礦坑生態修復工程邊坡加固穩定性分析研究*

何昌杰，李建新，粟元甲，田湖南，陳洪濤

(1.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004； 2.中建五局第三建設有限公司，湖南 長沙 410004； 3.中國科學院武漢巖土力學研究所，湖北 武漢 430000)

對廢棄礦坑進行生態修復，進行開發再利用是國家綠色發展的戰略目標。在對廢棄礦坑生態修復和開發再利用的過程中，首先要解決礦坑邊坡穩定性問題。為準確了解邊坡穩定性問題，做出最合理的加固方案，確保邊坡穩定，前期的邊坡穩定性分析尤為重要。特別是地質復雜的礦坑邊坡更加需要使用合理的方法和工具，準確計算出各類邊坡穩定性安全系數來進行邊坡穩定性分析，制訂合理有效的加固方案，確保邊坡安全。

1 地質概況

長沙冰雪世界項目上層村落場地位于湘江西岸。場地原始地貌單元為湘江河流沖積Ⅱ級堆積階地。場地地勢起伏較大，區域地形高差16m。

1.1 地質構造

長沙位于東南地洼區雪峰地穹系湘江地洼列幕阜地穹西南端的烏山洼凸區，經歷了槽、臺、洼三大構造演化階段，現已進入余動期。中生代以降，形成了NE-NNE向展布的斷隆、斷陷。第四系構造運動以差異性升降運動為主，在場地內形成了多級階地。

1.2 地層巖性

1.3 不良地質作用

1)巖溶 整個冰雪世界場地巖溶很發育，大部分均有充填物，為淺埋型巖溶，巖溶形態以溶洞或溶隙為主，其次為溶蝕小孔，基巖頂部發育有溶溝(槽)。

2)高邊坡 場地西北高、東南低，高差近16m，存在多級不規則邊坡，且邊坡僅局部做臨時噴混凝土處理，經雨水沖刷、掏空，邊坡多處出現小范圍坍塌現象。施工時，應采取必要措施對高邊坡進行支護處理。

1.4 場地穩定性評價

勘察過程中除巖溶外未發現有其他影響場地穩定性的滑坡、塌陷及全新斷層等不良地質作用，場地處于基本穩定狀態。

2 邊坡加固設計參數

項目邊坡三維形態及分區如圖1所示。

圖1 邊坡形態三維示意

2.1 設計計算參數

根據《長沙冰雪世界項目巖土工程詳細勘察報告》《桐溪湖礦坑生態修復利用工程現場直剪試驗報告》，得到巖土層設計計算參數，如表1所示。

表1 各巖(土)層設計參數

2.2 主要荷載參數

項目巖壁與建筑物關系復雜，不同區段和標高的荷載情況各異。設計計算的荷載根據冰雪世界主體設計單位提資確定。與坑壁邊坡有關的荷載自上而下主要如下。

1)A，B區地下室單根樁荷載均值約7 000kN，最大達到10 206kN，樁荷載作用于微風化巖體，作用標高為41.000m或43.000m。

2)擋土墻及墻后填土荷載約200kPa，作用標高在30.000m左右。

3)坡面馬道地下室柱荷載為1 000kPa左右，作用標高范圍為16.000～30.000m。

4)16.000m標高平臺柱采用獨立基礎，荷載719～2 437.5kPa；環梁豎向荷載800kN/m，水平荷載200kN/m。

5)-17.000m標高坑壁的連梁梁端嵌入坑壁，豎向荷載約700kN，水平荷載200kN/m。

3 臨時邊坡穩定性分析

本工程邊坡為一級邊坡，臨時邊坡安全系數取1.25。

根據勘察報告，鉆孔揭露土層未見地下水，本次計算分析僅考慮暴雨條件下巖土物理力學參數(黏聚力和內摩擦角)的弱化折減。根據 GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》第4.3.3條規定，考慮巖體完整程度，折減系數取0.85。

3.1 土質邊坡臨時穩定性計算

土質邊坡臨時穩定性計算考慮3種工況：①削坡； ②削坡施加臨時荷載；③削坡施加臨時荷載加地震力。

各區受力情況根據《長沙冰雪世界坡面施工荷載情況》確定。其中各區坡頂承受臨時荷載52kPa，作用范圍為坡頂外2～9m，共7m寬度。各級馬道承受臨時荷載26kPa(見圖2)。

圖2 計算剖面荷載(單位：kN·m-2)

3.1.1A區土質邊坡臨時穩定性分析

A區域取3個剖面進行穩定性安全系數計算和加固設計，工況取削坡、削坡加載及削坡加載加地震3種，3種工況按暴雨情況考慮。各剖面安全系數及加固力計算結果如表2所示。

表2 A區土質邊坡臨時穩定性計算結果

由計算結果得出：計算剖面在削坡、削坡加載及削坡加載加地震3種工況下，邊坡安全系數均大于1.25，邊坡處于穩定狀態。

3.1.2B區土質邊坡臨時穩定性分析

B區域取7個剖面進行穩定性安全系數計算和加固設計，工況取削坡、削坡加載及削坡加載加地震3種，3種工況按暴雨情況考慮。各剖面安全系數及加固力計算結果如表3所示。

表3 B區土質邊坡臨時穩定性計算結果

根據計算結果，坡面較為穩定，臨時荷載作用下基本滿足臨時邊坡穩定性要求。B3-3′，B5-5′剖面達不到安全性要求，根據滑動面情況判別為淺表層局部滑動。設計采用土釘與噴錨組合支護方式可有效控制滑坡情況。

3.2 巖質邊坡臨時穩定性計算

選取A區3個剖面和B區7個剖面進行穩定性安全系數計算和加固設計，取削坡暴雨工況?？紤]巖質邊坡與土質邊坡破壞面的不同，將土體自重荷載施加于巖土界面上單獨計算巖質邊坡穩定性。

根據GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》，項目巖質邊坡高度>30m，坡面形態復雜，荷載情況各異，綜合考慮采用數值極限分析方法計算。

邊坡穩定性和加固力計算采用Slide軟件。巖質邊坡穩定性安全系數采用Morgenstern-Price法進行計算，并綜合不同計算方法確定加固力。

根據勘察報告，邊坡巖質主要為III級圍巖，巖壁表層巖體為IV級，深部巖體為II級。巖體結構面呈水平狀。

考慮卸荷及長期風化侵蝕對表面巖體的作用，對外露巖壁表層10m范圍內巖體取IV級圍巖參數?？紤]巖石邊坡爆破開挖并未嚴格控制爆破振動及巖石卸荷擾動，開挖巖體表層10m范圍內巖體取IV級圍巖參數。考慮本區巖溶發育，內部巖體取III級圍巖參數。

根據勘察報告中關于巖體的測試及現場揭露的巖體情況，結合GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》中給出的不同級別巖體物理力學參數表D.0.1，綜合考慮得到本工程III級、IV級圍巖參數，如表4所示。

表4 巖體參數

各剖面安全系數及加固力計算如表5，6所示。B2-2′剖面削坡暴雨工況如圖3所示。

表5 A區巖質邊坡臨時穩定性計算結果

根據計算結果，坡面較為穩定，安全系數達到3左右，在臨時荷載作用下均滿足臨時邊坡穩定性要求。實際處理時應以危巖、臨邊滾石等為主。

表6 B區巖質邊坡臨時穩定性計算結果統計

圖3 B2-2′剖面臨時邊坡削坡暴雨工況

4 永久邊坡穩定性分析

永久邊坡穩定性分為土質邊坡永久穩定性和巖質邊坡永久穩定性，其中土質邊坡根據土質條件和場地規劃布置的不同情況又分為 A，B區錨桿(索)扶壁式擋土墻方案設計計算。

4.1 土質邊坡永久穩定性計算

采用理正巖土工程計算分析軟件6.0PB1版和理正深基坑支護結構設計軟件7.0PB1版計算土質邊坡永久穩定性。

A，B區永久土質邊坡采用錨桿(索)擋土墻方案支護土體，典型剖面如圖4所示。

圖4 擋土墻示意

擋土墻支護土體高度在5～12m，根據GB 50330—2013 《建筑邊坡工程技術規范》要求，基礎距離邊坡小于0.5倍的坡高時，為靜止土壓力，采用理正巖土工程計算分析軟件對9，10，11，12m 4種不同高度的擋土墻以及巖石地基和改良土層地基進行計算，擋土墻側向土壓力均為按照規范要求計算的靜止土壓力。

通過各種最不利的條件組合計算，滿足穩定驗算要求的擋土墻主要幾何參數如表7所示。

表7 扶壁式擋土墻幾何參數

對于擋土墻基礎下方有軟弱下臥層的情況，需進行地基承載力驗算。驗算結果表明：對擋土墻基礎下方軟弱下臥層采用拋石置換或C20混凝土置換，置換深度為2m，置換層地基承載力標準值為400kPa，經過壓力擴散后軟弱下臥層頂部的附加應力值為168kPa，小于粉質黏土的承載力特征值180kPa。對軟弱下臥層的處理滿足擋土墻地基承載力驗算要求。

4.2 巖質邊坡永久穩定性計算

選取A區3個剖面和B區7個剖面進行穩定性安全系數計算和加固設計，取削坡加永久荷載暴雨工況?？紤]到巖質邊坡破壞與土質邊坡破壞面的不同，將土體自重施加于巖土界面上單獨計算巖質邊坡穩定性。

根據GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》，項目巖質邊坡高度>30m，坡面形態復雜，荷載情況各異，綜合考慮采用數值極限分析方法計算。

邊坡穩定性和加固力計算采用Slide軟件。巖質邊坡穩定性安全系數采用GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》Morgenstern-Price法進行計算，并綜合不同計算方法確定加固力。

根據勘察報告，邊坡巖質主要為III級圍巖，巖壁表層巖體為IV級，深部巖體為II級。巖體結構面呈水平狀。

考慮卸荷及長期風化侵蝕對表面巖體的作用，對外露巖壁表層10m范圍內巖體取IV級圍巖參數?？紤]巖石邊坡爆破開挖并未嚴格控制爆破振動及巖石卸荷擾動，開挖巖體表層10m范圍內巖體取IV級圍巖參數。考慮本區巖溶發育，內部巖體取III級圍巖參數。各剖面安全系數及加固力計算結果如表8，9所示。B6-6′剖面削坡暴雨工況如圖5所示。

表8 A區巖質邊坡永久穩定性計算結果

根據計算結果，坡面較為穩定，多數剖面安全系數達到1.4以上，永久荷載作用下基本達到永久邊坡穩定性要求，A4-4′、B2-2′兩個剖面不滿足永久邊坡安全系數1.35要求，加固力較小。根據滑動面情況，為淺表層弱化區滑動。

表9 B區巖質邊坡永久穩定性計算結果

圖5 B6-6′剖面永久邊坡削坡暴雨工況

由于項目16.000m標高平臺受到結構水平拉力200kN/m，為確保邊坡巖體不受到拉力，在受拉區范圍設置預應力錨索?？紤]該區巖溶發育，坡頂荷載大，為避免邊坡發生傾倒破壞，邊坡施加錨桿提高巖體整體性。

5 結語

通過采用Slide軟件計算邊坡穩定性和加固力，并基于GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》的Morgenstern-Price法計算巖質邊坡穩定性安全系數和加固力，且采用理正巖土工程計算軟件和理正深基坑支護結構設計軟件計算土質邊坡永久穩定性。經計算分析得出如下結論。

1)土質邊坡臨時穩定性分析 在削坡、削坡加載及削坡加載加地震3種工況下，A區選取的3個剖面邊坡安全系數均大于1.25，邊坡處于穩定狀態；B區選取的7個剖面中B3-3′，B5-5′剖面達不到安全性要求，根據滑動面情況判別為淺表層局部滑動。設計采用土釘與噴錨組合支護方式可有效控制滑坡情況。

2)巖質邊坡臨時穩定性分析 根據A區選取的3個剖面和B區選取的7個剖面計算結果，剖面較為穩定，安全系數達到3左右，臨時荷載作用下均滿足臨時邊坡穩定性要求。

3)土質邊坡永久穩定性分析 根據GB 50330—2013 《建筑邊坡工程技術規范》要求，采用理正巖土工程計算軟件對各種最不利條件組合下9，10，11，12m 4種不同高度的擋土墻及巖石地基和改良土層地基進行計算，得出滿足穩定性驗算要求的擋土墻主要幾何參數。計算驗證對擋土墻基礎下方軟弱下臥層采用拋石或C20混凝土置換處理2m厚，能夠滿足擋土墻地基承載力要求。

4)巖質邊坡永久穩定性分析 在削坡加永久荷載暴雨工況下，A區選取的3個剖面和B區選取的7個剖面基本達到永久邊坡穩定性要求，其中A4-4′，B2-2′兩個剖面未能滿足永久邊坡安全系數1.35的要求，根據滑動面情況，為淺表層弱化區滑動?？紤]項目16.000m標高平臺受到結構水平拉力200kN/m，為確保邊坡巖體不受到拉力，在受拉區范圍設置預應力錨索。考慮到該區巖溶發育，坡頂荷載大，為避免邊坡發生傾倒破壞，邊坡均施加錨桿以提高巖體整體性。

綜上所述，邊坡整體基本處于穩定狀態，局部不穩定坡面采取加固措施后，也可達到穩定狀態，保障基坑安全。