金川露天矿边坡变形机制及过程_王思敬

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1、第?卷第?期?年?月岩 土工程 学报? ?且。? ? ? ? ? ? ? ? ?,?,? ? 金川露天矿边坡变形机制及过程王思敬?中国科学院地质研究所,北京?提要本文介绍 了金川露天矿边坡滑动一倾倒复合变形实例,它是在两种机制共同作用下发生的。岩体条块状碎裂结构对变形机制和发展过程起了控制 作用。岩体结构的变形特性基木?符合蠕变三阶段发展规律,变形和时 间呈幂函数曲线关系。岩 体变形在本质上主要是其断层蠕变和结构面的剪切和开裂。岩体蠕变特性是岩体结构效应和时间效应的综合体现。引言岩体变 形机制及共发展过程,尤其是 时间效应 的研究对于评价岩体稳定性是十分重要的。本文将介绍金 川露天矿边坡滑 动

2、一倾倒复合变形 的实例,它是受滑动和倾倒两 种机制联合 作用 发生的。岩体结构蠕变特性在边坡变形中起了重要的作用。对这些问题的认 识将有助 于岩体变形预测理论和方法的发展。一、岩体结构和变形特征岩体结构要素包括结构面 和 由结构面切 割岩体而形成的结构体。贯穿性软弱结构面对岩体变形往往起着主导的作用。它们 的特性及在边坡 上分布和组 合 的特征将决定边坡的稳定性及可能的变形机制。金川露天矿?区的岩体变形说明 了这种规律性。金川矿是侵 人到前震旦纪变质岩系中的超基性岩,围岩为混合岩、片岩、大理岩等?图?。岩层走向与露天矿 长边 坡平行。受多次构造运动影响,发育多组断裂,岩石破碎,其中一组迭瓦式断

3、 层,如?,?。等与边坡平行。层面及接触面也是显著的软弱结构面。它们 的切割使岩体具条块状碎裂结构?图?剖面?。在开采期间产生了局部边坡 的变形,工区?图?、图?就是一个典型。?嘴一 尹图?地质示意图?混 合岩?大理岩? ?片 岩?超基性岩?断层?碎 裂 花岗岩? ?变形体第?期金川露夭矿 边坡变形机制及过程“舀?。,? ? 袭“口?军口?粼一沂 几寨、,拟乙黑 扮嗜彬打图?边坡变形体地质 剖面图万?角闪岩脉?其余同 图?。由图可见,矿体上盘边坡条块状结构体是插 向山里 的,因此不存在顺层滑 动 的条件。但是,恰好这里在边坡上部有近东西向断层和北东断裂组合,其交线倾向矿坑,而且边坡上部片岩也是

4、倾 向矿坑的。岩体的这种结构造成上部边坡有向矿坑滑移的趋势,但受到边坡中下部条块体的阻挡。在滑动推力作用下条块体中产生扭动力,当它克服 了倾倒阻力后,便产生了滑动倾倒的复合变形。它的主要特征如下?变形体边界变形体边界呈多边形,可分为滑动 区和倾倒区?包括牵弓?区、主滑区、第一和第二 倾 倒区,见图?。滑动区边界受断裂组合控制,而倾倒区边界两侧参差不齐,前缘突 出,向东侧倾斜。?裂隙错动边坡上 出现一系列一与开挖面平行的裂隙,且大多数是沿着断层发育的。按错动特征可分为两类?张扭性裂隙它们主要在边坡上部的滑动区发育?图?,?一?至?一?,倾向矿坑,裂隙张开,宽?,矿坑一盘下降?图?。?压扭性裂隙它

5、们在边坡下部倾倒区发育?图?、?一?至?一?、倾向山里、山里盘下降,形成反坡向陡坎,高达?图?。裂隙面上产生明显的擦痕和槽沟。弓?平台倾斜月?边坡裂隙的分布?断层组合交线?一?一卜?裂隙,?及奉引滑动 如图?、?所示,开采平台产生倾斜,坡区?烧主 滑 区? ?第一倾倒区,几第二倾倒区上部平台向山里倾斜,而坡下部向矿坑倾斜,达?“?。,伴生垂直边坡面的张裂隙及坡面崩塌。?。位移矢量倾向 图?为? ? 年?月期间位移速率曲线及各点位移矢量倾向。滑动区岩体位移方向在南侧为北?“东、在西侧为北? ?“东,和岩体中断裂组合交线的倾向极为一致,说 明滑动受断岩上工程学报? ?裂的控制。在倾倒区岩体位移方向

6、为北? ?“东,比较统 一,垂直于岩层走向,和条块体倾倒应取的方向符合。变形机制和控制条件的 不 同造成岩体位移方向的转折。位移速年比例屯里立缪胡 用刀?一厂?厂、乙, 协、 、 口?丫一图?边坡裂隙错动和平台倾 倒图?位移速率等值线及位移方向?位移矢量的倾角边坡岩体位移的水平分量大都大于垂直分量。牵引滑动区位移矢量倾角为?”一? ?“,主滑动 区位移矢量倾角为? ?。,和该处断层组合交线的倾角?“及? ?。颇为一致。倾倒区各点位移矢量接近平行,倾角为?“?。 ,个别点达到? ?“,和岩 层倾倒? ?“? ?。的矢量很接近。上述变形特征说明,边坡变形具复合机制。这种变形是在边坡上部滑动、下部扭

7、动的作用过程中发展的。二、变形发展过程根据边坡裂隙发 生过程及长期观测可分为四个阶段?上部滑移变形?年建矿大爆破产生 了四条长? ? ! ?裂隙,到? ? ?年连通扩展并构成主滑区的边界裂隙,张开达?,矿坑一盘 沉降。?。年边坡开挖使断层?梦 暴露,它的 压缩及地应力释放导致裂隙的进一步拉开 和延伸。岩体沿片理及断层组合交线下滑的趋势,变成向下的推力?图?。?第一次滑动一倾倒变形? ? 年到?年期间,边坡向下 开挖三个台阶,断层尸全 以下直到断层?有一系列图?边 坡变形过程的发展阶段倾向山里 的断层均在边坡出露?图?。它 们 的压缩使上部滑动体产生相当的滑移蠕变,同时沿向山里 倾的 断层产 生

8、上盘?山里盘?向下剪切蠕变。随着蠕变,断层强度降低,断层?言至?。之间条块体抗扭动性能也随之降低。至? ? 年下半年达到 蠕变破坏阶段,条块体岩层向矿坑方 向倾倒、产生巨大位移?图?。边坡出现的第一 次倾 倒,平台 向矿坑倾斜达? ?“左右。除已提到的 因素外,? ? !年?月连续大雨和 坡底平台大规模爆破也促进了变形的加快发展。在这次加速变形后自? ?年初又恢复变形的稳定发展。第?期金川露天矿边坡变形机制 及过程?三幸二军升一一井澎莽乙二二一一一?一? 尸一? 一? ? 炭, 宁一? 产?夕?夕护?,了了夕? 李,夕 又,夕乃?夕?辛时间图?边坡位移 曲线?水平位移?铅直位移?第二次滑动和倾

9、倒变形? ?年以后至? ? ?年又开挖了两个台阶,临空面切割很深。? ? 年形成的牵引滑动区及主滑区的推力经第一次倾倒区传递到断层?以下岩体,引起新的断层蠕变,并于? ? ?年中再次出现变形高峰。第一次倾倒区进一步倒塌,第二次倾倒体形成,平台倾倒最大达? ?。,伴随局部的崩塌?图?“?。?。滑动崩 塌滑动及倾倒岩体由于松动和破碎,风化更快,成为碎块结构,不断产生崩塌及局部的滑动、滚动和 台阶破 坏。上述变形过程说明变形的发 展和边坡开挖进展阶段有关,并且和岩体变形的时间效应有密切联系。三、岩体变形的时间效应?岩体结构对蠕变特性的影响在荷载作用下岩体随时间不断变形的特性决定着岩体变形的时间进程。

10、在这个过程中不仅累积变形 不断增加,强度也在不断降低,以 至发生蠕变破坏。这就是岩体变形的时间效应。在时间依赖性的变形中体岩结构的作用很鲜明。岩体的蠕变在本质上是结构蠕变,不是均质蠕变。岩体中某一结构单元、或某一方向上蠕变速率过大,甚至可能达到蠕变破坏阶段,但受岩体整体结构的 约束,变形速率可能再度恢复到稳定蠕变状态。然而,随着局部的蠕变,周围岩体结构受力增加,破坏范围逐渐扩大,到一定阶段将导致再次蠕变破坏。图?所示岩体变形曲线中阶跃式特征就是局部蠕变和整体变形的相互制约和协调的结果。?岩土工程学报?、,?勺?了沙乙?冲?、?了,尹泞? 七卜尸砚?月?月毛月?、 ? ? ,? ?月吕试?才?夕

11、?朽居 。门声黔只邻侧市突图?所示为岩体断层的相对 位 移 曲线,它 和图?中边坡整体变形曲线 同样有阶跃性。实际上岩体的蠕变首先取决于软弱结构面的特性。岩体整体位移在数量上和岩体十余条断层相对位移的总量很接近。因此,可以认 为岩体中软弱结构面的滑动位移、和岩体中结构的松弛 开裂构成了边坡的总变 形量。?蠕变规律金川观测资料分析说 明,不论 岩体的整体变形,还是断层滑动变形都符合蠕变三 阶段的规律。初始蠕变阶段变形速率随时间进展而下降?稳定蠕变阶段变形速率是常数?最后为蠕变破坏阶段,变形速率将随时间进 展而迅速增加,产 生进展破坏。初始蠕变的规律可以从边界 条件变化引起阶跃后变 形速率恢复到稳

12、 定变形状态的过程中得到。对比幂数曲线、指数曲线及对数曲线后发现,幂数曲线 能 够很好地 逼近初始蠕变曲线?图?,即?,?刀?沙?气、?兮,?仔 乙?一?川? ?川 ?叫? ?招门?叫?月?刻?阳夕?葬级茸斗建一? 一一书禹二李共一一一?了之了才?石?吕 ?邝刀伦矛? ?沼? ? 口宁刀, ?咫了?多?月? 夕 ?了图?犷,?午时伺沿断层?的相对滑动位移?厂? 。?了?了了 丫? ? 扔劫筋朽粼戈裸恤?右卜?娜刹式中?初始减速蠕变位移?或相 应的剪 切蠕变位移,? ?时间,单位?月?、?,常数,共中?,?一?。用指数曲线也 能大致 上逼近,但 在?较小 的时候,与观测资料相比,有较大的 误差。

13、可用表达式?一。?一刀?式中?、刀常数,且母?一? ?。稳定的等速蠕变在观测资料中很显著,往往一种稳定蠕变速率保持半年或一年多,位移相对时间成正比增加,即?才,?式中?稳定蠕变位移?或断 层的滑 动位移?时间,单位?常数?一?,滋?尹凡?时河?“自然矛?数,图?边坡的初始 减速位 移?。侧点?。侧点? ?,?,? ? ?位移速率?或断 层的滑 动位移速率?,二 m/d。蠕变破坏是蠕变长期发 展、变形积累造成进展破坏时出现 的。观测 资料大部分显示幂数曲线形式的加速蠕变规律,即万。= S:t+过;t石。(4)第1期金川露天矿边 坡变形机制及过程81或53=A3户3式中53破坏蠕变位移,单位m m

14、;A3、 B3常数,且B:=2.5一2.7。图10、n为岩体位移和 断层剪切 位移在蠕变破坏 阶段与时间的关系。川傲城二泌划佑一玛热训./人厂!。.沪儿产一 、,犷2乃滋二0 0八口. 口/声z.。/ / 八翻贾嫉钡又民翁喇一附一礼双l曰. e se sle s.lw el. l . . . . J,.e e!占 夕7 声浮二对河,、匀 然,污z刀亡图10边坡的加速蠕变位移(19了 6.2一10) 1.测点311,51 2(犷为2.测点I一4(犷),3.测点324(U);4.测点311,312(U为5.测点I一4 (U)用间,、朽然习翻图 n沿断层的加速滑动位移(1976.510 )概括起来看

15、金川I区岩体和断层的蠕变位移规律是一致的,它们 的全过程与时间呈幂数曲线关系,即S二Ht刀公,(i二1, 2, 3)(5)式中卫、B:一一常数,刀,=讯遂一0.5,B:=1.0, B3=2.卜2.7。各阶段 岩 体和断层 蠕 变参数 列 于表1,表2。它说明断 层蠕变,以及反映在岩体的整体位移基础上蠕变三阶段,从初始 蠕变一直 到进展破坏的发 展过程。坏1975Ssmax咨表1边玻岩体蟠变参数19了艺一19了7 ) 万几级 二2; ;3 3。31“15 “00 1“。0 9 1221“6“0 2538了。33 2 3 (。)8 1 2。1。465。“0;0O6722,。1 0 0。0. 八UB一。321(U)323(厂 ) 32 4(U )33 0.3 0.40,50 00一0.009110.3 13 7产O八U. 7一 . 61.一,上 0 .一0 .6一I一4 丁I一4(厂)(U)。8: 14, .2,:94。090。0注:位 移一一mm,时 间一一d,S。二一最 大 变形 速 率, mm/d。表2岩