某廢棄陶瓷礦邊坡穩定性分析及治理設計

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(貴州大學 國土資源部喀斯特環境與地質災害重點實驗室，貴陽 550033)

0 引 言

近年來，隨著經濟等各方面的快速發展，國內外的露天開采技術發展越來越迅速。按現有的礦山生產能力計算，隨著露天開采技術的不斷發展壯大，露天開采的規模和深度將日益增大，使開采地段的地質條件變得越來越復雜，導致露天邊坡的穩定性和安全性也越來越差。有些公路、鐵路等交通路線，往往會穿過這些地質條件比較復雜的地段，而且經常受到崩塌、滑坡、泥石流等地質災害的威脅。由于滑坡等災害通常會毀壞沿途的交通路線，使路基遭到破壞，造成巨大的生命財產損失。因此，對邊坡進行穩定性分析及治理設計就顯得尤為重要。

1 研究區地質概況

1.1 自然地理概況

龍南縣位于南嶺東端北側，總地勢北東低、南西高，周邊多山，以低山為大多數。中部則多為丘陵和盆地。廢棄陶瓷礦位于江西省贛州市龍南縣東江鄉，地處龍南縣城南部，礦區面積約為0.3 km2，距北西約4 km處為大廣高速，交通便利。

1.2 地形地貌與地層巖性

礦區地貌屬于低山丘陵，地形南高北低，礦區內由于露天開采而形成不同高度的露天邊坡，加之風化作用的影響，溝谷縱橫發育。海拔標高一般在240～400 m。

該陶瓷礦內巖漿巖分布廣泛，由于風化作用的影響，顯示出風化巖石的結構構造、物質成分等在垂直剖面上都存在差異。現綜合分析陶瓷礦區巖土和地貌類型，自上而下可劃分為表土層、全風化層、半風化層、基巖。

上述各層均沒有明顯的界線，均呈過渡與漸變的關系。

1.3 水文氣象條件

該區為亞熱帶東南風松散巖類孔隙水季風氣候，溫暖潮濕，四季分明，雨水充沛，降雨量在時空分布上差異較大，常常出現短時暴雨。礦區內一年中的平均降雨量大約為1 500～1 550 mm，其中最大的降雨量約2 590 mm，最小降雨量約940 mm。除此之外，年降雨量的多少還與地形的高低和地貌有關，地形越高，表現為降水量也越豐富。

1.4 工程地質條件

由于礦區的礦體大都賦存于花崗巖風化殼中，而開采方式為露天開采，因此在礦區內存在的工程地質問題主要是地面的穩定性。全風層不僅厚度大而且結構松散，強風化層的裂隙極為發育，巖體不完整，在進行原地浸礦時，只要形成地下水與地表水積聚邊坡，就容易使原地浸礦開采地區邊坡失穩，從而發生崩塌滑坡災害。

2 邊坡穩定性分析及評價

2.1 定性分析

主要從水文情況、工程地質兩個方面進行分析。

2.1.1 水文情況方面

研究區屬于亞熱帶季風氣候，溫暖潮濕，雨量充沛，年平均降雨量1 510.8 mm，最大降雨量2 595.5 mm。水是導致邊坡失穩的主要外因，對邊坡失穩有很大的影響，比較直觀的表現是邊坡滑坡、坍塌等，尤其是在雨水比較充沛的季節，邊坡極易發生失穩破壞。

2.1.2 工程地質方面

該研究區的邊坡巖性為巖漿巖類，該類巖石為中粒白云母花崗巖和黑云母花崗巖，上覆很薄的腐植土，夾雜有花崗巖和石英巖碎塊，厚1～2 m。由于露天開采形成的露天邊坡表面風化嚴重，強風化層厚2～35 m，厚度較厚，強風化帶多呈砂土狀，微裂隙甚為發育，裂隙中往往被黏土礦物充填，結構松散，透水性強，凝聚力弱；加之邊坡坡度較陡，尤其是在雨水的沖刷下，邊坡極不穩定。

2.2 定量分析

根據邊坡實際情況，選擇剛體極限平衡法中的瑞典條分法來分析。以Ⅳ-段露天邊坡為研究對象，選取比較典型的F-F′剖面為計算剖面，見圖1、圖2。

圖1 Ⅳ-段露天邊坡平面圖

圖2 F-F′邊坡剖面圖

Ⅳ-段露天邊坡滑動區域主要發生在全風化區域，而陶瓷礦區花崗巖占大多數，這里以全風化花崗巖的力學參數作為F-F′剖面①區和②區計算參數計算參數，見表1。

對①區用瑞典條分法計算，結果見圖3、表2。

表1 參數選取

圖3 坡F-F′剖面①區計算剖面圖

土條編號土條寬度bi/m土條中心高hi/m土條重度Wi/kNα/(°)WisinαI /kNWicosαI/kN ∧L/M13.31.6899.792712.1699.0523.34.28254.2321252.86248.6833.318.911123.25418347.101068.2843.318.061104.8424.5458.171005.3653.316.901003.8631517.03860.4863.314.94887.43638546.36699.3173.312.21725.27446521.72503.8283.38.52506.08854.5412.01293.8990.482.8024.1926421.7410.61合計2889.154789.4839.15

穩定安全系數K:

對于②區同樣可以計算出穩定安全系數K=1.20。

2.3 邊坡穩定性綜合評價

就研究區而言，其所處的地理位置交通便利，研究區所在陶瓷礦雖已廢棄，但若偶有行人路過，或再次在邊坡進行作業時，若邊坡發生滑動仍會對其生命財產造成危害。綜合考慮邊坡的實際情況以及在穩定性計算中采用的瑞典條分法，對于研究區，穩定安全系數在1.20～1.35取值。

根據邊坡穩定安全系數的大小，就可以確定邊坡目前所處的穩定狀態。通過穩定系數,將邊坡穩定狀態進行劃分，見表3。

實際研究區邊坡巖體風化嚴重，屬于土質邊坡，通過綜合考慮，其穩定性計算結果見表4。

表3 邊坡穩定狀態劃分

表4 穩定性計算結果

綜上所述，通過以上對研究區邊坡穩定性的定性分析與定量分析可以看出，研究區路面以上的邊坡處于不穩定狀態，示意圖見圖4。

圖4 研究區邊坡不穩定區域示意圖

3 邊坡治理設計

3.1 卸載設計

根據對邊坡的分析，考慮到邊坡上部荷載及較陡坡度的影響，可能由于上部荷載而發生推動式滑坡，對此需要對邊坡上部進行卸載設計，改變邊坡坡率與形狀，以達到治理的目的。研究區易發生滑坡的邊坡地段為強風化巖石，礦區所處地理位置交通便利，采用機械開挖。

這里選用邊坡處理方式為上部削坡方案，采用后仰放坡的方式削坡，相關參數見表5。

表5 削坡相關參數

考慮到計算中只考慮了邊坡的自身重力，而在實際情況中其實還有降雨和地震的影響，所以預計削坡后其穩定安全系數至少達到1.30，邊坡才算穩定，邊坡削坡設計圖見圖5。

按設計削坡，削坡后坡度為1∶2.01，削坡后的邊坡示意圖見圖6。

圖5 削坡設計圖

圖6 削坡后剖面示意圖

用瑞典條分法可以計算出削坡后的邊坡穩定安全系數K=1.40，邊坡基本處于穩定狀態。因此可知，橫向以及豎向的剪應變速率都非常小，幾乎可以忽略不計，說明斜坡處于一個穩定的狀態。

3.2 回填反腳設計

前面用削坡的方法減少了邊坡的下滑力，由研究區邊坡的地質概況分析，邊坡的坡腳較薄，可以采用回填反腳的方法來提高邊坡的抗滑力，從而提高邊坡的穩定性。

回填反腳的原理簡單，研究區邊坡路寬為13～25 m，為了不影響正常通行，將回填起點設在距坡腳3 m處。回填前先挖除回填區域基底原始軟弱土層，采用碎石塊換填，換填深度為0.5 m，坡度與邊坡卸載后的坡度一致，采用分級回填。在距坡底2 m處開始設臺階，共設6級臺階，1～5級臺階寬度為1.5 m，高度為0.8 m，最后一級臺階寬5 m,回填總寬度為14.5 m，高度為6 m，詳細設計圖見圖7。

圖7 回填設計圖

3.3 排水系統的設計

3.3.1 坡腳排水設計

在滑坡體周圍設置排水溝，以排除地表水，對提高研究區邊坡的穩定性都是有必要的。

經過查資料可得到研究區暴雨強度公式如下：

式中：p為設計降雨的重現期，年；t為降雨歷時，min。

根據調查，p取20年，t取25 min，則：

=102.81 mm/h

地表水匯流可根據中國水利科學學院水文研究所小匯水面積設計流量公式計算(在計算中，由于缺乏對當地流域匯流時間數據的具體收集，這里不予考慮)，公式如下：

Qp=0.278·ψ·F·Sp/τn

式中：Qp為設計地表水匯流量，m3/s；Sp為設計降雨雨強，mm/h；ψ為徑流系數；F為匯水面積，km2；τ為流域匯流時間；n為降雨強度衰減系數。

通過計算，研究區匯水面積F=0.006 km2,徑流系數ψ取0.6(表6)，設計降雨雨強Sp=102.81 mm/h，代入公式計算為：

Qp=0.278·ψ·F·Sp

=0.278×0.6×0.006×102.81

=0.10 m3/s

表6 徑流系數取值參考表

預設排水溝內側槽寬為0.5 m,高為0.7 m，垂直厚度為0.175 m，底部水平厚度為0.225 m，設計圖見圖8。

圖8 坡腳排水溝設計圖

排水溝過水斷面為：

A=BH=0.35 m2

水力半徑為：

平均流速：

式中：v為流速，m/s；R為水力半徑；I為排水溝坡度；N為溝壁的粗糙系數。

通過查表，排水溝坡度取0.01，溝壁的粗糙度系數取0.015，則：

排水溝的泄水能力：

Qc=vA=3.2×0.35=1.12

通過計算可知，排水溝的泄水能力Qc>排水溝的匯水能力Qp，而排水溝采用水泥混凝土，流速v=3.2，在明溝允許的最大流速范圍內，符合邊坡實際情況。水深為0.4～1.0 m時，明溝最大允許流速參見表7。

表7 明溝最大允許流速 /m·s-1

3.3.2 坡面排水設計

同樣按上面的計算方法，可以計算出研究區匯水面積F=0.003 5 km2,徑流系數ψ取0.6，設計降雨雨強Sp=102.81 mm/h，代入公式為：

Qp=0.278·ψ·F·Sp

=0.278×0.6×0.0035×102.81

=0.06 m3/s

預設排水溝內側槽寬為0.4 m,高為0.6 m，垂直厚度為0.15 m，底部水平厚度為0.175 m，設計圖見圖9。

圖9 坡面排水溝設計圖

排水溝過水斷面為：

A=BH=0.24 m2

水力半徑為：

平均流速：

通過查表，排水溝坡度取0.01，溝壁的粗糙度系數取0.015，則：

排水溝的泄水能力：

Qc=vA=1.5×0.24=0.36

同樣可得，排水溝的泄水能力Qc>排水溝的匯水能力Qp，而排水溝采用水泥混凝土，流速v=1.5 m/s，在明溝允許的最大流速范圍內，符合邊坡實際情況。

排水溝布置剖面圖見圖10。

圖10 排水溝布置剖面圖

治理設計工程布置平面圖見圖11。

圖11 治理設計工程布置平面圖

4 結 論

1) 將研究區邊坡分為東段和西段，西段即路面以下的部分目前還處于穩定狀態，穩定性比較好。而東段即路面以上的邊坡，坡度較陡，坡度在32°～47°之間，而邊坡上部分的坡度更是達到80°，極不穩定。通過定性定量分析可以得出，研究區段可能出現的地質災害為滑坡，定量分析主要選取典型的F-F′邊坡，用剛體極限平衡法中的瑞典條分法進行分析計算。

2) 研究區段所處龍南縣地區全年降雨集中，一年中的平均降雨量大約為1 500～1 550 mm，在進行邊坡治理時還充分考慮降雨的影響。因此，對邊坡采用削坡減載、底部回填、設置排水溝的方式進行治理。削坡時按1∶2.01的坡率進行削坡，底部回填前以花崗巖碎石換填原來較為軟弱的土質地基，排水溝分為坡面排水溝和坡腳排水溝，最大限度將降雨對邊坡穩定的影響程度降到最低。