（地质工程专业论文）震动作用下复合边坡动力响应分析.pdf

摘要 研究区位于陕西省华县金堆镇，由于露天矿开挖的不断进行，形成了一种由 下部开挖形成的岩质边坡和上部人工堆渣组合的特殊的复合型边坡。目前北部堆 积松散层已经发生了大范围的变形，在坡顶形成了一系列的张拉裂缝，局部产生 了滑塌和破坏。而这种边坡的稳定性在很大程度上受生产爆破及靠帮爆破的影 响，因此这种边坡处于爆破环境下，其动力效应到底如何? 对于此类问题的研究 是具有十分重要的现实和参考意义。 本文通过研究金堆城露天矿的复合高边坡的动力响应，首先介绍了研究区的 工程地质条件，然后分析了复合高边坡稳定性的影响因素和破坏形式，最后，利 用爆破震动测试结果和有限元软件m s c m a r c 进行数值模拟分析。考虑不同工 况，本文模拟了三种工况下边坡的动力响应。通过有限元软件模拟计算，得到了 复合型边坡的动力反应规律如下： ( 1 ) 坡体的震动效应受震动波的周期影响较大，当震动波的周期接近或等 于坡体自身的卓越周期时，坡体震动效应最明显。据此，也能够近似算出坡体不 同工况下的卓越周期。震动持续时间对于动力放大效应无明显的影响。 ( 2 ) 同一种材料中，沿坡面向内同高程下，加速度放大效应依次减弱。而 沿坡面向上，随高程的增大，加速度放大倍数逐渐增大。 ( 3 ) 在人工堆渣与破碎岩体接触带上，加速度的放大效应要明显高于两侧 点的加速度放大效应。说明在两种材料耦合作用下，对震动的动力响应非常明显。 ( 4 ) 开挖深度1 3 0 m 时，随着上部荷载的增加，边坡的动力响应随之明显。 关键字：复合高边坡，爆破震动，动力响应，卓越周期 a b s t r a c t t h ei n v e s t i g a t i o nr e g i o ni sl o c a t e di ns h a a n x ip r o v i n c eh u ac o u n t yj i n d u i t o w n a st h eo p e n c a s ti sd u r a t i v e ，ac o m p o u n dr o c ks l o p ei sf o r m e di nt h e r e t h es l o p e h a st h em a n p o w e rc a s t o f fi nu p p e rp a r ta n dt h er o c ks i d es l o p ei nt h el o w e rp a r t a t p r e s e n tt h en o r t hp a r to fs l o p eh a st h eb i gr a n g ed e f o r m a t i o n ，a n di nt h et o po ft h e s l o p eh a v i n g v a r y i n gc o l l a p s e 、r u p t u r ea n de r o d e t h es t a b i l i t yo ft h es l o p ei s i n f l u e n c e dt oag r e a te x t e n tb yt h eb l a s t i n ga g a i n s ts l o p e i ft h es l o p ei su n d e rt h e b l a s t i n gv i b r a t i o ns i t u a t i o n ，h o wt h ed y n a m i cr e s p o n s ea r e ? i ti so fg r e a ts i g n i f i c a t i o n a n dr e f e r e n c ev a l u et or e s e a r c hs u c hs i m i l a rp r o b l e m s a tf i r s t ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c et h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o nb ys e a r c ht h ed y n a m i c r e s p o n s eo ft h ej i n d u io p e n c a s t t h e nt h ei n d e p t hr e s e a r c ho ft h ei n f l u e n c ef a c t o r a b o u tt h es t a b i l i t ya n dt h ef a i l u r em e c h a n i s mo ft h ec o m p o u n d s l o p ei sm a d eo nt h i s b a s i s f i n a l l y , t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i si sc a r r i e do u tb a s e do nt h er e s u l to f b l a s t i n g v i b r a t i o nt e s ta n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o ds o f t w a r e m s c m a r c c o n s i d e r i n gt h e r ea r ed i f f e r e n tl o a d c a s e s ，t h i sa r t i c l es i m u l a t e dt h ed y n a m i cr e s p o n s e s u n d e rt h r e el o a d c a s e s b yu s i n gt h ef i n i t em e t h o ds o f t w a r et os i m u l a t ea n dc a l c u l a t e ， t h ed y n a m i cr e s p o n s eo r d e r l i n e s so ft h ec o m p o u n ds l o p ea r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ev i b r a t i o ne f f e c t so ft h es l o p ea r ei n f l u e n c e db a d l yb yt h ep e r i o do ft h e b l a s t i n gs e i s m i cw a v e s i ft h ep e r i o do ft h eb l a s t i n gs e i s m i ca r ec l o s e l yt ot h en a t u r a l p e r i o do ft h es l o p e ，t h ev i b r a t i o ne f f e c t so ft h es l o p ea r eo b v i o u s l yt h en a t u r a l p e r i o d so fs l o p e su n d e rd i f f e r e n tl o a d c a s e sc a n b ec a c u l a t e dr o u g h l yt h es u s t a i n e d t i m eo ft h ev i b r a t i o nh a sn oo b v i o u se f f e c tt ot h ev i b r a t i o ne f f e c t ( 2 ) t h em a g n i f i e de f f e c to ft h ea c c e l e r a t i o ns h o u l db ew e a kw h e na l o n gt h e s a m ea l t i t u d ei nt h es a m em a t e r i a l t h ea c c e l e r a t i o nc a nb em a g n i f i e dm o r ea st h e a l t i t u d ei n c r e a s e d ( 3 ) t h em a g n i f i e de f f e c to fa c c e l e r a t i o ni nc o n t a c ta r e a so ft h ec a s t o f fa n dt h e r o c ki sb i g g e rt h a nt h a ti ne i t h e rm a t e r i a l s i ta l s or e f l e c t st h a tt h ed y n a m i cr e s p o n s ei s o b v i o u sb yt h ec o u p l i n go ft w om a t e r i a l s i i ( 4 ) t h ed y n a m i cr e s p o n s eb e c o m eo b v i o u s l ya st h et o pl o a d so ft h es l o p e i n c r e a s e d k e yw o r d s ：c o m p o u n dr o c ks l o p e ；b l a s t i n gv i b r a t i o n ；d y n a m i cr e s p o n s e ； n a t u r a l p e r i o d i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 论文知识产权权属声明 年月 日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名：黾书矗 年月日 年月日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 研究区位于陕西省华县金堆镇，由于露天矿开挖的不断进行，形成了一种由 下部开挖形成的岩质边坡和上部人工堆渣组合的特殊的复合型边坡。该边坡是否 稳定，将直接影响到露天矿的安全生产。目前北部堆积松散层边坡已经发生了大 范围的变形，形成了一系列的拉张裂缝，局部甚至产生了滑塌和破坏。而且由于 该矿仍然在开采，生产爆破时一次使用的总药量9 0 0 0 k g 左右，其产生的动力影 响不能忽视。目前在现有开挖深度下，上部堆载还将增加。根据该矿未来的开采 规划，未来开采深度将达到4 5 0 m 。在动力作用下复合边坡的稳定性是否会受到 影响、随着边坡开挖的不断加深和上部堆载的增加，其影响规律又将如何，这些 都是本文需要研究的问题。 1 2 动力作用特点和边坡在震动作用下稳定性研究历史及现状 由于静荷载和动荷载的不同特点，边坡在动力荷载作用下其变形和破坏形式 是不同的。首先表现在动力作用的累积效应【1 】【2 】，通常在一次震动作用下边坡可 能处于稳定状态，但随着震动次数的增加，震动在边坡中产生水平和竖向动应力 在边坡内部沿着潜在滑裂面产生动正应力和动剪应力，并反复叠加，当动剪应力 超过抗剪应力时可能促使边坡岩体中的裂缝不断加长、贯通、并最终形成一连续 的破坏面；其次，爆破地震波使边坡岩体产生松动破裂，在边坡岩体处于极限平 衡状态下，一旦爆破药量过大，可能诱发边坡岩体失稳，造成边坡滑动破坏【3 】。 最早研究边坡动力问题的领域是土力学领域【4 】，当时采用的方法是拟静力 法，这种方法假定土体为刚性体。后来，m o n o n o b eha 等认识到坝体是变形体， 从变形体的角度研究了土质边坡的动力反应，并第一次提出了剪切楔法的模型， 开创了剪切楔法分析边坡地震反应分析的先河。后来的很多学者对一维剪切楔法 进行了改进，把剪切楔法推广到了二维、三维的情形下。我国学者徐志英等发展 了基于黏弹性本构关系的动力有限单元法。黄建梁等借用s a r m a 法，进行了地震 稳定性的动态理论分析，在文中推导了同时考虑水平和铅直地震动的坡体临界加 速度计算公式，采用条分技术针对任意形态的坡体建立了根据水平和铅直地震加 第一章绪论 速度时程估计坡体失稳的加速度、速度和位移时程的方法。而我国学者王思敬较 早的研究了岩体边坡的动力问题，并建立了边坡块体运动的动力微分方程，通过 数值积分求得块体滑动的动力学特征，即块体运动加速度和块体相对基岩的运动 加速度、运动速度和位移曲线。王存玉在二滩拱坝动力模型试验中发现，岩石边 坡对地震加速度不仅存在铅直向的放大作用，还存在水平向的放大作用。目前， 由于计算机技术的巨大发展，多种数值模拟技术应运而生并成功用于动力分析。 而有限单元法不但能够应用于总应力法，还是有效应力法的基础，可以考虑复杂 地形、岩土体的非线性、非均质性、弹塑性的因素的影响，能够深入分析岩土体 的自振特性及岩土体各部分的动力反应【5 】【6 】。因此有限单元法已经成为岩土体动 力分析中最重要的分析方法【7 1 。 1 3 本文的研究内容 结合前人的研究经验和方法，本文采用m s c m a r c 软件，通过施加给质点水 平方向上的震动加速度来模拟震动荷载，来对该复合高边坡动力稳定性进行研 究，主要的研究内容有： ( 1 ) 对爆破震动作用下边坡稳定的影响因素和破坏形式进行分析； ( 2 ) 通过m s c m a r c 数值模拟，分析爆破震动作用下边坡的稳定性及动力 响应特征。 ( 3 ) 通过m s c m a r c 数值模拟，分析破碎岩体与人工堆渣复合高边坡的耦 合作用下的动力响应特征。 2 长安人学硕士学位论文 第二章研究区的工程地质条件 2 1 研究区自然地理概况与气候 金堆城矿区位于东秦岭山系的南缘，行政区划隶属陕西省华县南部的金堆 镇。区内总的地势呈北高南低，西高东低的特点，海拔最高点为西北分水岭，标 高2 0 3 0 , - , 2 0 7 7 m ，最低点为东川河，标高1 1 4 8 9 m ，相对高差达9 0 0 m 。 研究区属亚热带湿润气候与大陆性气候过渡带，具有高山气候特征。区内气 候四季分明，夏季闷热，冬季寒冷，早晚温差较大。该区多年平均气温8 8 ， 以7 月份气温最高，多年平均气温2 0 2 ；1 月份气温最低，多年平均气温2 7 。 多年极端最高气温3 4 2 ( 1 9 9 8 年9 月) ，极端最低气温1 8 8 ( 1 9 9 1 年1 2 月) 。 区内多年平均降水量8 4 9 9 m m ，最大月平均降水量为8 月份，达1 6 4 8 m m ，最小 月平均降水量为1 2 月和1 月，均为9 2 m m ；降水主要集中在7 - 9 月，多以暴雨 为主，此三个月的降水量占全年的5 1 3 8 。 2 2 地形地貌条件 研究区位于东秦岭山系南缘中高山区，地貌成因类型可分为构造侵蚀地貌、 构造剥蚀地貌、流水地貌、及人工堆积地貌。构造侵蚀地貌主要表现为区内峰恋 重叠，地势陡峻，地形切割剧烈，沟谷发育等地形特征；而构造剥蚀地貌表现为 区内有三级夷平面。最高一级由标高1 5 7 7 m 的一系列山头组成，岩性主要为黑 云母安山玢岩、花岗岩、石英岩；其余两级标高分别在1 3 0 0 1 3 5 0 m 和 1 2 5 0 1 2 8 0 m 。后两级夷平面上常有漂卵石等河流相堆积物存在( 主要为花岗岩 块、卵石、砾石及粗沙) ，其下则多为安山玢岩的基岩。 研究区人工堆积地貌类型连续分布的主要有两处，一处为南牛坡排废场，另 一为北沟排废场。目前两排废场均有两个以上台阶，由于堆积物粒度差异，致使 两排废场的斜坡坡度也有差别。在南牛坡排废场堆积物的粒度粗，台阶间的斜坡 坡度般约3 6 5 0 ；在北沟排废场堆积物相对较细，台阶间的斜坡坡度一般在3 5 0 左右。 在南牛坡排废场，第一台阶的标高一般在1 2 1 6 1 2 4 9 m 之间；第二台阶标高 1 2 8 4 - - 1 3 0 8 m ，高出第一台阶4 0 - 8 0 m ，其顶面并非一次堆积形成，而是几个次一 第二章研究区的工程地质条件 级的小台阶。另外由边缘向里断续有平行斜坡方向的一系列裂缝存在，靠近边缘 5 1 0 m 的范围内出现了局部的下错现象，下错距2 0 7 0 c m ；目前，二级台阶的斜 坡虽有冲沟发育，但规模及数量均不及第一台阶；第三台阶目前正在堆积之中， 范围相对较小，顶部标高达1 3 2 2 m 。其底部距二级台阶的边缘尚远，没有裂缝产 生。 北沟排废场的第一台阶标高在1 2 7 7 1 3 0 5 m 之间，坡高7 5 m 左右，台面宽度 大于1 2 m ，在排土场与露天矿相邻侧的台阶阶面上，靠近边缘2 m 范围内有一系 列断续分布的裂缝，距边缘最远的裂缝距离近1 0 m 。 北沟排废场第一台阶的临空面，其突出的特点是坡面冲沟规模较大，数量较 多，而且坡面冲沟局部已在斜坡的中下部相交而构成冲沟网。如迎露天矿的斜坡 西侧中部斜坡。在这些冲沟中，有的延伸到顶面平台1 0 m ，最大宽度近1 0 m ，切 割深度铅直方向约5 m ，冲沟壁面陡立，坡度约7 0 0 ，使进一步的坍塌加宽具有 了条件。 由于冲沟的发育，在这些斜坡的坡脚地带形成规模不等的坡积裙。在靠近露 天矿一侧，其西侧冲沟网下的坡积物向前延伸约5 0 m 。 北沟排废场的二级台阶标高在1 3 0 0 , - , 1 3 1 5 m 之间，高出一级台阶约1 0 - - , 2 0 m 。 该排废场二级台阶除北侧大部分与山体直接接触外，其余三面临空。二级台阶顶 面平坦开阔，但在向其南侧、西侧及西北侧的顶面附近都有一些裂缝存在。在南 侧，除台阶边缘5 m 范围内有较多裂缝外，最里边的一条裂缝距台阶边缘1 7 m ， 呈东西方向延伸，时断时续，局部下错约2 0 c m 。与一级台阶下的斜坡比较，二 级台阶上的冲沟均很少，没有明显的坡积物存在。 三级台阶现范围还小，其形成的斜坡由于现正在堆积而不断掩埋，斜坡尚未 出现细沟及冲沟，其顶面标高在1 3 3 3 m 左右。 2 3 地质构造 研究区在大地构造单元上为秦岭地轴北缘的寒武震旦纪凹陷地带内，经长 期的地壳运动及岩浆活动，形成了各种褶皱和断裂构造。区内大的构造主要为近 东西向的金堆城黄龙铺背斜及其派生的两翼断裂束；北东向的构造主要表现为 两期构造活动，早期形成n e 向褶皱构造，晚期形成n e e 、n w w 和n n e 向断 裂构造。研究区内的主要褶皱为金堆城一黄龙铺背斜，该背斜为一走向近东西向 4 长安大学硕士学位论文 的复式舒缓褶皱，褶皱轴面近于直立，两翼基本对称，两翼发育有次级平行褶皱。 研究区位于该背斜的倾没端。研究区内的断裂比较发育，他们在成矿前后具有明 显的复活和叠加改造现象，走向主要有近东西向、北东向和北西向。近东西向断 裂的形成基本上与区域褶皱相伴随，北东向断裂为后期另一次构造形成，是矿区 内最主要的构造，它形成了一柔错破碎带，直接控制了矿体的形成及岩浆岩的侵 入。 2 4 地层岩性 该尾矿坝的初期坝体均由块石碎石组成。坝基由板岩组成，堆积坝由各类尾 矿砂土组成。本区出露的地层新老截然分开，老地层基本为元古界变质岩系，而 新地层为第四系松散堆积物，中间缺失古生界、中生界及新生界第三系地层。另 外有部分岩浆岩分布。下面主要将北沟排废场有关第四系地层作以较详细的叙 述。 2 4 1 全新统( q ) 1 全新统人工堆积( q 4 咖) 主要由碎石、块石组成。堆积物棱角突出，大小混杂，最大粒径超过1 米， 一般以数厘米到十多厘米居多。其粒径在垂直剖面上具有明显的变化规律，一般 上部粒度细小下部较大，由于废石堆积时分几个台阶堆积，台阶高差多在3 0 余 米以上，故这种变化在每一台阶内都有。现堆积最大厚度已达1 3 0 多米，分三 个台阶，故这种变化也呈现三个韵律。该人工堆积地层是本次研究的主要地层。 2 全新统冲洪积层( q 4 a l 叫) 成份上以碎石夹土组成，厚度较小，一般仅数米，与下伏基岩成角度不整合 接触。 2 4 2 上更新统( q 。) 岩性主要为碎石土，分选性差，有一定的磨圆度，厚度约5 - 8 米。与下伏 基岩成角度不整合接触。 2 4 - 3 中更新统( q 。) 1 中更新统上部冲洪积层( q 2 2 a l + p 1 ) 在北沟前有少量的中更新统纺洪积层分布，其岩性为上部较多粉土，含有碎 石，下部则为碎石土。 2 中更新统下部洪积层( q 2 i p l ) 第二章研究区的工程地质条件 岩性以漂卵石为主，漂卵石多为花岗岩成份，分选性差，大小混杂，磨圆度 中等，多次圆状。本层厚度约2 0 3 0 m 。中更新统下部地层与下伏的基岩地层呈 角度不整合接触。 2 4 4 前第四系地层 本区前第四系地层主要为下震旦系熊耳群( s n l ) 和中震旦系蓟县系高山河 组( s n 2 ) 变质岩。出露于排土场周边的山坡及山脊上，熊耳群主要有黑云母安 山玢岩、黑云母角闪片岩、板岩、凝灰质板岩，有时夹有大理岩。在蓟县系高山 河组中有石英岩、含砂凝灰质板岩、砂质板岩、千枚状砂质板岩等。 区内除上述各种变质岩外，尚分布有不同时期的岩浆岩。岩浆岩有早加里东 期辉绿岩、中生代燕山期花岗岩以及晚燕山期的花岗斑岩。层状辉绿岩侵入于熊 耳群及高山河组地层中，脉状者多沿东西向断裂出露。 2 5 水文地质条件 2 5 1 地下水的类型 研究区地下水主要分两类，一类为基岩裂隙水，另一类为松散堆积物孔隙水。 这两类地下水从其性质上分上层滞水、潜水和承压水三种。 2 5 2 地下水的补给 研究区地下水的补给源主要大气降水。由于研究区属新构造运动上升区，一 般水流不能补给天然堆积的地层，故地表水的补给很少。 大气降水补给是区内地下水最为主要的补给来源，其补给的方式均为入渗形 式。影响大气降水入渗补给的因素较多，区内虽然年降水量较大，达8 4 9 9 m m ， 但降水多以暴雨形成出现，在降水量中，7 - 9 月份占到全年降水量的5 1 3 8 ，这 种暴雨及集中的降水不利于入渗补给。 由于人工堆积多为碎、块石，一般情况下渗透性非常好，加之各级台面地形 平坦，不利于形成降水的坡面径流，因此是区内大气降水对地下水补给最好的地 段。在台面上各处的渗透性差异很大，在经反复碾压的地方，透水性明显降低。 在做容重试验时，其台面上局部地方甚至在降水后长达四天的时间内仍有地表积 水。综观废石堆积层，其大气降水的入渗系数可达7 0 以上。 2 5 3 地下水的排泄 研究区内由于地形切割较大，地下水的排泄条件总体较好。地下水的排泄方 6 长安大学硕上学位论文 式主要为泄流排泄，径流排泄、另外即为以泉的形式排泄，人工排泄仅出现在露 天矿矿坑内及其的北部上方。 研究区内四级阶地和三级阶地中地下水主要以泉的形式排泄。由于河流切割 较深，而这些地貌单元的基座又多出露，故地下水多以接触泉的形式排泄。 此区年降水量较大，气候较为湿润，另外可蒸发排泄区的漫滩范围很小，故 蒸发排泄量不大。 2 6 新构造运动与地震活动性 2 6 1 新构造运动 研究区新构造运动的一个明显特点，就是对老构造运动的继承性。一方面表 现在新构造运动继承燕山晚期以来形成的隆起区和凹陷区的升降运动；另一方面 表现在早期形成的断裂的继承性活动。同时，研究区受新构造运动的影响，断裂 带具有强烈的地貌对照性。新构造运动使得断裂两盘整体下降，但一盘相对于另 一盘下降幅度大、速率快，而且活动断裂活动普遍具扭性。 2 6 2 地震活动性 研究区历史上为强震频发的地区之一，其中以1 5 5 6 年华县8 级地震闻名于 世界。近年来，地震活动水平较低。根据中国地震烈度区划图，研究区位于地震 6 度区。本区位于西海固地震带的东南端，由于该带的活动期大释放阶段已经过 去，未来一段时间的地震活动可能会维持在一个中等火相对较低的水平。 7 第三章复合高边坡稳定性的影响因素和破坏形式 第三章复合高边坡稳定性的影响因素和破坏形式 3 1 影响复合高边坡稳定性的因素 影响边坡稳定性的因素有很多，总的来说分为地质因素和非地质因素两类， 前者是滑坡发生的地质基础或物质基础条件，后者则为滑坡发生提供t j l 动力因 素或触发条件【8 1 。地质因素主要包括地形地貌条件、岩性与岩体结构特性、地下 水的影响等。非地质因素在研究区主要是人工活动的影响。 3 1 1 地形地貌条件影响 边坡失稳是地形地貌演变过程中的一种表现形式，是斜坡变形发生的基础。 斜坡的临空条件、高度、长度、坡度以及平面形态都决定和影响着斜坡内应力的 分布状况和稳定性【9 1 。有效临空面为边坡的变形、破坏和运动提供了空间。斜坡 的坡度决定了抗滑力和下滑力之间的平衡，而斜坡的高度则决定了坡体的有效临 空面积，两者相互作用还决定着边坡变形破坏的速度。研究区地貌单元属于典型 的人工堆积地貌，由于采矿开挖削坡形成了高陡边坡，从而在各台阶处形成了两 处甚至三处的临空面，加剧起边坡失稳。而且由于人工开挖的边坡开挖深度达到 了1 3 0 m ，如此高度的边坡也加剧了边坡变形破坏。 3 1 2 岩性与岩体结构特性影响 地层岩性与岩体结构是边坡失稳的决定性因素，边坡变形破坏的发生、发展 都是受它们制约的。斜坡内部的应力分布状况、变形和破坏特性完全取决于岩性 和岩体结构。地层岩性的差异是影响斜坡稳定性的主要因素，斜坡岩体结构面及 其组合形式决定了斜坡的稳定程度。 研究区地层主要是破碎基岩体和人工堆渣，上部人工堆渣主要是由大小混 杂、结构松散的块石及碎石土组成，块石粒径多在2 0 6 0 c m 之问，每级台阶上 的碎块石粒度由上而下逐渐变粗，即由上部的碎石土向下部的块石过渡，底部最 大粒径l m 以上。而坡体表面由细颗粒物质组成，暴雨过后坡面易形成冲沟，而 且规模大，数量多，坡面冲沟局部在斜坡的中下部相交而构成冲沟网，部分地段 还发生崩塌及泥石流破坏，对于坡体的稳定性具有较大的影响。在距离台阶边缘 l o m 范围内继续分布着一系列的裂隙，或与台阶边缘平行或成弧形，这些裂缝都 加剧了边坡的失稳。在松散边坡前缘地带的下卧层则以北沟内冲洪积形成的卵 8 长安人学硕士学位论文 ( 块) 砾( 碎) 石为主，局部地带夹有薄层粘土层，其整体工程性能良好。下部 破碎岩体其岩性主要为安山玢岩、花岗岩、石英岩、板岩等，结构特征为松散、 破碎、节理化、风化严重，由于开挖造成基岩面裸露，在降雨、爆破条件下容易 造成抗剪强度的减低，从而引起边坡失稳。 3 1 3 地下水的影响 地下水主要影响的是降低了斜坡土体的抗剪强度，由于地下水增加了岩体的 含水量，同时对坡体起到了浮托作用，从而使得边坡失稳。另一方面，水位的升 高也增大了边坡的静、动水压力，在斜坡处形成了较大的水力坡度，增加了水对 斜坡的侧压，从而使边坡稳定条件恶化。同时，由于降雨对坡体的冲刷非常严重， 形成了大规模的冲沟与裂缝，而雨水沿着裂缝灌入，降低整个边坡的稳定性。 3 1 4 人工活动的影响 人工活动对于复合高边坡稳定性的影响主要体现在人为改变地下水的条件、 不合理的开挖地下水、沟中修建水库、坡体上拦坝建池塘以及人工弃土阻塞地下 水出口等都造成了地下水文地质条件的改变，从而影响边坡的稳定性。 3 1 5 地震震动 地震震动对复合边坡稳定性的影响主要体现在天然地震和人工爆破震动的 影响。 研究区所处区域的地震基本烈度为6 度。在地震作用下，一定烈度的地震波 在结构面处的反射增强作用，很可能导致该处结构面出现相对位移，产生扩张， 从而在薄弱面处破坏【l o 】。另外，地震波产生的反复拉伸、压缩作用使得复合边坡 岩体产生松动，从而使得岩体强度进一步降低。 人工爆破震动的效应一方面是爆破震动的震动累积效应，爆破使得边坡岩体 松动开裂，在坡体内部形成裂缝，频繁的震动使得裂缝开裂程度加剧，从而使得 边坡容易破坏。另一方面，爆破震动效应有随着边坡高程的增加具有放大作用， 从而更容易造成尾矿坝各级台阶上软弱面的滑落塌陷。 3 2 复合高边坡的破坏形式分析 通过野外调查发现，研究区人工堆积高边坡，在不同地段因其所处的地形地 貌条件不同、下伏岩土的结构特征不同、及本身的物质组成和粒度成分不同，产 生了不同的变形破坏形式。总括起来有如下几种类型： 9 第三章复合高边坡稳定性的影响因素和破坏形式 3 2 1 整体破坏( 1 卜蠕滑拉裂型 这种破坏类型表现形式为：人工堆积废石在重力作用下，沿其下卧软弱地层 首先向外水平向蠕滑挤出，进而导致上部坡体垂向拉裂、下沉，发生破坏。 典型剖面目前坡脚下宽1 0 余米的台地在上部人工堆积废石的作用下，致使 台坎前缘中部向西凸出，表明此台坎整体已向西位移，并在此台面上产生了一系 列纵向裂缝，裂缝宽5 - 1 0 c m ，呈近东西方向延伸长度在5m 左右，可见深度大 于1 5 。在人工堆积边坡的台面边缘可见多条近弧形的裂缝。这些裂缝以距台面 前缘1 7 2 2 1 m 这一段的四条裂缝组成的裂缝带最为突出，缝带宽2 5 m ，呈深 5 1 0 c m 的下陷凹槽出现，并与坡面走向小角度斜交。各裂缝宽3 1 0 c m ，最宽处 达6 0 c m ，裂面近直立，可见深度0 5 1 2 m ，最深达1 8 m 以上。另外，在距台面 前缘2 8 m 和3 0 m 远处，也有宽度2 4 c m 、延伸长度大于1 5 m 的裂缝出现，这些 裂缝向南较为清晰，向北则掩埋在表面未加平整的废石堆下。 以上现象的出现，在于其所处的特殊地质环境。首先该处的堆积物位于一天 然斜坡之上，该天然斜坡的物质组成如下：地表为一厚0 5 m 的耕植土，含碎石， 透水性较强，疏松多孔；往下为一厚0 5 - - 1 o m 的粘土，饱水，呈软塑状态，探 井开挖时沿该层顶面有水渗出，物理力学性质较差；再往下为一厚0 2 0 4 m 的 淤泥质软土，灰色，含大量腐植物，呈饱水状态，软塑。废渣排到该斜坡上之后， 该面变成一底部滑移控制面。另外，排土场人工高边坡形成过程中，其内部无形 中形成了一系列平行于坡面的间断面，特别是当粗、细颗粒分阶段分别堆积时， 这种现象就更为明显，结果形成了如图3 1 a 所示的坡体结构。在该坡体中，上 部废渣在重力作用下，沿底部的斜坡产生下滑分力，从而沿底部的软弱面产生向 坡外的蠕动变形，进而导致废渣沿平行于坡面的间断面产生顺层剪切移动，并且 在顶部形成大量的拉张、下错裂缝。 3 2 2 整体破坏( 2 ) 拉裂滑移型 这种破坏主要产生于单坡坡高较大，并且粗、细相间堆积而形成的人工高边 坡上。产生的主要原因是由于废渣在排放的过程中，由于粗、细颗粒分阶段分别 堆积，从而在坡体中形成间断面，外加单一坡高较大，导致坡体产生较大的不均 匀压缩变形、固结变形及沿间断面的剪切变形，导致坡顶产生大量的拉、错裂缝 ( 见图3 1 b ) 。这种破坏形式的发展结果，是顶部的裂缝不断加宽及加深，破坏 面不断向下延伸，慢慢在坡体中形成一连续的滑移控制面，最终导致斜坡的整体 1 0 长安大学硕上学位论文 滑动。 a b 图3 1 坡体破坏特征示意图 3 2 3 表部破坏( 1 ) 细沟、冲沟型 研究区内边坡坡面变形破坏的主要形式就是这种形式，由于废石堆积的粒度 存在差异，在降雨作用下，超渗强度的降雨在斜坡上产生了坡面径流，从而在斜 坡面上形成了较多的细沟。其宽数厘米到数十厘米，深1 0 , - 4 0 c m 不等，在斜坡 面上延伸较直。这种斜坡变形破坏形式在一级台的前缘斜坡上到处可见，在堆积 较晚的二级台前缘斜坡上较少，在三级台前缘的斜坡上基本没有。 另一种破坏为冲沟，北沟较突出。北沟排土场冲沟的特点是规模较大，数量 较多。而且坡面冲沟局部已在斜坡的中下部相交而构成冲沟网。最大冲沟发育已 延伸到坡面平台l o m ，最大宽度近l o m ，切割深度铅直方向约5 m ，冲沟壁面陡 立，坡度约7 0 。 上述坡体破坏物质以坡积裙及泥石流形式堆积在斜坡坡脚及冲沟沟口一带。 在北沟泥石流堆积向前延伸约3 0 - 5 0 m ；局部坡积物已堆积近平房顶部。距坡 脚7 0 m 处的华光库房南侧修建的挡土墙，目前也已临近灭顶之灾。 3 2 4 表部破坏( 2 ) 滑塌型 坡体表面因冲沟发育及人工切割坡脚，致使坡体表面稳定性变差，出现局部 滑塌现象，该破坏若进一步发展，将影响到整个坡体的稳定。 3 2 5 泥石流 泥石流是指固体物质含量高、泥位剧增的暂时性山地河床洪流。具暴发突然、 运动快速、历时短暂的特点。泥石流的形成必须具备三个方面的条件：丰富的松 散固体物质、必要的地形地貌条件和充分的水动力条件。只有三者出现适当的组 合关系时，才可能暴发泥石流。研究区仅在泄水洞洞口地段、北沟排土场东侧北 沟沟口具备较大的水动力条件，但若该地段松散的人工堆积边坡处于稳定状态， 第三章复合高边坡稳定性的影响因素和破坏形式 则不可能发生较大规模、危害较严重的泥石流。只会发生前述的小规模泥石流， 在坡脚一带形成泥石流堆积物。 1 2 长安人学硕士学位论文 第四章复合高边坡的爆破震动测试及结果分析 本次研究主要是通过现场实际观测分析研究，对实测数据进行整合和合理的 剔除后，在幅值域、时域和频域内进行数据处理分析，为动力相应分析提供动力 参数、研究地震波在介质中传播的特性和基本规律，尤其是在排土场散体介质中 的传播时程特征，再通过波形处理和回归分析，拟合出具有一定规律、且能指导 工程设计与研究的经验公式。 4 1 爆破震动的现场测试 本次观测采用t o p b o x 便携式测振自记仪，配金桥传感器厂生产的垂直方 向和水平方向速度传感器，可同时测量垂直方向和水平方向爆破震动速度值。并 配有2 3 2 计算机接口和t o p e w 2 0 0 0 分析资源库，可进行加速度等值的计算。 自记仪及传感器主要技术指标如下： 测试范围：1 0 n l v 一4 0 v 误差l 自记仪频响范围：0 1 0 0 0 h z 通道：2 ( 垂直，水平) 灵敏度：2 5 0 - - 2 9 5v ( c r n s ) 测试分析步骤如下： 4 1 1 测点的布置与仪器安装 ( 1 ) 测点布置 根据排土场稳定性分析及研究的需要，观测排土场特殊环境下坡体上下对产 生爆破震动的反应程度和地震波传播的衰减规律，研究剖面布置了1 条测线、3 个测点分别在坡脚、坡中和坡顶布设。 ( 2 ) 仪器安装 排土场主要由松散的人工堆积碎石土组成，故在爆破震动实测中拾震器与被 观测介质耦合是关键问题，因此，在观测前，在各观测点处开挖试坑，然后用水 泥砂浆浇筑并在顶面找平，以使拾震器与观测介质充分接触。 第四章复合高边坡的爆破震动测试及结果分析 4 1 2 测试结果统计 经过两个多月3 0 余次的现场观测，取得了在生产爆破震动下的各测点垂直 和水平向的震动速度、加速度、频率、波延时间等重要震动参数，得到了排废场 典型地段边坡坡脚、坡中和坡项对来自露天矿各台阶生产爆破产生的震动能量反 应特性曲线和相对应的数据值。测试数据见表4 1 4 2 爆破震动测试结果分析 ( 1 ) 震动速度及其衰减规律 爆破震动速度是爆破震动的主要参数，也是实际测试工作中的能测试的直接 数据之一，该参数对研究爆破振特动特点具有十分重要的意义。由前述测试结果 知，排废场主要部位各测点的震动速度在0 0 0 1 3 0 1 1 5 c m s 之间，且垂直方向 的震动速度均大于水平方向的震动速度，其差值在两倍以上；坡顶震动速度普遍 大于坡脚震动速度。 由该参数换算而来的震动加速度值的变化规律与上述变化规律相似。 为研究震动速度的变化规律，本次研究采用目前国内主要应用的萨道夫斯基 的经验公式进行了回归分析，回归时为充分考虑排土场及采矿场地形起伏大的特 点，采用了考虑高差影响的二元回归分析，其表达式为： y 彬肌k ( 譬胂卢 4 1 式中：v 一爆破震动质点峰值振速( c m s ) ； p 一比例药量； q 一最大一段起爆药量( k g ) ； 足一爆区中心至测点距离( m ) ； k 一场地条件系数，由测振试验确定； 口一场地条件衰减指数，由测振试验确定； 一高差影响系数，由测振试验确定； 日一爆区高程与测点高程之差，1 ( 1 t i ) ； 1 4 长安大学硕士学位论文 表4 1北沟排土场爆破震动测试结果统计表 爆破中心 最大 比例峰值最大频率波延 测点高差距离一段 坐标药量振速加速度( 主)时间 装药量 编 方 mm 蚝 c i s c - 1 1 $ 2 h zs 号向 c1 0 6 4 97 7 5 1 5 1 1 1 00 0 1 3o 0 1 2 3 0 0 0 0 81 2 20 7 7 8 0 1 s0 0 1 20 0 0 0 21 4 60 8 1 8 0 c x = 3 8 0 1 0 5 0 1 8 5 4 89 8 7 6 30 0 1 0 50 0 2 70 0 0 0 71 7 0 8 91 8 6 0 0 2y = 3 7 4 0 3 6 2 0 s o o l l 0 0 0 0 32 6 8 51 1 8 8 0 z = 1 0 9 2 c2 1 5 9 21 0 9 3 1 5 0 0 l 0 0 3 20 0 0 0 6 99 7 61 6 1 8 0 3 s0 0 0 10 0 0 0 2 72 1 9 71 1 4 4 0 c7 0 4 95 5 5 8 91 4 4 0o 0 2o 1 1 5 30 0 0 1 33 1 7 1 0 0 8 0 1 s0 0 4 60 0 0 0 57 3 20 9 4 6 4 c x = 3 8 0 1 2 9 0 1 4 9 4 87 5 5 9 5o 0 1 40 0 6 60 0 0 0 71 9 5 3 11 4 6 3 2 2y = 3 7 4 0 3 6 0 0 s0 0 1 2 50 0 0 0 32 6 81 3 5 0 4 z = 1 1 2 8 c1 7 9 9 28 8 8 4 4o 0 1 30 0 6 0 60 0 0 0 6 52 4 4 11 6 2 3 2 3 s0 0 1 6 4o 0 0 0 1 92 1 9 71 2 0 0 8 c8 2 4 96 8 4 6 13 6 00 0 1 30 0 5 50 0 0 0 6 89 7 61 7 1 2 8 1 s0 0 1 60 0 0 0 2 7 92 6 81 3 0 3 2 c x = 3 8 0 11 0 0 1 6 1 4 88 6 0 9 50 0 1 0 60 1 0 50 0 0 0 1 2 64 8 83 5 9 8 6 2y = 3 7 4 0 3 8 0 0 s0 0 3 3 0 0 0 0 3 64 8 8 1 6 4 5 6 z = 1 1 1 6 c1 9 1 9 29 6 4 4 60 0 0 0 9 50 1 4 3o 0 0 1 41 9 5 3 11 7 9 5 0 3 s0 0 6 30 0 0 0 72 6 8 51 6 8 0 0 c1 0 6 4 97 4 1 2 71 1 4 00 0 1 4o 0 6 40 0 0 0 26 1 0 3 51 0 8 3 2 1 x = 3 8 0 1 0 9 0 s0 0 1 40 0 0 0 61 7 0 8 91 1 4 8 0 y = 3 7 4 0 3 6 1 0 c1 8 5 4 89 3 6 9 10 0 1 10 0 3 20 0 0 0 3 21 7 0 8 91 0 2 6 4 2z = 1 0 9 2 s0 0 0 70 0 0 0 71 7 0 8 91 0 6 6 4 c1 0 6 4 98 2 8 4 71 8 5 00 0 1 4 8o 0 1 9 1 40 0 0 0 3 62 9 2 91 5 8 9 6 1x = 3 8 0 1 0 0 0 s0 0 1 1 50 0 0 0 1 0 92 6 8 5 51 3 8 2 4 y = 3 7 4 0 3 6 0 0 c 2 1 5 9 2 21 1 4 5 9 6 0 0 1 0 7 0 0 7 50 0 0 0 5 8 1 7 0 8 91 7 2 7 2 3z = 1 0 9 2 s0 0 2 3 90 0 0 0 2 0 81 7 0 8 91 3 6 8 0 c 1 0 6 4 9 1 6 0 2 51 9 0 0 0 0 0 7 70 0 0 8 3 4 1 7 91 5 9 1 0 1 s 0 0 0 2 3 81 9 5 3 11 3 6 2 4 c x | - 3 8 0 0 2 0 0 1 8 5 4 81 8 0 1 3 30 0 0 6 80 0 0 3 91 7 0 8 91 4 9 9 2 2 y = 3 7 4 0 3 6 0 0 s0 0 0 1 62 6 8 5 51 4 5 4 0 z = 1 0 9 2 c 2 1 5 9 2 21 8 0 1 9 80 0 6 50 0 0 3 3 1 7 0 4 81 4 8 0 0 3 s 0 0 0 1 2 92 6 8 5 5 1 1 1 6 0 测点 1 号点：x = 3 8 0 1 7 7 6 0 3 9y = 3 7 4 0 3 8 6 9 7 8 6z = 1 1 9 8 4 9 2 号点：x = 3 8 0 1 9 5 1 2 4y