0   前言

岩体变形特性分析作为岩质边坡稳定性工程地质评价的重要组成部分，它能够帮助人们对具有复杂地质结构的边坡作出稳定性的确切判断^[1-3].千枚岩属于区域浅变质岩，其主要矿物成分为鳞片状绢云母、绿泥石和石英.千枚岩由于其特殊的结构特征，裸露于地表的千枚岩常遭受风化而使得岩体稳定性较差, 在各类工程中均有所表现^[4-6].当千枚岩富含绢云母矿物时，在次生作用的影响下，片理往往较为发育，从而呈现高密集片理结构.具有高密集片理结构的千枚岩边坡岩体结构较为复杂，本文拟以银山九区露天采场东北边坡为例，通过对边坡岩体的观察和分析，力图阐明高密集片理结构千枚岩边坡的岩体变形破坏过程及特征，从而为此类边坡的稳定性评价及失稳预测提供理论基础.

1   研究区工程地质条件

1.1   地质背景

银山九区露天采场东北边坡在区域构造上位于银山背斜的西北翼，边坡主要出露前震旦系双桥山群第四段(AnZnSh₂⁴)地层，该地层为一套浅变质的火山岩系，厚约2500 m.岩性以千枚岩为主，夹变质凝灰质粉砂岩.地层原始层理一般较难鉴别，但“顺层片理”普遍发育，绝大多数片理面都与层理交角很小，或近于一致。矿区潮湿多雨，雨量集中，年平均降雨量2185.4 mm，蒸发量为1198.95 mm。矿区地表水和地下水主要由大气降水补给，由于露天采矿形成了四周高，中间低的特殊地形，雨季雨水大量聚集露天采坑中，为地下水提供了较好的补给来源。采矿边坡受卸荷作用，坡面沿原有裂隙发育大量次生裂隙，大气降水沿这些裂隙渗入到坡体中，成为边坡变形或破坏的主要诱发因素之一.

1.2   边坡岩体结构特征

银山九区露天采场东北边坡高度随着矿石开采的不断进行而逐渐增高，最终边坡高度312~342 m，坡角45°，属超高边坡.该边坡坡顶高程120~150 m，目前坡脚高程最低处在50 m左右，坡高70~100 m，总体坡度约43°.边坡在平面上呈弧形展布，边坡坡向为165~242°(见图 1).边坡由6个台阶组成，高度约10~12 m，平台宽5~8 m，台阶坡度约80~90°.边坡东北帮岩体主要由千枚岩组成，坡体顶部千枚岩风化强烈，坡顶附近有较厚坡积层，厚度达30~40 m，岩体较破碎，坡体中下部岩体风化较弱，但片理十分发育.

图  1  边坡平面展布图

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2   边坡变形破坏的特征及发展趋势

岩体边坡的各种失稳模式主要受结构面控制，故弄清结构面的几何特征，是正确判断边坡可能变形破坏模式的关键^[7-8].在本次研究中，对该边坡的岩体结构特征进行了详细的调查与测量，并在此基础上，综合分析了边坡的变形破坏特征及发展趋势.

对于矿山露天采场而言，边坡由多级台阶组成，每一级台阶的顶面是近水平的平面，边坡岩体多处发生楔体破坏.现以该边坡的东北帮为例进行分析.现场调查表明，该边坡构造裂隙发育，在边坡的变形破坏过程中，构造裂隙起到控制作用.

2.1   楔体破坏

该边坡平面展布形态为弧形，坡向165~242°，各平台坡面倾角约80°.由于该帮上部属强风化岩体，楔体破坏主要出现在中下部.现场调查表明，边坡未发现明显的一级结构面，如大型断层的出现，对边坡稳定性起控制作用的主要是三、四级结构面.根据该边坡弱风化千枚岩体的节理倾向玫瑰花图(见图 2)及实测数据，节理大致分为4组：①第1组平均产状为：275°∠54°；②第2组平均产状为：325°∠43°；③第3组平均产状为：95°∠53°；④第4组平均产状为162°∠55°.分别取边坡的最大、最小及中间3个坡向进行赤平投影分析，3个坡向分别为：165°、205°和242°，分别代表边坡不同地段的坡向.结合节理组产状，绘制赤平投影图(见图 3).如图 3(a)可知，结构面之间的组合交线共有2个点位于3个边坡大圆的外侧，两条组合交线的倾伏向与坡向一致，且倾伏角小于自然边坡坡角或台阶坡面坡角，表明沿这些组合交线有发生楔体破坏的可能.由于节理的分布具有一定的随机性，所以在该边坡的不同地段均有可能产生楔体破坏.

图  2  边坡节理倾向玫瑰花图

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  3  边坡的楔体破坏

下载: 全尺寸图片 幻灯片

该边坡局部的千枚岩片理面胶结程度较差，且延伸较远，当片理面与构造裂隙以某种方式组合时，则可能发生楔体破坏.调查表明，该边坡主要有3组片理：①第1组平均产状为：206°∠87°；②第2组平均产状为：170°∠89°；③第3组平均产状为：332° ∠84°.由赤平投影图(图 3(b))可知，有4组片理组与节理组的组合交线位于边坡大圆的外侧，从而使边坡岩体发生局部的楔体破坏.

2.2   弯曲折断

该边坡岩体片理十分发育，且呈高倾角或近直立产出，片理间距多在0.5~1 mm之间，密度较高.一般地，高倾角产出的片理面走向与坡面走向夹角小于30°时，边坡岩体容易发生弯曲折断^[9-10].现场调查表明，该边坡开挖后在坡体上出现一系列平行于开挖面的裂隙，裂隙几乎都是沿着片理面发生，在各台阶边缘及坡面局部发生多处崩塌和片落.该边坡为一弧形边坡，其走向为255~332°，各平台坡面倾角约80°.3组片理走向分别为296°、260°及242°，片理倾角在84~89°之间，其中以走向为260°的片理组分布最广，且最为发育.由此可见，3组片理皆有发生弯曲折断的条件，其中第2组片理发生类似破坏的可能性最大.

该边坡千枚岩岩体是否发生弯曲折断破坏，主要受控于片理面与边坡临空面的空间组合关系.矿山边坡处于一个较为复杂的环境当中, 边坡岩体的破坏受到多种因素的影响.采矿过程中开挖边坡形成的卸荷回弹、爆破振动、渗入裂缝中的孔隙水压力作用、水的楔入浸润等是促使此类变形发展的主要因素.

2.3   局部破碎带的垮塌

由于勘察资料有限，边坡上部的破碎带与中下部弱风化千枚岩在坡体内部的分界面不是特别清楚，从现场的岩体特征看，坡体顶部植被覆盖较好，坡体沿此分界面发生整体滑移的可能性不大.边坡破碎带性质与土质相似，其稳定性基本上受控于台阶坡面的坡角，由于初期开挖坡角较大，在开挖过程中及开挖后，局部较破碎的地方多发生了垮塌.

2.4   边坡变形破坏机制及发展趋势

岩质边坡的变形及发展趋势决定于边坡的岩体结构特征及外部因素.银山露天采场现有边坡属于过渡边坡，目前正在逐步推进扩帮扩产，掌握边坡的变形发展趋势至关重要.在扩帮过程中，上部破碎带由于首先被开挖掉，可能发生局部垮塌，但对整个边坡稳定性的影响不是很大，因此弄清楚破碎带的分布范围至关重要.

边坡中下部千枚岩发育的片理倾向总体指向坡外，坡体开挖后，台阶坡面的倾角约80°，坡面较陡，坡面发生卸荷回弹明显，靠近坡面的千枚岩片理面被拉裂，产生明显裂隙(见图 4(a)).陡倾的台阶坡体，在自重产生的弯矩作用下，由前缘开始向临空面作悬臂梁弯曲，并逐步向坡内发展^[5].边坡千枚岩强度较低，片理密集发育，属于薄而脆的“板梁”结构.坡体形成后，板梁在卸荷作用下发生弯曲，当弯曲产生的作用力超过千枚岩强度时，则发生折断破坏.在千枚岩发生弯曲变形的过程中，水的作用最不容忽视，调查表明，该边坡发生的类似变形破坏多在降雨过程中或过后.总体上，矿区水文地质条件简单，境界内主要分布变质岩系及火成岩系，从水文钻孔资料来看，岩石的含水性及透水性较弱，因此地下水对未来矿床开采影响不大.但银山位于江南多雨地区，降雨强度大，雨季时间长，大气降雨是影响坡体稳定的主要因素之一.降雨发生后，雨水渗入边坡岩体中，一方面降低了千枚岩的强度，另一方面渗入片理中产生浸润作用，从而加大了板梁的弯曲力(见图 4(b)).随着板梁弯曲不断向坡体内部推进，则可能在最大弯折带形成倾向坡外的断断续续的拉裂面，当拉裂面不足以抵抗岩体的下滑力时，则可能发生蠕滑—拉裂破坏，从而形成滑坡(见图 4(c)).

图  4  边坡的弯曲折断破坏过程示意图

下载: 全尺寸图片 幻灯片

该露天采矿边坡由6个台阶组成，边坡整体稳定受着采矿最终边坡角，即边坡的总体坡角控制.由于各级台阶的坡面倾角远大于边坡的总体坡角，综合以上分析，边坡在各级台阶发生岩体破坏的可能性要明显大于边坡的总体破坏.目前在坡体内未发现控制整个边坡稳定性的大型结构面存在，因此，该边坡发生整体破坏的条件是存在贯通的拉裂面，只有当多个台阶的拉裂面彼此连接时，才可能发生大规模的坡体滑移.

3   结论及防治建议

(1) 银山露天采场高密集千枚岩边坡的主要变形模式包括3种：楔体破坏、弯曲—折断和局部垮塌.

(2) 边坡开挖后，可能在岩体内部形成倾向坡外的断断续续的拉裂面，坡体的破坏形式可由坡面及坡缘附近的弯折—折断向蠕滑—拉裂转化.在开采过程中，对边坡位移进行实时监测是防治类似破坏的必要手段.

(3) 大气降雨是边坡破坏的最主要的外在影响因素，边坡需要做好拦截和排放降雨的辅助工程，减少雨水进入坡体内部.在整个降雨过程中，须加大对边坡位移的监控力度.

(4) 边坡在各级台阶发生岩体破坏的可能性要明显大于边坡的总体破坏，只有当多个台阶的拉裂面彼此连接时，才可能发生大规模的坡体滑移.对岩体相对较破碎的地段，要及时清理，避免突然垮塌造成工程事故.