毛正君,畢銀麗,李成,陳建平,孫魁,張瑾鴿,連海波,劉偉
(1.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機理與防控重點實驗室,陜西 西安 710054;2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,西安科技大學(xué)煤炭綠色開采地質(zhì)研究院,陜西 西安 710054;3.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點實驗室,陜西 西安 710054;4.陜西地建礦業(yè)開發(fā)環(huán)境治理有限責(zé)任公司,陜西 西安 710075)
中國采用露天開采方式獲取礦石的占比大,鐵礦約為77%,有色金屬礦為52%,化工材料為70.7%,建筑材料為100%(楊天鴻等,2011,2020)。伴隨著露天開采礦山邊坡不斷加高、加陡(張定邦等,2013),出現(xiàn)了很多高度超過500 m的邊坡,如太鋼峨口鐵礦的設(shè)計坡高為720 m,導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性和安全性越來越差,邊坡滑移和傾斜破壞事故日益頻繁,嚴(yán)重威脅礦山的安全生產(chǎn)(蔡美峰等,2001;楊天鴻等,2011)。渭北地區(qū)石灰?guī)r資源儲量豐富,2000年以來該地區(qū)石灰?guī)r被大規(guī)模開發(fā),高強度的開采導(dǎo)致礦區(qū)環(huán)境惡化(壽立勇等,2020)。渭北地區(qū)部分石灰?guī)r露天采區(qū)開展了地質(zhì)環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)工程,但都僅僅是將采區(qū)坡底平臺進(jìn)行了覆土綠化,未對石灰?guī)r開采后形成的高陡邊坡進(jìn)行恢復(fù)治理。因此,針對渭北地區(qū)石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡的地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)是亟待解決的科學(xué)問題。高陡巖質(zhì)邊坡的研究主要涉及巖質(zhì)邊坡破壞模式(董金玉等,2011;卞康等,2018)、巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響因素(吳順川等,2017)及巖質(zhì)邊坡形態(tài)優(yōu)化(祝玉學(xué)等,1989;蔡美峰等,2012)等方面。
巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性受到巖性以及存在于巖體中的各種結(jié)構(gòu)面與坡面的空間組合關(guān)系的影響(常來山等,2014),從而產(chǎn)生復(fù)雜多樣的破壞模式。不同破壞模式在分析時應(yīng)選用符合客觀實際的計算和評價方法,才能取得比較可靠的結(jié)果(朱杰兵等,2016)。如董金玉(2011)等通過大型振動臺試驗,發(fā)現(xiàn)地震作用下順層巖質(zhì)邊坡破壞模式為地震誘發(fā)-坡肩拉裂張開-坡面中部出現(xiàn)裂縫-裂縫貫通-發(fā)生高位滑坡-轉(zhuǎn)化為碎屑流-堆積坡腳;卞康(2018)等基于PFC2D的人工合成巖體技術(shù),發(fā)現(xiàn)含順層斷續(xù)節(jié)理巖質(zhì)邊坡在地震作用下呈現(xiàn)出滑移-傾倒的混合破壞特征;張春生(2019)等設(shè)計大型三維動力模型試驗,揭示了復(fù)雜邊坡塊體地震破壞模式為沿底面與側(cè)面的雙滑失穩(wěn)破壞模式;Alejano(2011)等采用數(shù)值分析和物理模型相結(jié)合的方法研究了順層巖質(zhì)邊坡的破壞模式,包括滑動破壞、傾倒破壞等;高永濤(2015)等采用離散單元法研究了不同工況下270個順層巖質(zhì)邊坡模型的變形破壞特征,提出了其坡腳沿層面結(jié)構(gòu)面的滑移-剪切破壞、坡頂沿巖層結(jié)構(gòu)面的滑動-剪切破壞、巖層下緣彎曲-剪切破壞、巖層上緣翻折-拉裂破壞4種典型的變形破壞模式;Liu(2021)等通過現(xiàn)場調(diào)查、變形監(jiān)測和數(shù)值模擬,分析了具有不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡破壞模式為滑動-傾倒;He(2021)等結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研、地質(zhì)測繪、運動學(xué)分析和數(shù)值模擬,分析了震后破碎巖質(zhì)邊坡破壞模式為平面滑動傾倒、楔形傾倒和彎曲傾倒。邊坡破壞模式一直是工程地質(zhì)領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容之一,研究判斷邊坡的破壞模式是邊坡形態(tài)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)和依據(jù)(張春生等,2019)。
邊坡的坡高、坡度、斷面形態(tài)及臨空程度等邊坡形態(tài)要素對邊坡穩(wěn)定性有直接的影響作用(吳順川等,2017)。邊坡坡度越陡,坡高越大,其穩(wěn)定性越差,凹形坡比凸形坡更穩(wěn)定。邊坡形態(tài)的改變影響著邊坡內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的分布。因此,在保證邊坡穩(wěn)定性的前提下,提出優(yōu)化的邊坡形態(tài)參數(shù),能夠使得露天開采的生產(chǎn)和管理各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)最優(yōu)化或合理化(蔡美峰等,2004)。國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列邊坡形態(tài)優(yōu)化的研究:祝玉學(xué)(1989)等考慮采礦效益利用系統(tǒng)分析與仿真技術(shù)提出了露天礦邊坡優(yōu)化設(shè)計方法;蔡美峰(2012)等采用數(shù)值模擬與極限平衡相結(jié)合的方法,進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性和設(shè)計優(yōu)化研究,使邊坡總體邊坡角比原設(shè)計平均提高3°以上;田宇(2021)等針對露天礦多軟弱夾層邊坡形態(tài)設(shè)計問題,研究了其變形破壞特征、潛在滑坡模式以及不同軟弱夾層對邊坡穩(wěn)定性影響程度,對到界邊坡最終形態(tài)進(jìn)行了分段優(yōu)化;陳鵬(2013)等應(yīng)用極限平衡分析法和強度折減法分別對采場、排土場及二者構(gòu)成的土-巖復(fù)合邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,提出了邊坡最終形態(tài)優(yōu)化參數(shù);Fang(2019)等提出了一種基于極限曲線法的邊坡優(yōu)化設(shè)計方法,使計算出的極限坡角相比空間力學(xué)理論增加了2.45°~11.14°;蔡美峰(2004)等將固-流耦合的有限差分法、離散單元法和極限平衡分析法相結(jié)合,對高陡邊坡進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,使總體邊坡角提高了1°~6°;Zhou(2020)等采用極限平衡分析法和三維數(shù)值模擬方法,對緬甸某礦高陡邊坡不同工程地質(zhì)分區(qū)分別給出了具體的邊坡坡角優(yōu)化設(shè)計參數(shù);李景(2010)研究了高邊坡的穩(wěn)定情況以及變形破壞機制,結(jié)合邊坡穩(wěn)定性、最小工程費用和最優(yōu)化理論,求解出露采邊坡上下部設(shè)計坡角;鐘曉勇(2021)等采用有限元法和極限平衡法,確定了東明露天礦順層軟巖邊坡的極限穩(wěn)定坡角為22°。
目前,主要通過理論分析(宋子嶺等,2020)、模型試驗(朱建明等,2010)和數(shù)值試驗(蔡美峰等,2012)等方法對邊坡形態(tài)優(yōu)化進(jìn)行了研究。但理論分析方法的計算結(jié)果過于保守,僅考慮在重力作用下滑坡體的下滑力與滑移面上抗滑力的平衡問題;只能考慮“滑坡”一種邊坡破壞方式,只有“安全系數(shù)”一種邊坡穩(wěn)定性判斷指標(biāo)(蔡美峰等,2012)。模型試驗存在尺寸效應(yīng)、試驗條件簡化不合理、模型尺度與材料相似比不合理、試驗結(jié)果重復(fù)再現(xiàn)難度大、隨邊界條件的改變適應(yīng)性差、試驗周期長、對模型的精度要求較高,對于復(fù)雜邊坡模型,模擬難度較大等缺點(耿招,2019)。與理論分析與模型試驗相比,數(shù)值試驗需要的人力和財力更少、研究周期更短、更加靈活和方便(Mao等,2020)。因此,近年來數(shù)值試驗在巖質(zhì)邊坡中得到了廣泛的應(yīng)用。馮忠居(2020)等采用FLAC3D仿真軟件,分析了不同階段機械開挖和不同炮孔處靜力爆破條件下巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律;周子涵(2020)等利用FLAC3D有限差分軟件,研究了不同節(jié)理連通率和節(jié)理傾角條件下順傾斷續(xù)節(jié)理巖質(zhì)邊坡的破壞形態(tài);王章瓊(2014)等通過UDEC離散元軟件模擬分析了在自重、露采、地下開采等因素作用下的層狀反傾巖質(zhì)邊坡變形破壞特征;廖俊(2014)等運用FLAC3D軟件建立了順傾向?qū)訝顜r質(zhì)邊坡數(shù)值計算模型,采用強度折減法分析了邊坡穩(wěn)定性與巖層傾角的關(guān)系;Ning(2021)等采用逐步回歸分析和FLAC3D軟件對瀾滄江巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了應(yīng)力卸載效應(yīng)對邊坡穩(wěn)定性的影響;Shi(2020)等利用FLAC3D軟件,結(jié)合地層、地質(zhì)構(gòu)造和反演巖石力學(xué)參數(shù),建立了三維數(shù)值模型,對中國某開挖邊坡進(jìn)行了位移、應(yīng)力和塑性區(qū)分析。
為了研究渭北石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡破壞模式及形態(tài)優(yōu)化,筆者以渭北寶雞、咸陽石灰?guī)r露天采區(qū)為例,將遙感影像與無人機航拍技術(shù)相結(jié)合,對其高陡邊坡進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研及編錄,統(tǒng)計了研究區(qū)高陡邊坡特征,并分析了破壞模式及其穩(wěn)定性影響因素,在此基礎(chǔ)上采用正交試驗方法,結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬軟件,探討了石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡形態(tài)優(yōu)化設(shè)計,可為高陡巖質(zhì)邊坡破壞模式、邊坡形態(tài)優(yōu)化及邊坡生態(tài)修復(fù)研究提供參考。
研究區(qū)為陜西省關(guān)中盆地中西部的渭北寶雞、咸陽地區(qū),暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季冷暖干濕分明,年平均降雨量為537~737 mm,年平均氣溫為7.9~13.2 ℃,地處秦嶺與黃土臺塬前緣斜坡地帶之間(仵大磊,2010;劉文輝,2004),主要地貌單元分為:渭河谷地、河流階地、黃土臺塬、洪積扇、低山等(谷天峰,2004;鄧琴,2011),主要涉及地層有寒武系、奧陶系、石炭系、第三系,地表大面積出露有第四系。
渭北寶雞、咸陽地區(qū)石灰?guī)r資源由于長期高強度的開采,產(chǎn)生了五方面的環(huán)境地質(zhì)問題:①地質(zhì)災(zāi)害問題。地質(zhì)災(zāi)害類型以滑坡和崩塌為主,其中滑坡1處,崩塌及其隱患41處,以小型為主,占總數(shù)的65%(李成等,2018)(圖1a)。②地形地貌景觀破壞問題。石灰?guī)r露天開采剝離了地表巖土及其上生長的植被,對土地及自然景觀的破壞極大,形成了大面積的裸露高陡巖面及采坑(圖1b)。③人文景觀破壞問題。省級文物保護(hù)單位悟空禪師塔所在的咸陽市涇陽縣嵯峨山存在大量優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r,由于周邊露天開采爆破致使塔身出現(xiàn)裂縫(圖1c)。④土地資源破壞及占用問題。研究區(qū)廢石(土)渣累計達(dá)350萬t,大多堆放在采區(qū)周邊,占用破壞耕地55 hm2、林地240 hm2、草地125 hm2、其他類型土地360 hm2(李成等,2018)(圖1d)。⑤環(huán)境污染問題。石灰?guī)r開采過程中產(chǎn)生的大量粉塵,使礦區(qū)及周邊村鎮(zhèn)籠罩在粉塵之下,對當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境造成嚴(yán)重污染。
基于天地圖遙感影像圈定調(diào)查區(qū),采用野外現(xiàn)場調(diào)研結(jié)合無人機航拍進(jìn)行石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡編錄,石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡呈帶狀分布于渭河以北的低山區(qū)。具體野外現(xiàn)場調(diào)研點分布及調(diào)研過程見圖2。遙感衛(wèi)星影像野外驗證見圖3。
通過對渭北寶雞、咸陽地區(qū)石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡現(xiàn)場調(diào)研,共編錄邊坡285個,分別從坡高、邊坡坡面與巖層走向傾向關(guān)系、坡度、坡長四方面論述如下。
(1)坡高。根據(jù)《巖土工程手冊》(林在貫等,1994),巖質(zhì)邊坡坡高小于8 m時為低邊坡,在8~15 m時為中高邊坡,在15~30 m時為高邊坡,大于30 m為超高邊坡。研究區(qū)超高邊坡的數(shù)量占邊坡總量的83%,不同坡高區(qū)間邊坡數(shù)量統(tǒng)計圖(圖4)。
a.地質(zhì)災(zāi)害破壞問題實景(禮泉縣魏陵村);b.地形地貌景觀破壞問題實景(涇陽縣孟家塬村);c.人文景觀破壞問題實景(三原縣嵯峨山);d.土地資源破壞及占用問題實景(涇陽縣孟家塬村)圖1 研究區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題實景圖Fig.1 Map of environmental geological problems in the study area
圖2 野外現(xiàn)場調(diào)研點分布圖Fig.2 Distribution and investigation process of field investigation points
a.淳化縣興隆鎮(zhèn)蔡家溝村采石場;b.淳化縣方里鎮(zhèn)興安嶺村采石場;c.涇陽縣口鎮(zhèn)吊莊村采石場; d.三原縣三原縣嵯峨鎮(zhèn)嵯峨山采石場圖3 遙感衛(wèi)星影像野外驗證Fig.3 Field validation of remote sensing satellite images
圖4 不同坡高區(qū)間邊坡數(shù)量統(tǒng)計圖Fig.4 Statistical map of slope quantity between different slope height zones
(2)邊坡坡面與巖層走向傾向關(guān)系。將巖層與坡面走向傾向基本一致的邊坡稱為順向邊坡,將二者走向基本一致但傾向相反的邊坡稱為反向邊坡,將二者走向呈較大角度(>45°)相交的邊坡稱為斜向邊坡,將二者走向接近垂直的邊坡稱為直立邊坡(周斌,2018;楊成等,2019)。研究區(qū)有順向邊坡107個,反向邊坡65個,斜向邊坡108個,直立邊坡5個,分別占邊坡總數(shù)的37.54%、22.81%、37.89%、1.75%(圖5)。
圖5 邊坡坡面與巖層走向傾向關(guān)系分類統(tǒng)計Fig.5 Classification statistics of relationship between slope and rock strike and tendency
(3)坡度。根據(jù)《巖土工程手冊》(林在貫等,1994),坡度小于15°時為緩坡,在15°~30°時為中等坡,在30°~60°時為陡坡,大于60°至垂直時為急坡,大于90°時為倒坡。研究區(qū)邊坡坡度多集中在60°~90°,占總數(shù)的86%(圖6)。
圖6 不同坡度區(qū)間邊坡數(shù)量統(tǒng)計圖Fig.6 Statistics of slope quantity in different slope sections
(4)坡長。坡長是指坡面的水平投影長度(陳剛等,2019)。根據(jù)《巖土工程手冊》(林在貫等,1994),坡長小于100 m時為短邊坡,在100~300 m時為中長邊坡,在大于300 m時為長邊坡。研究區(qū)主要為短邊坡,占總數(shù)的51%,其次為中長邊坡占總數(shù)的42%(圖7)。
圖7 不同坡長區(qū)間邊坡數(shù)量統(tǒng)計Fig.7 Statistics of slope quantity in different slope lengths
石灰?guī)r強度較高,研究區(qū)高陡邊坡不易發(fā)生整體失穩(wěn),往往以局部破壞為主,主要存在3種破壞模式:順層滑移破壞、楔形體破壞、傾倒破壞。
(1)順層滑移破壞。順層滑移破壞是指當(dāng)邊坡前緣坡腳臨空并且具有明顯的順傾向滑動面時,巖層沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移的現(xiàn)象(唐浩,2009),常發(fā)生于開挖坡角大于巖層傾角的陡傾順層巖質(zhì)邊坡中(李安洪等,2009)。目前已關(guān)閉的涇陽縣水泥廠生產(chǎn)規(guī)模為25萬t/a,礦區(qū)邊坡坡向為225°,坡度為40°~70°,其主要破壞模式為順層滑移破壞。邊坡經(jīng)開挖后,邊坡坡腳出現(xiàn)臨空面,平衡狀態(tài)改變,同時其后緣存在與巖層層面貫通的張裂隙,為邊坡發(fā)生滑移破壞提供了基本條件,由于降水滲入誘發(fā)裂隙向深部擴展并逐漸相互貫通,在重力作用下即發(fā)生順層滑移破壞(圖8)。
(2)楔形體破壞。楔形體破壞是指當(dāng)邊坡中存在兩組及兩組以上貫通結(jié)構(gòu)面時形成楔形體,該楔形體沿著結(jié)構(gòu)面的交線方向產(chǎn)生滑動(謝黎黎,2019),常發(fā)生于中厚層狀-塊狀邊坡巖體中(常來山等,2014)。楔形體發(fā)生破壞時楔形體同時沿兩個結(jié)構(gòu)面向下滑動,其力學(xué)性質(zhì)較為復(fù)雜。乾縣新陽鎮(zhèn)東尖山采石場中,存在明顯的楔形體破壞(圖9)。由于其開挖坡面上發(fā)育多組節(jié)理裂隙,使邊坡巖體整體強度降低,受降水、風(fēng)化等因素的影響,節(jié)理不斷發(fā)育直至貫通,導(dǎo)致其抗剪強度降低,在重力作用下發(fā)生楔形體破壞。
(3)傾倒破壞。傾倒破壞是指結(jié)構(gòu)面與坡面傾向相反、走向近似一致時,由該組結(jié)構(gòu)面切割而形成的巖柱發(fā)生彎曲而產(chǎn)生破壞(吳順川等,2017)。傾倒破壞分為原生傾倒破壞與次生傾倒破壞,原生傾倒破壞是由自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力作用引起的,可分為彎曲式傾倒、巖塊式傾倒及巖塊彎曲復(fù)合式傾倒3種基本類型,次生傾倒破壞是由于自然因素(侵蝕或風(fēng)化)或人為因素而引起的(霍克等,1983)。三原縣嵯峨鎮(zhèn)嵯峨山采石場的傾倒破壞類型為次生傾倒破壞,邊坡巖體受長期風(fēng)化作用影響,節(jié)理裂隙發(fā)育,且邊坡底部被開挖,巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài),隨著節(jié)理裂隙不斷向深部發(fā)展,發(fā)生次生傾倒破壞(圖10)。
圖8 石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡順層滑移破壞(涇陽縣孟家塬村)Fig.8 Bedding sliding failure of high and steep slope in limestone open-pit mining area
圖9 石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡楔形體破壞(乾縣新陽鎮(zhèn)東尖山)Fig.9 Wedge failure of high and steep slope in limestone open-pit mining area
圖10 石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡傾倒破壞(三原縣嵯峨山)Fig.10 Collapse failure of high and steep slope in limestone open-pit mining area
邊坡穩(wěn)定性影響因素可分為內(nèi)在因素和外在因素2個方面,其中內(nèi)在因素起控制作用,包括巖性特征、巖體結(jié)構(gòu)、邊坡形態(tài)等;外在因素為促發(fā)因素,包括水的作用、風(fēng)化作用等(劉才華等,2012)。
(1)巖性特征。巖性是決定巖體強度和邊坡穩(wěn)定性的重要因素(張艷博等,2014)。研究區(qū)巖性主要為石灰?guī)r、白云巖及黏土巖。石灰?guī)r與白云巖強度較高,其間夾雜的黏土巖強度低,抗風(fēng)化能力弱,遇水浸泡易軟化,容易形成軟弱滑動面。
(2)巖體結(jié)構(gòu)。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001),巖體結(jié)構(gòu)可劃分為整體狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎裂狀結(jié)構(gòu)及散體狀結(jié)構(gòu)。層狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)及散體結(jié)構(gòu)發(fā)育的邊坡易于破壞(呂慶,2006)。研究區(qū)邊坡巖體結(jié)構(gòu)主要為塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)及碎裂狀結(jié)構(gòu)。塊狀結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性較好;當(dāng)巖層傾向傾角接近邊坡開挖角時,層狀結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性較差;碎裂狀結(jié)構(gòu)邊坡巖體破碎,完整性較差,穩(wěn)定性也較差。
(3)邊坡形態(tài)。邊坡的坡高、坡度、斷面形態(tài)及臨空程度等邊坡形態(tài)要素對邊坡穩(wěn)定性有直接的影響作用(吳順川等,2017)。邊坡坡度越陡,坡高越大,其穩(wěn)定性越差,凹形坡比凸形坡更穩(wěn)定。邊坡形態(tài)的改變影響著邊坡內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的分布,坡角越大,坡頂與坡面拉應(yīng)力帶的范圍越大,坡角應(yīng)力集中帶的最大剪應(yīng)力增加,不利于邊坡穩(wěn)定(姜德義等,2005)。研究區(qū)邊坡經(jīng)長期風(fēng)化剝蝕,巖體破碎,極易局部失穩(wěn)。
(4)水的作用。研究區(qū)邊坡失穩(wěn)多發(fā)生在約占全年降雨量的53%的7~9月雨季。隨著降雨入滲,巖體以及裂隙的含水率逐漸增大,當(dāng)達(dá)到飽和狀態(tài)時,巖體力學(xué)性質(zhì)改變,抗剪強度、基質(zhì)吸力、內(nèi)聚力均有所降低,使邊坡穩(wěn)定性大幅降低(單鄲等,2020)。水對邊坡的影響作用主要包括3個方面:①靜水壓力。巖石裂隙中賦存的水,會對裂隙壁產(chǎn)生靜水壓力,當(dāng)相鄰裂隙間的地下水位不同時,靜水壓力差促使邊坡后緣的拉張裂隙進(jìn)一步加深、加寬,直到與潛在滑移面連通,從而引發(fā)邊坡失穩(wěn)(白云峰,2005)。②動水壓力。當(dāng)邊坡裂隙中的動水壓力較大時,水流會帶走裂隙中的巖石顆粒及其可溶成分,使巖體內(nèi)聚力減小,摩擦力降低,產(chǎn)生的潛蝕作用對邊坡穩(wěn)定性極為不利(邱平等,2006)。③軟化作用。對于節(jié)理裂隙發(fā)育的邊坡,經(jīng)水體侵蝕后,內(nèi)聚力降低,內(nèi)摩擦角減弱,抗剪強度降低,邊坡穩(wěn)定性降低(邱平等,2006)。
(5)風(fēng)化作用。根據(jù)風(fēng)化作用的性質(zhì)及其影響因素的不同,可將其分為物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化(李淑一等,2019)。研究區(qū)主要為卸載作用、熱脹冷縮的物理風(fēng)化及溶解作用為主的化學(xué)風(fēng)化。風(fēng)化作用會增大結(jié)構(gòu)面的規(guī)模,并產(chǎn)生風(fēng)化裂隙等一系列次生結(jié)構(gòu)面,巖體中的裂隙加深、加寬,巖體完整性降低,強度減弱,不利于邊坡穩(wěn)定。風(fēng)化速度受巖石成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及溫度、濕度、降雨等因素的控制。研究區(qū)石灰?guī)r露天采區(qū),邊坡上部的風(fēng)化程度較下部嚴(yán)重。
正交試驗設(shè)計是研究與處理多因素多水平試驗的一種科學(xué)方法(郭運瑞等,2018),其優(yōu)點是在不影響試驗效果的前提下,以盡可能少的試驗次數(shù)安排試驗,并能通過對試驗結(jié)果的分析,選出較好的試驗條件,即各因素的最優(yōu)水平組合(刁明碧等,1998)。筆者考慮坡度、巖層傾角、臺階數(shù)和臺階寬度4種因素,對研究區(qū)高陡邊坡進(jìn)行正交試驗設(shè)計。邊坡的穩(wěn)定性隨坡高的增大而減小,選用已調(diào)查邊坡坡高統(tǒng)計值的中位數(shù)80 m,來反映渭北石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡的高度特征。順向邊坡穩(wěn)定性最差,斜向邊坡次之,反向邊坡穩(wěn)定性最好(楊創(chuàng)奇等,2015),筆者僅對石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡的順向邊坡和反向邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。研究區(qū)邊坡坡度多集中在60°~90°,筆者取65°、75°和85°進(jìn)行分析。假設(shè)各因素間無交互作用,對所確定的4種因素選擇L16(44)正交表安排試驗,具體正交試驗設(shè)計見表1。
表1 渭北石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡形態(tài)優(yōu)化設(shè)計正交試驗安排表Tab.1 Orthogonal test schedule for shape optimization design of high and steep slope in Weibei limestone open-pit mining area
正交試驗設(shè)計的極差分析簡便易行,計算量小,也較直觀,但極差分析精度較差,判斷因素的作用時(徐大衛(wèi)等,2014),缺乏一個定量的標(biāo)準(zhǔn),要用定量的標(biāo)準(zhǔn)較精確地來判斷和分析問題,就需要用方差分析的方法來解決(郭運瑞等,2018)。計算各因素的偏差平方和,以偏差平方和的大小來判定各因素對邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響(李丹楓,2017)。筆者將試驗的16個結(jié)果分別記為y1,y2,y3,…,yn,…,y16,則所有因素總水平的值T和各水平邊坡穩(wěn)定系數(shù)之和的平均值Ki如下。
(1)
(2)
式中:Ⅰj——第j列因素水平“1”對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)之和;
Ⅱj——第j列因素水平“2”對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)之和;
Ⅲj——第j列因素水平“3”對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)之和;
Ⅳj——第j列因素水平“4”對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)之和;
a——各水平的實驗次數(shù)。
(3)
由式(2)、式(3)得出第j列因素的偏差平方和Sj如下。
(4)
采用FLAC3D有限差分軟件對表1中設(shè)計的16種正交試驗方案進(jìn)行數(shù)值模擬,根據(jù)石灰?guī)r高陡邊坡的巖土體特征,建立石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡幾何模型(圖11)。采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型,對模型前后及左右邊界采用水平位移約束,底部采用垂直位移約束,邊坡模型表面設(shè)定為自由面,在計算中只考慮Z方向的自重應(yīng)力。在充分考慮邊坡的尺寸效應(yīng)后,建立石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡計算模型(圖12)。此處由于篇幅所限僅展示其中一個模型,其他模型與此模型僅在坡面處不同。筆者選用的渭北石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡數(shù)值模擬模型參數(shù)(表2)。
圖11 石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡幾何模型Fig.11 Geometric model of high and steep slope in limestone open-pit mining area
圖12 石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡計算模型Fig.12 Calculation model of high and steep slope in limestone open-pit mining area
表2 渭北石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡數(shù)值模擬模型參數(shù)Tab.2 Slope model parameters of open-pit mining area in Weibei limestone
運用強度折減法進(jìn)行數(shù)值模擬計算,抗剪強度參數(shù)折減后的表達(dá)式如下。
(5)
(6)
式中:c和φ是巖土體所能夠提供的抗剪強度;cm和φm是維持平衡所需要的實際發(fā)揮的抗剪強度;Fr是強度折減系數(shù)。
計算中通過假設(shè)不同的強度折減系數(shù)Fr,并對折減后的強度參數(shù)進(jìn)行有限元數(shù)值計算,觀察是否收斂。通過不斷的增大Fr,來使邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài),此時的強度折減系數(shù)Fr便等效于邊坡的安全系數(shù)Fs(白潤才等,2018)。數(shù)值模擬邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果見表3。
方差分析也稱變異數(shù)分析或檢驗,是對多個正態(tài)總體在它們的方差相同的條件下,檢驗它們的均值是否相等的一種統(tǒng)計方法(洪港等,2019)。筆者采用L16(44)正交表,利用SPSS軟件對安全系數(shù)計算結(jié)果進(jìn)行正交試驗方差分析,其方差分析結(jié)果如表4所示。
表3 渭北石灰?guī)r露天采區(qū)邊坡形態(tài)優(yōu)化設(shè)計正交試驗結(jié)果Tab.3 Orthogonal test results of slope shape optimization design in Weibei limestone open-pit mining area
表4 渭北石灰?guī)r露天采區(qū)邊坡形態(tài)優(yōu)化方差分析結(jié)果表Tab.4 Table of variance analysis results of slope morphology optimization in limestone open-pit mining area of Weibei
由表4可知,巖層傾角、坡度和臺階寬度對邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響是顯著的,臺階數(shù)對邊坡安全系數(shù)的影響不顯著。各因素偏差平方和Sj的大小關(guān)系為巖層傾角>坡度>臺階寬度>臺階數(shù),說明巖層傾角是影響石灰?guī)r高陡邊坡穩(wěn)定性的主控因素。要確定最后的邊坡形態(tài)優(yōu)化方案,需要對各個因素的各水平安全系數(shù)之和的平均值Ki進(jìn)行比較,以邊坡穩(wěn)定系數(shù)最大及生態(tài)修復(fù)來確定因素的最優(yōu)組合,即為巖層傾角反傾為40°,坡度為65°,臺階寬度為4 m,臺階數(shù)為10級。
渭北地區(qū)石灰?guī)r資源儲量豐富,探明儲量大,是重要的石灰?guī)r資源賦存地及來源地。筆者以渭北寶雞、咸陽石灰?guī)r露天采區(qū)的高陡邊坡為例,采用無人機航拍技術(shù)進(jìn)行實地調(diào)研,并結(jié)合正交試驗與數(shù)值模擬方法,對渭北寶雞、咸陽石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡的破壞模式及邊坡形態(tài)優(yōu)化進(jìn)行了研究。
(1)根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研共編錄285個邊坡,其中渭北石灰?guī)r露天采區(qū)超高邊坡數(shù)目占邊坡總量的83%,順向邊坡占37.54%,反向邊坡占22.81%,斜向邊坡占37.89%,直立邊坡占1.75%,邊坡坡度集中在60°~90°,此區(qū)間邊坡數(shù)占總數(shù)的86%,坡長多小于100 m。
(2)渭北寶雞、咸陽石灰?guī)r露天采區(qū)經(jīng)長期高強度開采,形成大面積的高陡巖質(zhì)邊坡,可將其破壞模式歸納為3種,即順層滑移破壞、楔形體破壞、傾倒破壞。造成邊坡變形破壞的原因主要包括內(nèi)在因素和外在因素,其中內(nèi)在因素是邊坡產(chǎn)生變形破壞的主導(dǎo)因素,主要包括巖性特征、巖體結(jié)構(gòu)和邊坡形態(tài)3個方面。
(3)對正交試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析知,巖層傾角、坡度和臺階寬度對邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響是顯著的,臺階數(shù)對邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響不顯著。4個因素對邊坡穩(wěn)定系數(shù)影響的主次關(guān)系為:巖層傾角>坡度>臺階寬度>臺階數(shù),說明巖層傾角是影響石灰?guī)r高陡邊坡穩(wěn)定性的主要影響因素。
(4)以邊坡穩(wěn)定系數(shù)最大來確定因素的最優(yōu)組合,即為巖層傾角反傾為40°,坡度為65°,臺階寬度為4m,臺階數(shù)主要考慮巖質(zhì)邊坡后續(xù)綠化防治的效果,取臺階數(shù)為10級。