廢棄礦坑坑壁巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析

熊 朋，王文軍，仇 明

（中國有色金屬長沙勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，長沙 410000）

1 工程概況

成功采礦結(jié)束后隨之而來的是大量的大型廢棄礦坑，國土資源的緊缺和環(huán)保意識(shí)的提升，礦坑資源的利用是全社會(huì)重點(diǎn)關(guān)注的難點(diǎn)和研究方向。

長沙某礦坑項(xiàng)目是專為少年兒童打造的全室內(nèi)、全天候、全季節(jié)世界頂級童話神話主題公園，各建筑物單體大部分在坑頂邊線40m以外，坡頂規(guī)劃道路標(biāo)高為48～60m，，較現(xiàn)狀地面堆土平均高約10m。

2 場地巖土工程與水文地質(zhì)條件

2.1 原始地貌

本項(xiàng)目屬于湘江Ⅲ～Ⅳ級階地，上部為網(wǎng)紋狀砂質(zhì)黏土，部分砂質(zhì)黏土被剝蝕，下部為砂、砂礫、礫卵石，階地丘陵化較強(qiáng)烈，沖溝較發(fā)育，局部分布礫卵石層。2018年7月6日測得礦坑內(nèi)積水水位標(biāo)高為-6.20m，水深約57.50m。

2.2 地層巖性

場地內(nèi)分布的上覆地層有人工填土層（Q4ml）、第四系新近沖積層（Q4al），第四系沖積層（Qal），第四系殘積層（Qel），土層整體厚度不大?；鶐r為泥盆系灰?guī)r及泥灰?guī)r，較為單一，產(chǎn)狀210°～290°∠45°～50°，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅲ～V級，局部存在溶蝕裂隙、溶溝溶槽、溶洞等巖溶充填物。場地東北側(cè)存在開挖礦石所形成的采空區(qū)空洞，形態(tài)大小不一，底部多為泥漿沉淀，視厚度4.20～52.00m。

本文涉及的坑壁巖土體的物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

2.3 水文地質(zhì)條件

地表水主要為泉水、巖溶水、礦坑頂排水明渠、水塘和礦坑積水，與大氣降水密切相關(guān)。與地表水無直接水力聯(lián)系，僅礦坑內(nèi)洞口通道處可見泉眼，為上升泉。礦坑周邊場地地下水主要有上層滯水、潛水及基巖裂隙或巖溶裂隙水三種。

3 坑壁治理前穩(wěn)定性分析

該礦坑現(xiàn)已廢止，西北側(cè)存在一巖質(zhì)滑坡，2003年之前發(fā)生過一次大型楔形體破壞，后又經(jīng)人工活動(dòng)，坡底開采、修路，于2011年順節(jié)理裂隙面形成滑坡，局部存在危巖及崩塌，巖溶及塌陷，采空區(qū)等不利因素。礦坑南側(cè)巖層產(chǎn)狀290°∠50°，開采邊坡近于直立，臨空側(cè)應(yīng)力釋放，外加長期雨水侵蝕，形成較發(fā)育裂隙，呈“X”狀，裂面有明顯的擦痕，在巖層層面及節(jié)理裂隙的切割作用下，形成危巖體?？颖趲r體形成巖溶裂隙、溝槽及溶洞。

地下水也是一項(xiàng)重要影響因素，雨水、地表水或淺層土層中地下水沿縫隙滲入巖體，潤滑或沖蝕結(jié)構(gòu)面膠結(jié)物，降低結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)強(qiáng)度，加快邊坡失穩(wěn)速度。其次，風(fēng)化和人類建設(shè)的影響也是主要因素，溫差變化過大，爆破震動(dòng)都會(huì)加快邊坡破壞的進(jìn)程。

擬建場地為大型游樂場所，使用年限長，人員流動(dòng)密集，坑壁的穩(wěn)定是保證坑頂人員和建筑物安全的前提，因此，需要進(jìn)行坑壁治理。選取礦坑南側(cè)典型斷面進(jìn)行分析。

采用理正巖土軟件極限平衡法進(jìn)行邊坡現(xiàn)狀折線滑動(dòng)整體穩(wěn)定性分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果安全系數(shù)為1.200，如圖1。采用Midas Soilworks軟件強(qiáng)度折減法計(jì)算現(xiàn)狀邊坡安全系數(shù)為1.263，邊坡最大變形為48.0mm，如圖2。均不滿足規(guī)范整體穩(wěn)定性要求。

圖1 按折線滑動(dòng)法現(xiàn)狀邊坡計(jì)算結(jié)果

圖2 按強(qiáng)度折減法法現(xiàn)狀邊坡計(jì)算結(jié)果

4 坑壁治理后穩(wěn)定性分

圖3 按折線滑動(dòng)法加固后邊坡計(jì)算結(jié)果

圖4 按強(qiáng)度折減法法加固后邊坡計(jì)算結(jié)果

該方案根據(jù)勘察地質(zhì)調(diào)查的主要裂隙結(jié)果，上部按1∶0.5坡比通過爆破切除卸荷裂隙形成的楔形體危巖，避免頂部裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，避免楔形體破壞和危巖崩塌；坡面設(shè)置系統(tǒng)錨桿和面板防護(hù)，加固表層巖體裂隙，并避免坑壁巖體風(fēng)化和雨水侵蝕；再增設(shè)長預(yù)應(yīng)力錨索和環(huán)梁對邊坡深層進(jìn)行錨固，已達(dá)到整體和局部均穩(wěn)定。采用理正巖土進(jìn)行加固后的邊坡按折線滑動(dòng)法整體穩(wěn)定性分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果安全系數(shù)為1.422，如圖3。采用Midas Soilworks軟件強(qiáng)度折減法計(jì)算加固后的邊坡安全系數(shù)為1.435，邊坡最大變形為30.9mm。如圖4。均滿足整體穩(wěn)定性要求。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

5 結(jié)語

本文以長沙礦坑旅游開發(fā)為例，采用理正軟件極限平衡法分析治理前后邊坡的整體穩(wěn)定性，采用MIDAS有限元強(qiáng)度折減法對邊坡的變形和治理效果進(jìn)行分析，得到了以下結(jié)論：

巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性主要由巖體節(jié)理裂隙控制。通過詳細(xì)的巖土勘察和地質(zhì)調(diào)查，準(zhǔn)確獲得巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造、產(chǎn)狀及軟弱結(jié)構(gòu)面等物理力學(xué)參數(shù)，是巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析和支護(hù)設(shè)計(jì)與施工的關(guān)鍵和重要依據(jù)，其準(zhǔn)確性和充足性尤為重要。

由于礦坑頂部開挖陡峭，應(yīng)力釋放最大，卸荷裂隙最多，結(jié)構(gòu)面也最發(fā)育，擬破壞的巖快體積一般較大，滑面也較深，下滑分力較大，若直接采用強(qiáng)拉硬錨的支護(hù)型式，會(huì)做成很大的施工量，支護(hù)成本大，工期長。若采用直接爆破切除危巖或切坡后再支護(hù)，則在保證工程穩(wěn)定安全的基礎(chǔ)上能有效縮減了工程量和工期。

在巖質(zhì)高邊坡的支護(hù)中，系統(tǒng)錨桿和錨索能有效地增加邊坡局部和整體穩(wěn)定性，坡面設(shè)置面板對裸露的巖面能有效的防護(hù)和分散錨桿錨索應(yīng)力。

在巖質(zhì)高邊坡的支護(hù)中，單一支護(hù)方法已難于滿足其復(fù)雜的支護(hù)體系，多種計(jì)算分析軟件的相互驗(yàn)證能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)提供有效的技術(shù)保障。

結(jié)合礦坑自然資源進(jìn)行旅游發(fā)展，能夠促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。相信在今后的規(guī)劃和規(guī)范建立中，一個(gè)完善的礦坑治理和利用體系能夠建立，也會(huì)讓這一個(gè)個(gè)“地球疤痕”實(shí)現(xiàn)華麗的蛻變。