改进的面向多组结构面岩体的CSMR边坡岩体分类方法

摘要

本发明提供了一种改进的面向多组结构面岩体的CSMR边坡岩体分类方法。该方法首先通过工程地质勘察，获得待分类评价的边坡岩体的特征数据，该特征数据包括结构面总组数以及所占权重；然后对多组结构面的结构面方位修正系数进行加权平均，以对CSMR边坡岩体分类方法中的结构面方位修正系数F1、F2和F3进行改进，最终将改进后的方位修正系数代入CSMR表达式中，得到边坡分类结果。该方法综合考虑了多组结构面对边坡稳定产生不利影响的叠加效应，使得边坡分类结果与实际情况更加吻合。

说明书

技术领域

本发明涉及岩质工程技术领域，尤其涉及一种改进的面向多组结构面岩体的CSMR边坡岩体分类方法。

背景技术

露天矿开采是金属矿生产的重要方式之一，亚洲最大的海州露天矿深达320m。开采前的地层处于应力平衡状态，在漫长的地质构造演化过程中会形成断裂、节理和裂隙等劣化过程，使原本完成的岩体破碎。在开采过程中，一般会形成五面约束，一面自由的岩体形式。岩体会因失去约束，弹性势能释放发生而破坏，甚至岩爆。所以，应及时了解开采过程中边坡岩性及其岩体质量的变化，以便及时采取措施防止事故发生。边坡安全稳定评价结果的正确与否直接关系到边坡工程的成败。所以如何科学合理的对边坡岩体质量进行评价就成了关键问题。

目前，边坡稳定性的研究重点可概括为两个方面，一是指标体系(影响因素)，二是评价方法。由于边坡稳定受多方面因素影响，且各因素具有不确定性和复杂性，随着理论研究和实践不断深入，从工程地质分析角度考虑的影响因素已具有全面性，一般考虑坡形、岩体强度、岩体结构、地质构造、风化、水文地质、气候、地震和人类活动等等，但这些因素影响程度差异很大，不能突出关键因素。在评价方法上，不论是采用确定性分析方法，还是采用不确定性方法如模糊数学、灰色理论、数量化理论和信息模型法等，其用于边坡稳定性评价的准确性与实际情况仍有差距，并且不确定分析法往往计算复杂，不易实施、难于推广。

对于工程边坡而言，岩体质量分级是最重要的指标，是宏观稳定性评价和经验设计的基础，工程边坡稳定性研究中已广泛应用，合理的岩体质量分级，对于客观反映边坡岩体的固有属性、深入认识岩体力学特性和合理选取参数是十分重要的。边坡岩体的基本岩体质量，具体指《工程岩体分级标准》(GB/T50218-2014)中的BQ分级法确定的岩体质量。虽然边坡岩体分类方法，如SMR、CSMR、BQ-Rslope方法都经历了多年的深入研究和工程实践，但这些方法本身还具有一定的局限性，SMR分类未考虑边坡高度对稳定性评价的影响，也没有区分控制性结构面的对边坡稳定性的影响；CSMR中F3边坡倾角与结构面倾角关系的修正系数权重过大，即当边坡坡角比结构面倾角大10°时，无论岩石和结构面的强度多高，岩体均要降低60分(三个级别)，对于结构面倾向对边坡稳定性的影响，未予充分考虑(边坡岩体质量分类体系的CSMR法及应用，李胜伟、李天斌、王兰生)。《工程岩体分级标准》(GB/T50218-2014)推荐的BQ-Rslope法主要针对坡高60m及其以下的岩质边坡，对高度大于60m或特殊边坡工程岩体，除按建议的边坡工程岩体分级方法确定修正后的岩体质量定量指标[BQ]外，还应根据坡高影响，结合工程进行专门论证，而水利水电工程高边坡的坡高普遍超过60m(基于岩体质量指标BQ的岩质边坡工程岩体分级方法，邬爱清)。目前边坡工程岩体分级在实际工程中的应用还不是很普遍，一方面原因是相对地下工程而言，岩石边坡工程更具复杂性，坡高、临空面、岩体结构、地质构造等影响因素对边坡稳定性的影响更为突出；另一方面，与洞室围岩分类不同，边坡岩体分类尚未形成分类与支护体系密切相关的共识性成果，应用具有很大的局限性。

有鉴于此，有必要设计一种改进的面向多组结构面岩体的CSMR边坡岩体分类方法，以解决上述问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种改进的面向多组结构面岩体的CSMR边坡岩体分类方法。该方法综合考虑了多组结构面对边坡稳定产生不利影响的叠加效应，采用加权平均法和综合评估法对结构面方位系数进行修正，使得边坡分类结果与实际情况更加吻合。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种改进的面向多组结构面岩体的CSMR边坡岩体分类方法，包括如下步骤：

S1.通过工程地质勘察，获得待分类评价的边坡岩体的特征数据；

S2.对多组结构面的结构面方位修正系数进行加权平均，以对CSMR边坡岩体分类方法中的结构面方位修正系数F

CSMR＝ξ·RMR′-λ·F

式中：ξ＝0.57+0.43×(H

其中，改进的F

F

式中：m为1、2、3，F

作为本发明的进一步改进，n组所述结构面均为优势结构面。

作为本发明的进一步改进，步骤S1还包括，对所述边坡岩体进行分区，获得每一个分区的边坡产状及结构面产状。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，当所述边坡岩体内发育控制性结构面或仅发育一组结构面时，n＝1。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，当f

作为本发明的进一步改进，所述当f

作为本发明的进一步改进，所述边坡岩体的特征数据包括边坡高度、RMR值、边坡产状、结构面总组数、结构面产状、每一组结构面所占权重。

作为本发明的进一步改进，所述边坡岩体的特征数据还包括RQD值与裂隙率、节理裂隙的形态和粗糙度、迹长、充填物类型及厚度、风化蚀变程度。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供的改进的面向多组结构面岩体的CSMR边坡岩体分类方法，首先通过工程地质勘察，获得待分类评价的边坡岩体包括结构面总组数以及所占权重在内的特征数据；然后对多组结构面的结构面方位修正系数进行加权平均，以对CSMR边坡岩体分类方法中的结构面方位修正系数F

2.本发明提供的改进的面向多组结构面岩体的CSMR边坡岩体分类方法，将实际勘探与理论计算相结合，先对所述边坡岩体进行分区，然后获得每一个分区的边坡产状及结构面产状，能够更合理全面的对矿体质量进行分类评价。当边坡体内发育控制性结构面或仅发育一组结构面时，n＝1，排除了特殊结构面对本发明改进性结构面方位修正系数的影响。因此，本发明的分类方法实用性更强，提高了边坡岩体分类的准确性。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在具体实施例中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

CSMR分类体系是RMR-SMR系统的一种应用，是在执行“八五”攻关项目时，由中国水利水电边坡工程小组在1997年发展起来的边坡岩体分类体系。该体系根据岩质高边坡的岩体基本质量和影响边坡稳定的诸多因素进行综合测评，对边坡的稳定性进行分类，半定量的评价其稳定性。

以下CSMR分类体系为本发明对边坡岩体进行分类改进的基础：

CSMR分类因素基本分为两部分：一是Bieniawski提出的边坡岩体的基本质量(RMR)，由岩石强度、RQD值、结构面间距、结构面条件及地下水等因素综合确定；二是各种边坡影响因素的修正，包括边坡高度修正系数(ξ)、结构面方位系数(F

CSMR＝ξ·RMR′-λ·F

式中：ξ＝0.57+0.43×(H

F

表1结构面方位修正系数

结构面条件系数λ由表2确定：

表2结构面条件修正系数

边坡开挖方法系数F

表3边坡开挖方法系数(据Romana)

通过式(1)计算得到的CSMR值范围为[0，100]，以20分为间隔，划分为5个等级(见表4)。根据边坡岩体所属等级，半定量的评价岩体质量及边坡的稳定性，并采取对应的支护措施。

表4 CSMR分级描述(据Romana)

工程实例中，边坡岩体为整体结构或仅发育一组结构面的情形少见，一般多为发育两组及以上的多组结构面。在未见断层、挤压带等控制性结构面影响边坡整体稳定的情形下，采用CSMR法评价边坡的稳定性时，工程技术人员对结构面方位系数的处理方式是有差异的，但总的原则是选取最不利结构面或最不利结构面组合来修正边坡岩体的结构面方位系数。

可见，常规的结构面方位系数取值方法只对多组结构面中其中一组最不利的结构面进行取值，未考虑多组结构面共同对边坡稳定性产生的不利影响。

有鉴于此，本发明研究表明边坡发育的多组结构面破坏了岩体的完整性，不管哪一组结构面由于与边坡面在空间位置上组合关系不同，对边坡的影响是非常有利或非常不利的，均不能忽略其对边坡的不利影响。因此，采用CSMR法评价边坡稳定性时，应综合考虑多组结构面对边坡稳定产生不利影响的叠加效应。本发明结合多年工程实践，摸索出采用改进的CSMR法(加权平均法和综合评估法)对结构面方位系数进行修正，取得了良好的效果。

以下对本发明改进的面向多组结构面岩体的CSMR边坡岩体分类方法进行具体阐述。

本发明提供的一种改进的面向多组结构面岩体的CSMR边坡岩体分类方法，包括如下步骤：

S1.通过工程地质勘察，获得待分类评价的边坡岩体的特征数据；

该方法需要现场搜集较完整的结构面特征数据，所述边坡岩体的特征数据包括边坡高度、RMR值、边坡产状、结构面总组数、结构面产状、每一组结构面所占权重、RQD值与裂隙率、节理裂隙的形态和粗糙度、迹长、充填物类型及厚度、风化蚀变程度等特征数据。处理结构面数据时，首先应判断是否发育控制性的结构面，其次应统计出多组优势结构面的产状。

特别地，先对所述边坡岩体进行分区，然后获得每一个分区的边坡产状及结构面产状。

S2.对多组结构面的结构面方位修正系数进行加权平均，以对CSMR边坡岩体分类方法中的结构面方位修正系数F

具体地，将每一组结构面参照表1对应的方位修正系数F

F

式中：m为1、2、3，F

特别地，当f

实施例

经过前期详细的工程地质调查，将某矿山边坡分成了5个分区，并对边坡涉及的主要岩性进行结构面测绘统计分析得到该岩体主要分布4组结构面和一些紊乱的结构面，结果见表5所示，根据这些数据对每一个分区的岩体进行取值。

表5某矿山边坡岩体的特征数据

以表5中1区为例进行取值，主要参数包括边坡高度修正系数(ξ)、结构面方位系数(F

1)1区边坡高度为445m，将其代入公式ξ＝0.57+0.43×(H

2)F

根据现场勘察情况，边坡以滑动破坏机制为主，根据表1中的结构面方位修正系数确定式，分别确定4组结构面和紊乱结构面的F

第一组结构面γ

第二组结构面γ

第三组结构面γ

第四组结构面γ

紊乱结构面以“一般”取值，所以f

所以F

可见，将各组结构面综合考虑加权平均后，F

3)F

根据现场勘察情况，边坡以滑动破坏机制为主，根据表1中的结构面方位修正系数确定式，分别确定4组结构面和紊乱结构面的F

第一组结构面γ

第二组结构面γ

第三组结构面γ

第四组结构面γ

紊乱结构面以“一般”取值，所以f

所以F

可见，将各组结构面综合考虑加权平均后，F

4)F

根据现场勘察情况，边坡以滑动破坏机制为主，根据表1中的结构面方位修正系数确定式，分别确定4组结构面和紊乱结构面的F

第一组结构面γ

第二组结构面γ

第三组结构面γ

第四组结构面γ

紊乱结构面以“一般”取值，所以f

所以F

可见，将各组结构面综合考虑加权平均后，F

5)λ

根据表2中结构面条件修正系数与现场结构面条件进行对照，λ取0.8。

6)F

F

所有的参数都已经进行了取值，根据公式(1)进行计算得到最终的CSMR的取值。

CSMR＝ξ·RMR′-λ·F

从表4可以看出，CSMR的取值为33.58对应等级Ⅳ。本发明计算得到的数据综合考虑了多组结构面对岩体的影响，结果与实际情况更加吻合。

综上所述，本发明提供的改进的面向多组结构面岩体的CSMR边坡岩体分类方法，基于多年的工程实践以及边坡理论知识得到的，相比常规方法“只对多组结构面中其中一组最不利的结构面进行取值”，本发明综合考虑了多组结构面对边坡稳定产生不利影响的叠加效应，得到的修正系数更准确合理，使得边坡分类结果与实际情况更加吻合，实用性更强。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。