某厚大風(fēng)化層高陡邊坡穩(wěn)定性分析及治理方案研究

武 飛 胡 崴

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山資產(chǎn)管理有限公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司）

邊坡是指具有側(cè)向臨空面的地質(zhì)體，可分為自然邊坡和人工邊坡。前者是通過自然地質(zhì)作用形成，后者是通過人工開挖、改造形成。露天礦山邊坡往往具有高度大、坡度陡、失穩(wěn)危害大等特點(diǎn)，且受礦山開采過程中巖體位移和應(yīng)力變化、爆破振動(dòng)、雨水沖刷及巖體風(fēng)化等因素影響，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性問題對(duì)露天礦山生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效益的影響日益凸顯［1-4］。開展露天礦山邊坡穩(wěn)定性分析，一方面可以準(zhǔn)確掌握邊坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀，另一方面可以為礦山邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)或邊坡治理方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)，對(duì)防止產(chǎn)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害以及保障礦山生產(chǎn)安全具有重要意義［5-6］。目前常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有工程類比法、極限平衡法和數(shù)值分析法等，極限平衡法具有計(jì)算便捷、目標(biāo)明確等優(yōu)點(diǎn)，在邊坡工程中應(yīng)用最為廣泛。本文針對(duì)礦山高陡邊坡特點(diǎn)，采用極限平衡法對(duì)現(xiàn)狀邊坡和治理后邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為確定科學(xué)、合理的邊坡治理方案提供依據(jù)。

1 工程概況

某建筑石料礦采用露天開采方式，經(jīng)過多年的開采，在地表形成了南北向長(zhǎng)約450 m、東西向?qū)捈s430 m的露天采坑。共形成了12個(gè)安全平臺(tái)，最低平臺(tái)標(biāo)高為+110 m，最高平臺(tái)標(biāo)高為+290 m，臺(tái)階高度10～20 m，臺(tái)階坡面角45°～75°，整體邊坡最大高度約196 m，整體邊坡角39.5°～49.5°。

礦區(qū)工程地質(zhì)條件為中等類型，組成邊坡的巖體主要為第四系殘坡積層、較堅(jiān)硬的風(fēng)化花崗巖及堅(jiān)硬的花崗巖，其中殘坡積層及風(fēng)化花崗巖厚度35～55 m。礦區(qū)內(nèi)無斷裂構(gòu)造，礦區(qū)及周邊未發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂痕跡，但受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，巖礦體節(jié)理裂隙發(fā)育。主要發(fā)育3組節(jié)理：節(jié)理1產(chǎn)狀150°∠65°、節(jié)理2產(chǎn)狀280°∠70°、節(jié)理3產(chǎn)狀95°∠45°。礦區(qū)水文地質(zhì)條件為簡(jiǎn)單類型，地下水主要為松散巖類孔隙水和塊狀巖類裂隙水，基巖裂隙含水層富水性較弱。地下水對(duì)礦坑充水條件弱，礦坑充水的主要來源為大氣降水。

由于礦山開采過程中部分臺(tái)階邊坡高度和坡度留設(shè)過大，加上礦山生產(chǎn)過程中頻繁的爆破振動(dòng)等因素影響，露天采場(chǎng)邊坡上部風(fēng)化層已產(chǎn)生了多處小型滑坡。由于東側(cè)和南側(cè)邊坡整體邊坡角已超過設(shè)計(jì)值（45°），且上部風(fēng)化層厚度較大，預(yù)測(cè)邊坡產(chǎn)生進(jìn)一步滑坡的可能性大，對(duì)礦山生產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重威脅。

2 現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡工程分區(qū)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，礦山露天采場(chǎng)東側(cè)邊坡整體坡度最大，組成邊坡巖體主要為堅(jiān)硬花崗巖和風(fēng)化花崗巖，風(fēng)化層厚度較大；南側(cè)邊坡整體高度最大，組成邊坡巖體主要為堅(jiān)硬花崗巖和風(fēng)化花崗巖；西側(cè)邊坡整體高度和坡度均不大，組成邊坡巖體以風(fēng)化花崗巖為主。綜合考慮露天采場(chǎng)邊坡位置、邊坡整體高度及邊坡角、工程地質(zhì)巖組等多種因素，將礦山邊坡共分為3個(gè)區(qū)，編號(hào)分別為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。各分區(qū)情況見圖1。

2.2 邊坡潛在破壞模式分析

巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性主要受到巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的控制，結(jié)構(gòu)面之間相互的空間位置、組合關(guān)系及其物理力學(xué)性質(zhì)等，對(duì)邊坡穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用。巖體邊坡常見的破壞模式主要包括圓弧形破壞、簡(jiǎn)單平面破壞、楔形破壞和復(fù)合型破壞等［7］。通過結(jié)構(gòu)面赤平投影分析，節(jié)理1和節(jié)理3與Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)邊坡反交，與Ⅲ區(qū)邊坡正交，傾角大于Ⅲ區(qū)邊坡整體邊坡角；節(jié)理2與Ⅲ區(qū)邊坡反交，與Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)邊坡正交，傾角大于Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)邊坡整體邊坡角（圖2）。故3組節(jié)理對(duì)礦區(qū)整體邊坡穩(wěn)定性的影響均不大，判斷整體邊坡潛在破壞模式主要為圓弧形破壞。

2.3 現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析

在對(duì)研究范圍內(nèi)的邊坡進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)踏勘和地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合以往礦區(qū)地質(zhì)資料，建立了與實(shí)際相符的地質(zhì)模型。采用基于極限平衡法的GEO Studio Slope軟件，對(duì)3種荷載組合（荷載組合Ⅰ為自重+地下水，荷載組合Ⅱ?yàn)樽灾?地下水+爆破震動(dòng)力，荷載組合Ⅲ為自重+地下水+地震力）下的邊坡的安全穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。

在巖石力學(xué)試驗(yàn)和巖體質(zhì)量分級(jí)的基礎(chǔ)上，采用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則換算法和經(jīng)驗(yàn)折減法等對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減后，得到了巖體物理力學(xué)指標(biāo)推薦值，詳見表1。

礦區(qū)屬抗震設(shè)防烈度Ⅵ度區(qū)，基本地震加速度值為0.05g，地震力影響系數(shù)為0.012 5。根據(jù)礦山開采爆破參數(shù)及采場(chǎng)地質(zhì)條件等，采用擬靜力法計(jì)算得出爆破振動(dòng)力水平影響系數(shù)為0.006。

根據(jù)鉆孔勘察確定的地下水位，采用有限元方法計(jì)算得到邊坡地下水滲流場(chǎng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析。

根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016—2014），確定邊坡安全等級(jí)為Ⅰ級(jí)，選取3種荷載組合條件下的邊坡最小允許安全系數(shù)分別為1.20、1.18和1.15。

在每個(gè)分區(qū)選取了1個(gè)典型剖面（編號(hào)分別為A—A、B—B、C—C），計(jì)算結(jié)果表明，現(xiàn)狀Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)邊坡安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，Ⅲ區(qū)邊坡在上述3種工況下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。Ⅰ區(qū)邊坡整體穩(wěn)定性較差，潛在最危險(xiǎn)滑動(dòng)面深度較大，且滑動(dòng)面從整個(gè)邊坡各層巖體中穿過；Ⅱ區(qū)邊坡上部風(fēng)化層穩(wěn)定性較差，潛在最危險(xiǎn)滑動(dòng)面深度相對(duì)較小，位于上部風(fēng)化層巖體中。荷載組合Ⅲ條件下計(jì)算結(jié)果詳見圖3，各工況下安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。

3 邊坡治理方案

3.1 方案推薦

邊坡治理常用的方法主要包括削坡減載、回填壓腳以及邊坡加固3類。由于礦山露天采場(chǎng)底部還存在部分礦石資源，回填壓腳將造成礦山剩余資源無法開采，故不適宜采用回填壓腳的方式進(jìn)行治理。根據(jù)現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，由于Ⅰ區(qū)邊坡整體穩(wěn)定性較差，且潛在滑動(dòng)面深度大，采用加固方式或削坡減載方式進(jìn)行治理，存在工程量大、工期長(zhǎng)、工程造價(jià)高以及施工工藝復(fù)雜等的缺點(diǎn)。因此，推薦Ⅰ區(qū)邊坡采用削坡減載方式進(jìn)行治理。Ⅱ區(qū)邊坡僅上部風(fēng)化層穩(wěn)定性較差，潛在滑動(dòng)面深度較小，對(duì)于局部不穩(wěn)定邊坡，由于邊坡削坡厚度較小，施工作業(yè)面狹小，削坡所需采用的挖掘機(jī)等大型機(jī)械施工作業(yè)困難且安全性難以保障；由于潛在滑動(dòng)面深度較小，更適合采用加固方式進(jìn)行治理，故推薦Ⅱ區(qū)邊坡采用錨桿加固方式進(jìn)行治理［8-9］。

Ⅰ區(qū)邊坡削坡減載方案首先考慮采用礦山開采設(shè)計(jì)臺(tái)階邊坡參數(shù)，但由于現(xiàn)狀邊坡與礦山前期設(shè)計(jì)時(shí)的邊坡相比已發(fā)生了較大變化，按照礦山開采設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)現(xiàn)狀邊坡進(jìn)行削坡減載后，形成的最終邊坡整體邊坡角為45.6°，將大于原設(shè)計(jì)值45°，且經(jīng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析，其安全系數(shù)也不能滿足規(guī)范要求，因此需要對(duì)邊坡參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化?？紤]到礦區(qū)風(fēng)化層厚度較大，建議將風(fēng)化層巖體的臺(tái)階坡面角由65°降低至60°，總體邊坡角相應(yīng)降低至44.5°，最終推薦邊坡削坡減載方案如表3所示。

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析的得到的潛在滑動(dòng)面分布情況，推薦對(duì)Ⅱ區(qū)邊坡+220 m以上不穩(wěn)定地段的風(fēng)化層巖體采用普通水泥砂漿錨桿進(jìn)行加固。通過邊坡滑坡推力和錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算，確定錨桿直徑32 mm，錨桿長(zhǎng)度20 m，錨固長(zhǎng)度不小于5 m，間距4.5 m×4.5 m，入射角25°，鉆孔直徑110 mm，采用強(qiáng)度等級(jí)為M30的水泥砂漿進(jìn)行注漿。

3.2 邊坡治理方案穩(wěn)定性校核結(jié)果

根據(jù)推薦的邊坡治理方案，對(duì)治理后的邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算校核。計(jì)算結(jié)果表明，采用推薦參數(shù)進(jìn)行錨桿加固后，邊坡安全系數(shù)均可以滿足規(guī)范要求。計(jì)算結(jié)果見表4和圖4所示。

4 結(jié)論

（1）采用極限平衡法對(duì)某礦山3個(gè)分區(qū)的厚大風(fēng)化層高陡邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明該礦山Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，Ⅲ區(qū)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。受不同整體邊坡角和風(fēng)化層厚度等因素影響，礦山Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)欠穩(wěn)定邊坡的滑坡破壞類型分別為整體深層圓弧型破壞和局部淺層圓弧型破壞。

（2）根據(jù)不同潛在滑坡破壞類型，考慮治理方案經(jīng)濟(jì)性和施工安全性等因素，對(duì)Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)欠穩(wěn)定邊坡分別提出了分臺(tái)階削坡減載和錨桿加固的治理方案，并確定了合理的削坡減載和錨桿加固參數(shù)。邊坡穩(wěn)定性校核分析結(jié)果表明，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)治理后邊坡的安全系數(shù)均得到了較大幅度提高，能夠滿足規(guī)范要求。研究推薦的治理方案具有經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠以及施工工藝與礦山現(xiàn)狀邊坡相適應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，為礦山后續(xù)開展邊坡治理設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。