南寧市某廢棄花崗巖采石礦邊坡穩(wěn)定性分析

沈玉濤

（廣西華藍巖土工程有限公司，南寧 530001）

由于過去長期采礦活動及石材加工嚴重破壞了礦山地質環(huán)境，使得賓陽縣礦山地質環(huán)境問題突出，主要表現(xiàn)在礦山凹陷開采形成深坑的安全性、 坡面水土流失而形成的大面積掛白區(qū)、 礦山的廢棄礦渣及石材堆場堆壓破壞造成視覺污染等［1-3］。 其中，采石遺留的深陡邊坡的穩(wěn)定性和安全性是目前礦山邊坡治理的重要研究內容［4-5］，經調查，南寧市賓陽縣露天采石礦技術相對落后，各礦區(qū)開采面裸露較大，廢棄采場普遍存在未分臺階開采，邊坡較陡，局部甚至直立或傘巖， 采場頂部多孤石， 采場之間存在石壁、 石墻林立； 而采礦所產生的廢碴則沿坡隨意堆放；在暴雨等外因誘發(fā)下易產生滑坡、崩塌等地質災害。由此可知，廢棄礦山不僅破壞生態(tài)環(huán)境及自然景觀，且占用的土地不能利用，也帶來諸多安全隱患。原來位置相對較偏僻的廢棄礦山， 由于城鄉(xiāng)一體化進程的加快，逐漸成為分布在公路邊、開發(fā)區(qū)周邊地帶的危險源，形成新的安全隱患，個別礦山給當?shù)厝罕娚敭a造成了損失。 目前未治理的廢棄礦山與賓陽縣的城市形象極不協(xié)調，對新型城鎮(zhèn)化、全域一體化發(fā)展形成制約， 所以大力治理廢棄礦山工作是當前一項十分重要且迫切的任務。

本文依托南寧市賓陽縣某廢棄花崗巖礦山的邊坡治理工程， 介紹了邊坡治理區(qū)的現(xiàn)狀和選用的治理方法，并在此基礎上采用數(shù)值模擬的方法，建立治理前后邊坡計算模型，分析一般工況、暴雨工況和地震工況下的邊坡變形和穩(wěn)定性變化規(guī)律。

1 邊坡治理區(qū)現(xiàn)狀

區(qū)內有廢棄礦坑2個， 累計平面面積約4.70hm2；因歷史開采遺留形成大面積掛白區(qū)域。 廢棄礦坑以露天開采為主，露采形成的后坡高陡，坡高12～15m，坡度50°～75°。 本區(qū)已閉坑多年，目前堆放渣石，形成大片掛白區(qū)，掛白區(qū)長約300～320m，寬100～140m。如圖1。

圖1 研究區(qū)邊坡現(xiàn)狀

治理區(qū)對土地資源的破壞方式主要表現(xiàn)采場的開采現(xiàn)場破壞及砂石堆壓破壞。 破壞土地類型為農村居民用地4.70hm2。采礦活動對植被、山體和景觀破壞大，造成視覺污染和土地資源浪費。

2 場區(qū)地層巖性

圖2 場區(qū)區(qū)域地質構造及巖體分布

地層僅見第四系（Q）殘坡積層，由斑狀花崗巖強風化殘坡積而成。 殘坡積層呈土黃、磚紅、灰黃等雜色，砂土結構，松散狀，主要由石英砂粒、黏土礦物及殘余長石、黑云母等組成，局部夾塊石。 風化程度自地表向下由強變弱，風化黏土礦物由多變少、石英顆粒及殘余長石則由少變多，下部可見殘余原巖結構、構造。殘坡積層厚度0～1.5m，該層與下覆新鮮斑狀花崗巖接觸界線一般較明顯或呈漸變過渡關系。

3 邊坡治理方案

本方案規(guī)劃設計對治理區(qū)南側邊坡進行綜合整治，并對場地內堆積的砂石進行移除，總體場地平整完后回填種植土， 邊坡采取掛網(wǎng)客土噴播技術進行防護，并采取修建排水溝、擋土墻以防止水土流失。回填種植土是為種樹、種草、種藤營造復綠條件。 在采取相應復綠措施后， 復墾為建設用地， 復墾面積4.70hm2。 如表1。

表1 坑口村治理片區(qū)KK7邊坡治理主要工作量

掛網(wǎng)客土噴播技術就是通過在邊坡上錨固金屬網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)或高強塑料三維網(wǎng)中的一種（掛網(wǎng)可以使客土基質在巖石表面形成一個持久的整體板塊，本項目采用套膠鐵絲網(wǎng)），采用壓縮空氣噴槍將混合好的客土噴射到坡面上，再在其上噴射植被種子，通過植被發(fā)達的根系和網(wǎng)體的緊密結合， 對邊坡達到防護的目的。 客土為植被在邊坡上的生長創(chuàng)造了有利條件， 其組成隨植物在邊坡上生長條件的不同而不同。根據(jù)邊坡坡率、地質情況、氣溫、降雨等特征合理選擇網(wǎng)的種類，邊坡的植被防護效果就會更佳。該技術適用于邊坡比較穩(wěn)定、 坡面沖刷輕微的路堤與路基。 用以防止邊坡表面水土流失，固結表土，增強路塹邊坡的穩(wěn)定性，美化環(huán)境。錨桿采用HRB400鋼筋，鋼筋直徑為?32mm， 與坡面夾角為90°， 長度為2m，1.00m×1.00m梅花形布置，如圖3、圖4。

圖3 掛網(wǎng)客土噴播施工立面示意圖

圖4 掛網(wǎng)客土噴播剖面示意圖

4 邊坡治理前后數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模擬的建立及參數(shù)選取

邊坡主要有2層巖土組成，上部為①中等風化混合二長花崗巖，下部為②微風化混合二長花崗巖，根據(jù)室內試驗試驗獲取的參數(shù)如表2。

表2 邊坡巖體室內試驗物理參數(shù)

數(shù)值計算時，模型除坡面為自由邊界外，模型底部為固定邊界約束邊界， 模型四周為單向約束邊界。 計算模型中，巖土體采用6節(jié)點三角形單元進行網(wǎng)格劃分，并在開挖影響范圍內適當加密網(wǎng)格，提高計算精度，巖體采用的是較常用的彈塑性模型，服從Mohr-Coulomb屈服準則，錨桿采用彈性本構模型，錨桿彈性模量取200000MPa，泊松比為0.3，抗滑樁彈性模量取30000MPa，泊松比為0.2。 取典型的邊坡斷面建立加固前后數(shù)值模型如圖5、圖6。

圖5 加固前邊坡模型

圖6 加固后邊坡模型

4.2 數(shù)值模擬結果分析

為考慮各種不利工況對邊坡的影響，研究建立了3種主要工況：①一般工況，即模擬邊坡在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定情況， 其抗剪強度參數(shù)采用天然狀態(tài)下的力學強度指標；②暴雨工況，即模擬邊坡在降雨后受到雨水浸泡飽和的不利工況， 其抗剪強度參數(shù)采用飽和狀態(tài)下的力學指標；③地震工況，即模擬邊坡受到地震力影響條件下的穩(wěn)定狀況，場區(qū)地震基本加速度為0.15g，地震水平系數(shù)αw=0.038，巖體抗剪強度參數(shù)采用天然狀態(tài)下的力學指標。 分別得到加固前邊坡的位移云圖如圖7～圖9、加固后邊坡的位移云圖如圖10～圖12。

圖7 加固前邊坡一般工況位移云圖

圖8 加固前邊坡暴雨工況一般云圖

圖9 加固前地震工況位移云圖

圖10 加固后邊坡一般工況位移云圖

圖11 加固后暴雨工況位移云圖

圖12 加固后地震工況位移云圖

從以上圖中可以看出，無論何種工況，邊坡斜面上的變形比邊坡內部和坡頂、坡腳的大，且在巖體交界處為最大， 沿著坡面的法向邊坡內部不斷減小；相同工況條件下，加固后巖體邊坡變形明顯比加固前巖體小， 表明加固錨桿使巖體的整體性更好， 巖體能充分利用內部巖體的抗剪強度進行抗滑。 各種工況下的穩(wěn)定系數(shù)和位移比較如圖13、圖14。

圖13 加固后穩(wěn)定系數(shù)曲線

從圖中可以看出， 加固前的穩(wěn)定系數(shù)范圍為0.89～1.05之間，根據(jù)GB50330—2013《建筑邊坡工程技術規(guī)范》［6］與GBT32864—2016《滑坡防治工程勘查規(guī)范》［7］的判別標準，一般工況和暴雨工況下，邊坡處于基本欠穩(wěn)定狀態(tài)，而地震工況處于不穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡的位移范圍為27.5～28.3mm，而加固后，所有工況的穩(wěn)定系數(shù)大于等于1.15，處于穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡的位移范圍為16.3～26.7mm， 與加固前相比大大降低。

對加固后的邊坡進行變形監(jiān)測，布置3個監(jiān)測點進行監(jiān)測，點位布置如圖5，監(jiān)測時長180d，可得到監(jiān)測時間與變形的關系曲線如圖15。從圖中可以看出，在監(jiān)測點1#位置處，為邊坡的坡面處，且為巖層的分界面上，其變形隨著時間的變化而不斷增加，變形速率和變形總量為3個監(jiān)測點之最， 而在162d之后，變形趨于穩(wěn)定，達到邊坡變形最大值25.78mm，而在監(jiān)測點2#（坡頂）和監(jiān)測點3#（坡腳）位置處的變形總量和變形速率依次減小。

圖15 監(jiān)測時間與變形關系曲線

為了比較加固后模擬計算的實用性，對3個監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)與一般工況計算值進行了比較， 如圖16。 由圖可以得到，在一般工況條件下，不同邊坡位置處的變形模擬計算最大值與監(jiān)測最大值十分接近，且表現(xiàn)為坡面最大，坡頂次之，坡腳最小的規(guī)律，因此在類似邊坡防護期間，應加強邊坡坡面的監(jiān)測，對其最大值進行預報和預警。

圖16 最大計算值與最大監(jiān)測值對比曲線

5 結語

本文依托南寧市賓陽縣某廢棄花崗巖礦山的邊坡治理工程， 介紹了邊坡治理區(qū)的現(xiàn)狀和選用的治理方法，并在此基礎上采用數(shù)值模擬的方法，建立治理前后邊坡計算模型，分析一般工況、暴雨工況和地震工況下的邊坡變形和穩(wěn)定性變化規(guī)律， 得出以下結論：

（1）南寧市賓陽縣露天采石礦技術相對落后，各礦區(qū)開采面裸露較大， 廢棄采場普遍存在未分臺階開采，邊坡較陡，在暴雨等外因誘發(fā)下易產生滑坡、崩塌等地質災害。

（2）無論何種工況，邊坡斜面上的變形比邊坡內部和坡頂、坡腳的大，且在巖體交界處為最大，沿著坡面的法向邊坡內部不斷減小；相同工況條件下，加固后巖體邊坡變形明顯比加固前巖體小， 表明加固錨桿使巖體的整體性更好， 巖體能充分利用內部巖體的抗剪強度進行抗滑。

（3）加固前的穩(wěn)定系數(shù)范圍為0.89～1.05之間，邊坡的位移范圍為27.5～28.3mm，加固后穩(wěn)定系數(shù)大于等于1.15，邊坡的位移范圍為16.3～26.7mm，加固方案能有效改善邊坡的變形和提高其穩(wěn)定性。

（4）邊坡的坡面處變形隨著時間的變化而不斷增加，變形速率和變形總量為3個監(jiān)測點之最，坡頂次之，坡腳最小，不同邊坡位置處數(shù)值計算變形最大值與監(jiān)測最大值接近。