2 2 构造特征 本区大地构造位嚣瘸于扬子准地台( i ) ，下扬子钱塘台坳( i i ) ，九江 台陷( 1 i i ) 和瑞昌一九江凹褶断束。 一、区域构造背景 区域地质构造的主要特钮e 是走向n e e 向平行排列同等发育之背向斜相间足 紧密线状延伸。由北而南依次有邓家山一通江岭向斜、界首一大桥背斜、横立 由黄桥向籍、大冲一t 家由背斜、鸟石街一赛潮向蔚、长由一城f j 湖背蔚。 商籍辖部普遍育次缀小鬻籀，背豁轴部有辩也有次级裙瞌，梅残“w ”型向瓣 及“m ”型骜斜( 图2 。2 ) 。 区内颧裂构造以n e e 向最为发育，次为n w 一卜蹦w 及n e - - n n e 向。其中 n e e 向断裂按其产出部位及性质可分为两组：一组多产生予背向斜转折部位， 是裙皱后期形成的，初始属压扭性质后经历多次活动，力学性质也发生变化， 形成复杂的结构面；另一组多产生于向斜或背斜的轴部，是追踪n n e 及n w 两 组装陈形成的张性断裂，多为岩体所充主粪。 图2 - 2 褶皱彤态示意图 n 、舯_ 嫩w 悫载裂；该缀断裂规模大小不等，一般规模较大的均具有多次 活动，力学性质复杂多变的特点。如城门山矿区金鸡嘴断裂、丁家山f 2 断裂等， 对岩体有重要的控制作用。较小规模的断裂多属压扭性质，为成矿后期断裂。 n e - - n n e 向断裂：该组断裂在区域内亦育发育，其规模一般较小，以左旋 平移遵冲断层为主，压髋特征很暖显，其形成时间较晚。早辅n e e 内褶缀及断 裂常受箕牵动量反“s ”翟囱n 偏转。 二、矿隧裙缴掏造 城门由矿区位予长由一城门灞背斜酶j 翼东凌近佼茯端处。由薄组次缀横 跨樱皱组戏，鄄出n e 及n w 嚣缀方囱豹短轴鸷囊斜麴造终成。 n e 向短轴鹜斜，发肖在f l 断层下盘( 北擞) 一1 6 6 m 水半断聪上。由志留系 组成核部，两翼分别为泥盆至下二叠系。轴线星4 5 。走向，向n e 倾伏，倾角 8 中粥大学硕士学位论文第二章边坡工程与水文地质 3 0 。皴题近于壹立，叛翼大致对称。 n w 向背斜和向斜，卷入的地层从志留系一直到三叠系，褶皱轴向3 0 。左 右，向北西背斜稍有倾伏，丽向斜翘起。轴面i 酲于直立。 三、矿区断层构造 矿醒内断层戳n e e 向最发育，次为n w _ n w w 向和狱嚣_ n 嚣商。n e e 自凝层主要以f ，f 2 ，f 3 ，o 力代表，分述如下； f i 断层位于城门沟一天井洼线以南，城门山一锉山北麓，是矿区规模较 大的断层之一。断层长达1 6 0 0 米以上，属聪扭性质，断层带的产状为：倾向1 5 5 。1 6 0 。，倾角7 0 。8 3 。 玛瑟层分奄予枣嚣天坑疆南边坡土，鄹一号矿体豹璎扳，也即黄燕缀与栖 霞组的屡间，全长6 8 0 米，志向5 0 。6 0 。，倾向3 2 0 。3 3 0 。，倾角4 0 。 6 0 。该断层属层间挤压破碎带，局部斜切地层，破碎带宽2 0 3 0 米，向深部 破碎带逐渐变窄。破碎带中角砾成分美杂，主要有袭质获者、硅化灰者、石英 岩、矽卡岩、必成岩、褥铁矿、黄镊黄铁矿等，角繇太小不一，一般0 。3 o ，7 厘米，最大可达5 0 厘米，为黄铁矿、铁质、泥质、礁质等胶结。 f 3 断层位于矿区北部长兴组与大冶组之间，大冶组底部页籍被挤压破碎。 近 猷东西走向，倾向j ，倾角6 5 。，长约8 0 0 米，耩压佳断层。 f 2 0 缴贯矿嚣中部，全长约2 4 0 0 拳，宽1 0 2 0 岽，走羯6 0 。7 0 。，倾嶷 3 3 0 。3 4 0 。，倾角7 8 。，陡于地层倾角，北擞向上，属逆冲断层，断距西大 东小，两段岩枝顺断层延展，中段构造形迹被愈合。 四、矿区节理构造 矿区岩屡中的节瑶、裂陈比较发育，除在区域应力俸糟下伴随着褶皴、断 装形成与之相应静节理系绞矮，在圈卷蚀变带审还出于表浆岩侵入淫动躲影响 而使其更加复杂。因此不同构造部位，不劂岩层中的节理系统有所变化，而嚣 有其规律性。 2 3 工程地质条俘 矿区内者石稀类繁多，有软硬相阍静砂岩、页岩，有可溶解的获岩，有侵 入懿中酸性岩浆岩戳及各秘 虫交老等。在她质构造、叛裂、风他、馒蚀、溶蚀、 岩浆岩侵入、地表水、地下水等多种内外旃力的作用下，各种岩石在不同地段 均受到不同程度的破坏。 2 3 1 矿区岩组基本特点 就整个矿区而言，五通组砂岩与二叠系灰崧之间有断裂、溶蚀、风化多种 9 中鸯大学硕士学使论文 第二章边坡工程与水文地威 作用组含的走向破碎带；岩浆岩与狄澍接触部位，有接触、溶蚀及风化作用构 成翁环状破礤露浚及卷浆岩老体受虱风纯形残较涤静松软带。除了复杂懿基蠢 组合之外，并有地处湖泊，地袋水发育，灰岩地下水丰富。第四系松敝、松软 岩层等不是逮黢繇壤，麸瑟构成了矿嚣工程建痰条锋豹复杂犍。 一、岩浆辫类 医内岩浆澍主要蔻花岗闵长斑岩移石英斑密，成卷株获产港，英外翻尚凳 有岩脉乏类穿插于各岩层中。岩石为斑状结构，长石含量占4 5 以上，岩浆岩 赫j | t 亿，形成较_ | 莩酶风纯壳，在徙纯壳边缘强讫襞陈比较发育，在强诫纯带内 易形成高岭土。岩石在风化带内成土状、碎屑状，深度风化，般在一5 0 m 标 高馥上，砉俸接簸带及菪躲藏他较深。据秀采调查，融诧岩浆者易予被舔农肄 蚀或崩解，如新丌采出的灰白色的花岗闪长斑岩经雨水淋漓后变为蓝色且呈松 敷状态，其强发大大黪 毳。岩石坚疆稳瘦蘧饕域纯强爱嚣交，滁风健戏状静 岩石外，坚固系数4 6 。 二、碳酸蠢类 石炭系、二叠系、三叠系撼本是碳酸盐类岩石。遮些岩层中各层的物质成 分都有一定懿麓异，含炭质较舞懿瑟嫠其坚硬程度较蓑。获老蠢心状态笼安获、 柱状，岩石致密，节理裂隙较少，裂隙多为方解石充填，岩性坚硬。镜下观察 一般是微粒结构，块状枣鼋造。矿携成分含方鳃蠢8 0 潋_ t z ，毽在含泥矮、炭廉 较高的炭质灰糟中，方解石含擞相对降低，同时，生物碎屑也随之增商。总的 看来，碳酸盐类岩石璺医系数凌“s 以上，当含炭矮较塞又投飙纯的情况下， 坚固系数也在“5 ”以上。此外在三叠系灰岩中含有钙质页岩，而其岩性软弱， 在遗质蜚力终瞒下按盛破碎，构成了碳酸盐岩岩层中静软弱带。岩溶在该岩鼷 中比较发育，从钻探了解岩溶发育状态有溶蚀毅隙、溶蚀破碎带、溶洞等现象。 岩溶的发育，一方面使获岩完熬性在局部受到破坏，并且充填于溶洞之中的泥 沙，容翁产生溃流等不良工作蛾质现象。所在往下开采的过稔中应注意灰岩的 不良影响，此外在分析边坡稳定性时，也要注意灰岩的影响。 三、碎屑澍类 包括恚整系上统纱螳组中、薄层石英砂岩、粉砂瑷页岩，泥盆系上统五通 组石英砂岩、砂岩。 志懿系上缆纱幄组砂岩夹页岩，呈l b s w 向分柱子矿联南部，下部为获 白色中厚层夹薄层石英细砂岩闻夹灰绿色粉砂者及砂旗页岩。石英缅砂岩以矽、 铁质胶结为主，岩性坚硬，裂隙发育，粉砂岩及砂质灏岩岩性较软弱，遇水易 软化。该组岩磊中普遍有缩云母化，黄铁矿豫及沿裘隙的铁藤浸染现象。浴鼷 面易于风化而往往形成宽数毫米乃至数厘米的裂缝，一般有泥质充填。 1 0 中南大学硕士学僦论文第= 章边坡工程与水文地趱 泥盆系上统血通组，下部为灰紫、灰白色中厚层石英砂砾岩及石英砂岩互 层。上部灰自琶中厚朦石葵砂岩，石茨岩夹绢云簿往移质页岩，该者系蔟硬靛 赡，毖微裂骥发寅，岩石呈秘块状，强度降低。 总之，碎屑岩类中石英砂岩一般比较峨硬，页岩较差，岩心常呈块至碎块 状，风亿带内裂隙较为发帮，裂豫面凳有铁染。石英岩致密绫袄，擎硬，节璎 发窘，一般见鸯黄铁矿充填其中。粉砂质页卷类经按压破碎及风化后则成泥状， 遇水易软化。总之，除断裂破碎带外，碎屑岩类岩石一般是比较稳固的。 四、第四系松散、松软沉积层 主要蹙潮嚣淤积、溪积或毯表堆穰蘧器，哥分为淤积罄、移砾石屡、繇辩 石层。淤积层为粘土、亚袅譬土，允许承载力5 1 l t m 2 ，极不稳定。砂砾石层为 不均质层，含泥多少不一。钻孔岩心状态为松散状，砂、砾幸立径一般小于l c m 。 根搀实涮，箕形成透壤翡爨然安患建态3 3 。左右。砾爨石糙层必稼毁色噩鞑 土，砾卵石含量不均，最多达3 0 左右，一般厚度不一，变化很大。常见粘土 与粘土砾石相间出现，亚糟土呈硬塑状，容许承载力3 0 t m 2 左右。 2 ，3 2 霆采区装组组戏 本项熙的工作范腿为露天采坑东部和东南部区域( x = 3 2 8 5 9 5 0 以南，y 一 3 9 3 8 3 6 0 0 以东，一5 8 m 水平以上的边坡及坡顶，见图2 3 ) 。根据这次工程地质 调套，霹戳看裂露采蘧蕊爨内投摆岩嚣类鍪差冥鞋划分爨卡多令岩缝，氆粕 包括= 叠系茅口灰岩组、二叠系牺霞获岩缎、泥靛系五通砂岩组、志留系沙帽 砂岩组、硅化灰岩、矽卡岩、构造角砾者、接触角砾岩、复含成融角砾岩、税 囊阗长斑爨、蠢葵褒装、安虫玢岩、销矿体、铁拯( 糕铁矿) 等。然露壹接粕 成露采边坡的糟组是不多的，主要有花岗闪长斑糟、石英斑岩、礁化灰岩、矽 卡者、接触角砾岩和复合成因角砾岩镣。其中花岗闵长斑岩和石英斑者在岩石 成分、瓿援梅逡以及王程力学蛙矮等方瑟邦窍羞翊司翻提 娃之处，共构成了戴 采边坡的大部分区域。如露天采场的整个北帮和东帮及西部的大部分。 露采边坡的西南段是由硅优灰岩、矽卡岩和二叠系栖霞获岩缀所构成。而 霆采边坡瓣枣黎东段是虫接触焦繇岩翻复会妓困角砾岩组搀贼。 从构成上述边坡的岩组特点来看，除了南帮的接触角砾岩和复合成因角砾 岩缀，其成分复杂，结构较松散和者石力学性质不稳等不和因素矫，缀成露添 边坡其链辫组麴工程力学热质，就其暇岩露言应该是不错的。但是出予本区地 处亚热带湿热环境，区内岩石风化严蘸，大大降低了岩石的机械性能，致使上 部风优层岩石松散、碎软，给边坡的稳定毪造成严重静不蘸影晌。 中南大学硕士学位论文 第二章边坡工程与水文地质 鬻2 - 3 藏门由铜矿露天采殇平磷、工作范箍及撩质调查点位置示意舔 2 3 3 露采区断裂构造 经过现场调查，露采区内的构造主要以断层和节理的形式表现浅来。本次 辩采坑j i 帮东敬透缎串戮层静调查，发现在d 8 号鼹察赢辫：l 茏，予8 m 台除与4 m 台黢之坡体上，发窝有多组叛层，根据产状可分为三组：第一组产状为2 1 5 。z 8 8 。、2 0 0 。么8 2 。；第二组产状为8 5 。a 7 0 。、5 5 。么7 2 。；第三组产状为 2 5 6 。8 5 。 这三缀断旋虽然延 睾不大，餐均具有一定懿烧模。断崖带宽一般戈0 2 o 。8 m 之闼，上部宽，下部窄，断裂带内有强按压现象，构造角砾岩发育，具潭 圆状，岩粉胶结，断裂带内裂隙由褐铁矿所充填。其中第= 、三组断层与边坡 成大角度斜交，对边坡稳定彀影响不是太大；而第一组断膳几乎与该处边坡产 状楣致，鼓瓣透皱稳定极必不零l 。努在戴处边坡酶豢差不大，垮塌量遥跑较 ，j 、。但是涎羞开采深度的增大，此处边坡钓稳定性必姆受到严羹的影响。在d 9 号观察点上也发现此类断层，其断层面光滑矗立而紧闭，产状为2 9 0 。6 5 。， 且充填有层薄薄的断层泥。由予该断层向南将延至采坑东帮边坡，且与东帮 边壤豹产状一致，藏这缀断鼷虽然对乾帮边缓霹携不会造成攫大影确，毽对东 帮边坡豹稳定性影响极大。 在采坑东帮上方的d 5 号观察点处( 约8 0 m 台阶) ，也发现有一组断裂。该 处岩性主要为榻铁矿体，和花岗闪长斑岩。此处税岗闪长斑岩受断裂强烈挤压， 梅造破碎带影穗宽发达2 3 黯产羧爻2 7 5 。l 6 6 。，虽在断层瑟上冕有斜擦痰， 攘痰产状必1 8 。么5 2 。由乎此凝裂的颁良与该处边坡倾向几乎一致，故该断 1 2 中南大学硕士学位论文第二章边坡工程与水文地质 裂对边坡螅稳定性券在缀大的负霹影响，必须予以重视。 在东南帮的d 2 号观察点( 2 5 m 台阶) 处，由于受强烈的构造影响，有一 n n w 走向断裂发育，其产状为1 2 。1 7 1 。由予该组断层难向与此处边城呈大 角度相交，故海未教现箕对边瑗可能造袋静严重影稠。 2 3 4 露采区节瑾构造 露采区内节理激然籁淘各异，毽镢角都很大，一般奔予6 5 8 5 。之秘。豫 个别点外，其颊向比较凌乱，多个方囱发育，对边坡稳定的影峨各不相同。调 查发现，这些节理相当部分在其中有充填物，如充填有石英、黄铁矿和褐铁 矿等。也有少蓬节理充填有混质物。 现将这些躐察点劳减三个区，郯蕊察点d 1 、d 2 为一个区，位于露采区蠡奄 奄裁：双褰点d 3 、d 4 、d 5 、d 6 、d 7 为一个区，位子东蘩边坡；观察点d 8 、 d 9 、d 1 0 为一个区，位于北帮东部边坡。 一、露采场南帮节理特征 对于d 1 、d 2 号观察点，其节理等密图如图2 - 4 所示。其中a 图为d l 号点 的节理统计图，节瑾投影点集中分布予图的中心部位，说稿这黧节惩豹续角筠 比较大，倾向多个方自发弯，其中3 0 0 。方囱的密度为l l 条矗n ，8 l 。方趣豹密 度为1 5 条m ，1 4 94 方向的密度为1 4 条，m 。由予3 0 0 。或近于该方向的节理产 状与南帮边坡的产状近一致，且又十分发育。故对边坡的稳定饿影响最为不利。 转图为d 2 号袋察煮豹繁淫统计 圈，该点披予零嘉摆4 号勘探线以嚣。 该点受到构造强烈影响，节理密度较 大，倾向为2 4 。的一组约为1 5 条m ； 倾向为2 l 。的一缀约l o 条触；缓海 燕l l o 。熬一缌约7 条m 。嚣题组节 理倾向与该处坡向相近，又十分发 育，敌对边坡的稳定性影响很大。 = 、鼹采炀东帮节理特征 对予东帮选坡d 3 、d 4 、d 5 、d 6 a 目囫闽豳 1 34 67 1 0 1 0 ( 数毽表示嚣势密度，l 美下基嗣) 圈2 - 4 观察点d 1 、d 2 节理等密图 帮d 7 理察点躲等密图如图2 ，5 、图2 - 6 疑承。c 豳为d 3 号双察点之等密黪，该 点位于4 号和6 号勘探线之悯约+ 2 7 m 标高处。该点节理密度为：8 8 。倾向的， 4 0 条m ；1 7 3 。倾向的，1 7 祭m ；2 6 5 。倾向的，9 条艋：3 3 2 4 倾向的，1 6 条 ，m 。其中倾向为2 6 5 。的节瑾与该处逸渡倾离一致，对透皱静稳定毪影弼最大， 颊自为3 3 2 。豹节瑗次之。 孛南夫学颈士学位论文第二章透缓工程与隶文攮矮 一一一一 。 毒、。 | 。 ，一 一 ? 7 ；：。 垒! 。，爨 萋蚕7 黾醪 毒善1 i 暮尹7 。 曩= ：= ，= = = 图2 - 5 观察点d 3 、d 4 、d 5 节理等密圈 d 醋为d 4 号蕊察点之等密图，该点位于4 号和6 号勘探线之闻约一7 m 标 齑处，节理j # 豢发骞，其充填物有石英和褐铁矿等，露一部分未被充填。该点节 理密度为：1 7 6 。倾向的，1 7 条m ；2 0 9 。倾向的，2 8 条m ：3 3 9 。倾向的，9 祭趣。英孛3 3 9 。一缀节理额自与该楚坡凑近一致，救对边坡稳定援为不利。 e 图为d 5 号点的节理统计图，该点位于东帮的6 号勘探线与8 号勘探线之 淹( 约+ 8 0 m 螽阶签) ，该点主要鸯掰个方囱的节瑾，分鞠续内2 6 8 。、5 54 方自， 其密度分别为1 2 1 6 条r n 和1 0 条m 。此处，倾向为2 6 8 。( 倾角较大) 的一 组节理与该处边玻倾向基本致，故对边坡稳定性的影响最大。 f 鞫为d 6 观察点的节理统计阉，该点位予东帮( 偏北) 4 号勘探线与6 号 勘探线之间，约一4 m 标高的采坑边缘，该处为灰白彘的花岗闪长斑岩，大部分 节理裂骥被露英熬充填。镶囱2 5 。方囱豹一缀密度为1 6 条勉，倾岛2 6 5 。的一 组为6 祭m 。 7 一卜、7 十、 一，r e 7 g 图2 - 6 观察点d 6 、d 7 节理等密图 銎g 茂d 7 弩蠢静苓理等密强， 该点位于东帮( 偏北) 6 号和8 号 勘探线之闻+ 2 4 m 台阶娃。该楚