基于極限平衡法的弓長嶺露天礦邊坡穩(wěn)定性分析

王澤琦 盧曉輝 谷曉冬

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)弓長嶺有限公司露采分公司；2.鞍鋼集團(tuán)鞍千礦業(yè)有限責(zé)任公司）

滑坡災(zāi)害是影響露天金屬礦山安全開采的核心問題［1］，露天邊坡穩(wěn)定性分析與評價是邊坡工程主要的研究方向。邊坡的變形、破壞、失穩(wěn)是個復(fù)雜的過程，由于構(gòu)成邊坡的巖土體物質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，邊坡通常具有不同的破壞模式。目前，邊坡穩(wěn)定性分析方法有理論計算法、過程機(jī)制分析法及工程地質(zhì)類比法，其中，理論計算法應(yīng)用最為廣泛，包括極限平衡法［2］、數(shù)值分析法［3-4］等。極限平衡法是當(dāng)前國內(nèi)外應(yīng)用最多的邊坡穩(wěn)定性分析方法，該方法以摩爾-庫侖抗剪強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，將邊坡坡體劃分為若干條塊，并建立作用在條塊上力系的平衡方程式。通過應(yīng)用力學(xué)分析，在不同負(fù)荷影響下對潛在滑動面進(jìn)行理論估計和抗滑強(qiáng)度的分析，進(jìn)而通過反復(fù)計算和數(shù)據(jù)分析來求得潛在滑動面的穩(wěn)定性系數(shù)。極限平衡分析法的思路是認(rèn)為巖土體的損傷是由滑動面移動產(chǎn)生，滑動巖土體是理想的剛塑性體，并且沿滑動面上各點的強(qiáng)度發(fā)揮程度及抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)相同，該方法的關(guān)鍵在于對潛在變形體的范圍和潛在滑動面的形態(tài)進(jìn)行分析，正確選用滑面強(qiáng)度參數(shù)以及正確分析滑體的各種荷載。目前比較常用的方法有條分法［5］、圓弧法、Bishop 法、Janbu 法、不平衡傳遞系數(shù)法以及SARMA法［6-8］等，這些方法采用的假設(shè)條件不同，適用于不同的破壞模式。極限平衡計算方法比較可靠、直觀、簡單。

本文以弓長嶺露天礦何家采區(qū)北幫邊坡為研究對象，為便于進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評價，首先對采區(qū)進(jìn)行工程地質(zhì)分區(qū)及邊坡分區(qū)，并分析該區(qū)域的滑坡模式；接著，根據(jù)邊坡設(shè)計分區(qū)的幾何形態(tài)、地層情況選取典型計算剖面；最后，基于極限平衡法對選取的剖面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，以期為邊坡綜合治理提供參考。

1 何家采區(qū)概況及邊坡分區(qū)

1.1 何家采區(qū)概況

弓長嶺鐵礦位于遼寧省遼陽市弓長嶺區(qū)，主要分為何家、獨木與大砬子3 個采區(qū)，目前均處在深凹開采中。何家采區(qū)北幫屬于工程地質(zhì)Ⅰ區(qū)，區(qū)內(nèi)終了邊坡的地層巖性主要是鞍山群茨溝組成礦地層底部K1 片巖帶，局部臺階出露Fe1 礦層和斜長角閃巖巖組，巖體呈順傾層狀結(jié)構(gòu)，巖性軟弱，強(qiáng)度較低。終了邊坡最大高度474 m，區(qū)內(nèi)邊坡面傾向143°～214°，總體傾向S179°，設(shè)計終了邊坡總體邊坡角16°～19°。

何家采區(qū)北幫邊坡高山采區(qū)老滑體自20世紀(jì)80年代形成至今，北幫邊坡長期處于蠕動變形狀態(tài)，隨下部臺階采剝生產(chǎn)，陸續(xù)發(fā)生了數(shù)次規(guī)模大小不一的邊坡蠕動變形，對工作平盤各級臺階按設(shè)計靠界并段和鐵路線運輸安全造成不良影響，如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)分區(qū)

為了評述采場工程地質(zhì)條件，對采區(qū)進(jìn)行工程地質(zhì)分區(qū)。分區(qū)的原則是將工程地質(zhì)條件基本相同的區(qū)段劃分到同一分區(qū)，包括地層、巖性、構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等。

何家采區(qū)邊幫部位出露巖組主要有4組：位于采場下盤北幫的鞍山群茨溝組片巖巖組，位于西端幫及上盤南幫的混合花崗巖巖組，位于東北端局部出露的震旦系釣魚臺組石英巖和南芬組泥灰?guī)r、頁巖巖組。這4 個巖組的巖性、結(jié)構(gòu)具有明顯的區(qū)別，可將采場分為3個工程地質(zhì)分區(qū)。其中，采場下盤北幫研究區(qū)域被劃分在I區(qū)，地層巖性為鞍山群茨溝組成礦巖層，主要包括鐵礦層、斜長角閃巖、K1 片巖帶和K2 片巖帶。根據(jù)邊坡巖性分布和巖體結(jié)構(gòu)又可將I區(qū)進(jìn)一步劃分為2個亞區(qū)：I-1亞區(qū)位于采場北部，巖性為鞍山群茨溝，組成礦地層底部，可構(gòu)成終了邊幫的K1 片巖帶巖組；I-2 亞區(qū)位于采場中部，巖性為鞍山群茨溝，組成礦地層中上部，基本不構(gòu)成終了邊坡，由Fe1 層、Fe2 層與斜長角閃巖互層帶及K2 片巖帶組成的巖組。

1.3 邊坡分區(qū)

采場邊幫臺階穩(wěn)定性的因素除巖層性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)類型外，還與巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、性質(zhì)、產(chǎn)狀與邊坡面的傾向組合有關(guān)。邊坡分區(qū)有利于進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評價，分區(qū)原則基于工程地質(zhì)條件、邊坡幾何形狀和邊坡傾向的相似性，將相同的區(qū)段劃分到同一分區(qū)。因此，在各分區(qū)中，可以使用典型剖面和相同參數(shù)來計算和分析邊坡的穩(wěn)定性。

何家采區(qū)可劃分為8 個邊坡分區(qū)。在各邊坡分區(qū)中，由于邊坡高度、邊坡方向、巖體破壞模式以及同一巖組的不同巖性段等因素，邊坡分區(qū)又可細(xì)分為不同的亞區(qū)。如北幫研究區(qū)域（即①區(qū)）又可細(xì)分為①-1、①-2 亞區(qū)，本文分別在2 個亞區(qū)選取典型剖面（1—1′剖面、2—2′剖面）進(jìn)行數(shù)值分析，如圖2 所示。

2 北幫邊坡破壞模式分析

根據(jù)對北幫現(xiàn)場邊坡出露K1片巖層巖體結(jié)構(gòu)面的測量分析，巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組主要有6 組，片理面產(chǎn)狀100°～140°∠27°～46°，平均為120°∠34°；巖層面產(chǎn)狀205°～240°∠50°～61°，平均為220°∠55°；優(yōu)勢節(jié)理組4 組，其產(chǎn)狀分別為140°∠60°、92°∠37°、274°∠54°、13°∠53°。在邊坡①區(qū)的西端，巖體最發(fā)育、最優(yōu)勢的片理面傾向與邊坡面呈順傾狀態(tài)，片理面傾角遠(yuǎn)小于單并段臺階邊坡角，同時也小于雙并段臺階邊坡角和三并段臺階邊坡角，但大于本區(qū)總體邊坡角，表明邊坡可形成沿順傾片理面的平面型破壞模式或下部沿順傾片理面、上部沿順傾陡傾節(jié)理面形成的雙平面型破壞模式。該類型的邊坡破壞規(guī)模較大，潛在滑裂面可上下貫通數(shù)個并段臺階。在①區(qū)東端，巖層面傾向與邊坡面基本順傾，層面傾角小于并段臺階邊坡角，邊坡可形成沿層面發(fā)生的平面型破壞模式，但該類型的邊坡破壞規(guī)模相對西側(cè)偏小，一般形成于1～3個并段臺階范圍之內(nèi)。

根據(jù)何家采區(qū)北幫滑體發(fā)育特征及邊坡工程地質(zhì)條件得出，滑體的形成模式是一個受控于坡體軟弱層間擠壓帶的“滑移—彎曲”類型的邊坡破壞模式。根據(jù)坡體變形性質(zhì)不同，可以分為坡體中上部的順層滑移段和坡體下部的彎曲—隆起段2個部分。

通過對滑體發(fā)生的力學(xué)機(jī)制分析，邊坡中上部順層滑移段和邊坡下部彎曲—隆起段分別對應(yīng)于主動傳力區(qū)和被動擠壓區(qū)，中上部不穩(wěn)定坡體在重力及外界誘發(fā)因素作用下，沿順傾滑面發(fā)生順層滑移，而邊坡下部由于順層滑面位于坡體內(nèi)部并自上向下斜插隱伏至坡腳以下巖層?；娌⑽丛谂_階坡面出露，而滑面以外的巖體提供了一定程度的被動巖壓力以阻止坡體滑移，因此，該坡體中上部順層滑移坡體對下部坡體所傳遞的應(yīng)力不能以順滑面滑移的形式消散，下部巖體只能產(chǎn)生被動擠壓變形，導(dǎo)致產(chǎn)生垂直于順層坡體的變形。下部臺階坡淺表層巖體松動開裂，破碎程度加大，出現(xiàn)小規(guī)模碎落掉塊現(xiàn)象，坡體內(nèi)部局部架空。在底滑面上，由于上部不穩(wěn)定坡體的推擠作用，開始產(chǎn)生層間擴(kuò)容，并頂托其上覆巖層產(chǎn)生彎曲變形，邊坡出現(xiàn)下部臺階坡面碎裂鼓脹、坡腳地面抬升隆起等變形，即通過彎曲—隆起變形來抵消中上部坡體滑移產(chǎn)生的下滑力以達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)，維持坡體處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)坡體下部再次開挖、邊坡形狀改變、高度增加的情況下，坡體原有應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力應(yīng)變場重新調(diào)整，上部順層滑移段再次下滑，邊坡下部新揭露形成的臺階坡體再次發(fā)生彎曲—隆起變形。坡體中上部主動傳力區(qū)的順層滑移和坡體下部被動擠壓區(qū)的彎曲隆起變形構(gòu)成了一個協(xié)調(diào)體系，控制了邊坡變形破壞的作用過程，產(chǎn)生了滑體所呈現(xiàn)的一系列變形破壞現(xiàn)象。

由于采場邊坡連續(xù)的擴(kuò)幫開挖，邊坡下部各級臺階不斷產(chǎn)生彎曲—隆起變形，致使巖體裂隙和破碎程度不斷增加，嚴(yán)重破壞了邊坡巖體的完整性和穩(wěn)定性，使得巖體抗剪強(qiáng)度大幅下降，更容易形成連通邊坡面與坡體內(nèi)部滑動帶的剪切面，造成整體邊坡大規(guī)?；茐牡陌l(fā)生，對礦山安全有序生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，因此，在生產(chǎn)過程中需加強(qiáng)對潛在滑體下部切層剪出段的保護(hù)，及時采取相應(yīng)工程措施減小或消除坡體變形的逐步積累，避免大型滑坡的形成。

3 邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析

極限平衡計算采用Slide 軟件，該軟件可用于二維巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析，邊坡的安全系數(shù)計算及可靠度分析，可自動搜索尋找潛在破壞滑移面。本文采用4 種不同的方法來計算邊坡的穩(wěn)定性，包括Bishop 法、修正Janbu 法、Spencer 法和M-P 法（Morgenstern-Price）。這4 種方法的假設(shè)條件和側(cè)重點各不相同，由于M-P 法計算模型考慮了全部平衡條件和邊界條件，更符合邊坡實際情況，因此，本研究主要以M-P方法的計算結(jié)果為準(zhǔn)，而其他3種方法的計算結(jié)果用于對比校核。

3.1 計算剖面選取

在現(xiàn)有地質(zhì)鉆孔（ZK2、ZK3、ZK4 及ZK5）基礎(chǔ)上，結(jié)合采場靠界邊幫及下部未開采的設(shè)計邊幫，根據(jù)邊坡設(shè)計分區(qū)的幾何形態(tài)、地層情況，選擇了2 條具有代表性的剖面，對北幫滑坡區(qū)進(jìn)行分析。這2條計算剖面覆蓋了北幫滑坡區(qū)和邊坡①-1、①-2分區(qū)，計算分析終了邊坡的穩(wěn)定性，對設(shè)計邊坡的安全性進(jìn)行復(fù)核驗證。計算剖面如圖3所示。

3.2 計算參數(shù)選取

根據(jù)已有巖石力學(xué)性質(zhì)試驗結(jié)果并參考結(jié)合采場前期類似工程項目巖石試驗成果，本次計算所采用的巖體強(qiáng)度參數(shù)見表1。

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通常對采場邊坡穩(wěn)定性具有影響的外部荷載主要有爆破振動荷載和地震荷載，由于礦山采取了爆破減振措施，生產(chǎn)爆破振動對邊坡影響較小，本次計算不考慮爆破荷載影響。結(jié)合《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》等相關(guān)規(guī)定及規(guī)范，弓長嶺區(qū)設(shè)計地震分組為第一組，地震烈度為Ⅶ度，地震峰值加速度為0.10g。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，本場區(qū)邊坡地震穩(wěn)定性分析中只考慮水平向地震慣性力而不需考慮垂直向地震慣性力。水平向地震慣性力QH計算公式為

式中，KH為水平向地震系數(shù)，取0.05g；Cz為綜合影響系數(shù)，取0.25；αi為地震加速度分布系數(shù)；Wi為分條重力，N。

3.3 安全系數(shù)限值

何家采區(qū)北幫終了邊坡高度為474 m，屬于高邊坡范疇，邊坡工程安全等級為Ⅰ級。邊坡的安全穩(wěn)定可劃分為不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定、基本穩(wěn)定和穩(wěn)定4 種狀態(tài)。本次計算分析采用的安全系數(shù)限值分別為自然工況Fs=1.20、地震工況Fs=1.15。邊坡穩(wěn)定狀態(tài)與安全系數(shù)之間的關(guān)系見表2。

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3.4 邊坡穩(wěn)定性計算分析

3.4.1 剖面1—1′穩(wěn)定性分析

采用極限平衡計算方法，對剖面1自然工況下及地震工況下終了邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計算，結(jié)果見表3。剖面1—1′終了邊坡在自然工況條件時的最小安全系數(shù)為1.097；在地震工況條件時的最小安全系數(shù)為1.041，均處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡可發(fā)生臺階開裂、沉降、蠕動等變形破壞現(xiàn)象，為確保邊坡穩(wěn)定和生產(chǎn)安全，需對這2處欠穩(wěn)定臺階坡體采取相應(yīng)治理措施。

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3.4.2 剖面2—2′穩(wěn)定性分析

采用極限平衡計算方法，對剖面2—2′自然工況下及地震工況下終了邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計算，結(jié)果見表4。計算結(jié)果表明，剖面2—2′終了邊坡在自然工況條件時的最小安全系數(shù)為1.101，大于邊坡穩(wěn)定性區(qū)劃限值1.10，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；在地震工況條件時的最小安全系數(shù)為1.073，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。為確保生產(chǎn)安全，需對欠穩(wěn)定坡段采取綜合治理措施。

4 結(jié) 論

（1）綜合考慮地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)類型等因素，將何家采區(qū)露天邊坡劃分為3個工程地質(zhì)分區(qū)，其中采場下盤北幫研究區(qū)域被劃分在Ⅰ區(qū)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)工程地質(zhì)條件、邊坡幾何形狀和邊坡面傾向等要素，將采場劃分為8 個邊坡分區(qū)，研究區(qū)域被劃分在①-1、①-2區(qū)。

（2）何家采區(qū)北幫邊坡為順傾邊坡，通過現(xiàn)場調(diào)查分析得到，研究區(qū)域邊坡的破壞模式為平面型破壞及雙平面型破壞。北幫滑體的形成模式是一個受控于坡體軟弱層間擠壓帶的滑移—彎曲類型的邊坡破壞模式，可分為坡體中上部的順層滑移段和坡體下部的彎曲—隆起段2部分。

（3）通過對研究區(qū)域選取的計算剖面進(jìn)行穩(wěn)定性極限平衡分析得到，剖面1終了邊坡在自然工況及地震工況條件下均處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡可發(fā)生臺階開裂、沉降、蠕動等變形破壞現(xiàn)象；剖面2終了邊坡在自然工況處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在地震工況條件下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。為確保生產(chǎn)安全，需對欠穩(wěn)定坡段采取綜合治理措施。