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)化研究

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(jī)理與防控重點(diǎn)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(diǎn)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)

0 引言

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(qiáng)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(yùn)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(qiáng)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(jī)制，結(jié)合邊坡穩(wěn)定性、最小工程費(fèi)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(diǎn)(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(jī)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(yùn)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(qiáng)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(jī)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。

1 渭北石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡特征

1.1 研究區(qū)概況

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(qiáng)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。

1.2 現(xiàn)場調(diào)研

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(jī)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(diǎn)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。

1.3 高陡邊坡特征

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(diǎn)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

2 渭北石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡破壞模式及其穩(wěn)定性影響因素分析

2.1 破壞模式分析

石灰?guī)r強(qiáng)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(kuò)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(qiáng)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(qiáng)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

2.2 穩(wěn)定性影響因素分析

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(qiáng)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(qiáng)度較高，其間夾雜的黏土巖強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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。

3 渭北石灰?guī)r露天采區(qū)高陡邊坡形態(tài)優(yōu)化設(shè)計數(shù)值試驗

3.1 正交試驗

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(yùn)瑞等，2018)，其優(yōu)點(diǎn)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(yùn)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)

3.2 數(shù)值模擬

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(yùn)用強(qiáng)度折減法進(jìn)行數(shù)值模擬計算，抗剪強(qiáng)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(qiáng)度；cm和φm是維持平衡所需要的實際發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度；Fr是強(qiáng)度折減系數(shù)。

計算中通過假設(shè)不同的強(qiáng)度折減系數(shù)Fr，并對折減后的強(qiáng)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(qiáng)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。

3.3 結(jié)果分析

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。

4 結(jié)論

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(jī)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(qiáng)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。