烏龍洞石灰石礦終了邊坡穩定性分析*

劉小平 陳星明 龍林健 馮德潤

（1.西南科技大學環境與資源學院；2.四川西南水泥股份有限公司）

改革開放以來，隨著經濟和科技的快速發展，我國露天礦山生產能力得到很大的提升。露天礦山的不斷擴建破壞了當地原有的地質平衡，產生了許多不安全因素，對露天礦山邊坡穩定性產生了巨大的影響。國內外眾多學者針對這一工程問題進行了深入研究，取得了豐碩的研究成果。劉歲海、唐熊等［1-2］發現利用極射赤平投影法可以對邊坡穩定性進行定性分析與評價。王鴻、彭建謀等［3-4］介紹了極限平衡法、強度折減法等定量方法在露天礦山邊坡中的應用，為類似礦山的穩定性評價提供了思路。

針對露天礦山邊坡穩定性，結合烏龍洞石灰石礦山實際情況，單一的定性或定量分析方法存在一定的局限性。鑒于此，本研究從定性與定量結合的視角出發，在結合前人研究的基礎上，采用赤平投影法與極限平衡法相結合的方式，對自然工況和暴雨工況下的露天礦山設計終了邊坡楔形破壞模式和穩定性進行分析。

1 工程背景

四川國大水泥有限公司烏龍洞水泥用石灰石礦位于四川省江油市含增鎮東北側2.5 km的花果村黃連樹坡。礦區主要分布二疊系下統陽新組（Py）地層、石炭系黃龍組（Ch）及石炭系總長溝組（Cz）地層。礦區內無大斷裂和褶皺構造，其構造為走向北東、向北西傾斜的單斜構造。礦區主要出露地層為陽新組下段灰巖，礦體呈層狀，傾向北西（330～340°），傾角為34～52°，呈單斜產出。礦石巖性為灰—灰白色、厚層—巨厚層微晶生物碎屑灰巖，下部含有機質、白云質亮晶方解石生物碎屑灰巖。礦山為山坡露天礦，設計采用自上而下分臺階開采，臺階高度15 m。

礦山設計終了邊坡面的選取從邊坡高度以及邊坡與巖層組合關系角度考慮，選取初步設計中礦區西北側以及南側終了邊坡作為本次分析對象。西北側邊坡最低平臺標高為+700 m，最高平臺標高為+835 m，邊坡高度為145 m，邊坡傾向與巖層傾向相反，屬逆向坡，西北側邊坡剖面如圖1所示。南側邊坡最低平臺標高為+685 m，最高平臺標高為+835m，邊坡高度為165 m，邊坡傾向與巖層傾向相同，屬順向坡，南側邊坡剖面如圖2所示。

2 基于赤平投影法的邊坡穩定性分析

2.1 赤平投影法簡介

赤平投影法最初是用來表示天文學中星體位置相關關系的定性方法。20世紀60年代后，赤平投影法被引入工程地質領域，得到了廣泛的應用［5-8］。

極射赤平投影的基本原理是所需要分析的三維空間中的線與面放到投影球體的中心，將線與面投影到球面上，再以下極或者上極為發射點，將球面上的幾何要素投影到赤平面上。平面的幾何要素包括走向、傾向、傾角，其中走向與傾向相垂直，故表示出傾向與傾角即可表示出該平面。如圖3所示，將平面ABCD放到一個投影球體的中心，得球面ABCD，平面ABCD與赤平面的夾角為該平面的傾角，交線AC即為該平面的走向。將球面ABCD與下極O1相連得錐面O1-ABCD，錐面O1-ABCD與赤平面交于圓弧AB'C，則圓弧AB'C就是平面ABCD在赤平面的投影。因此，根據邊坡坡面、巖層層面及巖體結構面的產狀參數，將各平面繪制到赤平投影圖中（圖3），即可判定其相互位置關系，進而對邊坡的穩定性進行分析。

2.2 參數確定

（1）巖體參數。在現場勘測的基礎上，以巖體結構調查結果為依據，確定了邊坡面產狀、巖層產狀及3組優勢節理產狀信息如表1、表2所示。

?

?

（2）結構面參數。根據《江油礦山結構面地質勘查報告》，四川國大水泥石灰石礦結構面類型屬于硬性結構面，且結構面結合程度屬于無填充的結構面，結合一般。根據《非煤露天礦工程技術規范》（GB 51016—2014）和《工程巖體分級標準》（GB/T 50218—2014），烏龍洞石灰石礦區邊坡巖體結構面抗剪強度標準值可按照表3綜合選取。

?

根據工程地質調查結果，該礦邊坡自然狀態下巖體結構面內摩擦角取35°，黏聚力取0.12 MPa。同時，根據秦安洪等［9］相關研究結果，飽水狀態下巖體結構面內摩擦角和黏聚力可根據自然狀態下巖體結構面內摩擦角進行相應地折減后獲得。因此，結合礦山地質資料，最終確定烏龍洞石灰石礦巖體在飽水狀態下結構面內摩擦角為31.5°，黏聚力為0.08 MPa。

2.3 赤平投影分析

3組優勢結構面與邊坡坡面赤平投影繪制如圖4所示。在此基礎上，結合赤平投影圖計算出邊坡巖層與優勢節理組的組合關系如表4、表5所示。

?

?

西北側邊坡的交割線M1、M2、M3與邊坡傾向夾角分別為157°、159°、99°，均與邊坡方向相反，發生楔形體破壞的可能性較小；交割線M4、M5、M6與邊坡傾向夾角分別為23°、59°、27°，均與邊坡方向一致，進一步分析發現，邊坡的傾角為55°，結構面內摩擦角為31.5°；而M4的傾角為51°，位于邊坡傾角與邊坡內摩擦角之間，發生楔形體破壞的可能性較大；M5與M6的傾角均大于邊坡傾角，發生楔形體破壞的可能性不大。綜上，西南側邊坡屬逆向坡，整體坡面較穩定，但局部地區存在沿交割線M4發生楔形體破壞的可能性較大。

南側邊坡傾向為0°，傾角為55°，結構面內摩擦角為31.5°；巖層與邊坡傾向一致屬順向坡，邊坡易發生平面滑動破壞；交割線M1、M2、M3與邊坡傾向夾角分別為79°、32°、28°，M1與邊坡呈交叉關系，發生楔形破壞的可能性較小，M2、M3與邊坡傾向基本一致，同時M2、M3傾角分別為47°和33°，均位于邊坡內摩擦角和邊坡傾角之間，故沿交割線M2、M3發生楔形破壞的可能性較大；交割線M4、M5、M6與邊坡傾向的夾角分別為150°、174°、154°，均與邊坡傾向相反，發生楔形破壞的可能性較小。綜上，南側邊坡屬順向坡，坡面易沿著巖層面發生平面滑動，局部地區會在外部載荷作用下沿著交割線M2、M3發生楔形體破壞的可能性較大。

3 基于極限平衡法的邊坡穩定性分析

3.1 極限平衡法簡介

極限平衡法是工程上應用較為廣泛的定量分析方法［10-12］。該方法的最大優勢在于在不能給出結構變形圖像的情況下，仍能對結構的穩定性給出較為精確的結論。目前，國內外對邊坡穩定性研究大都采用極限平衡法作為定量分析。極限平衡分析的方法 很 多，有Fillenius法、簡 化Bishop法、Janbu法、Spencetr法、Morgenstern法、Sarma法、余推力法等。

因簡化Janbu法沒有考慮到條塊間抗剪強度，導致計算結果略偏保守；而Bishop法滿足所有條塊力的平衡條件，是圓弧形滑動面普遍使用的穩定性計算方法。故本研究極限平衡法采用簡化Bishop法。

3.2 巖體力學參數

室內實驗測試了自然狀態下和飽水狀態下巖石的單軸抗壓強度和彈性模量等力學參數。在室內實驗的基礎上，得到邊坡巖體力學參數如表6所示。

?

3.3 安全系數

工程上，一般用某一特定滑動面上抗滑力與滑動力的比值來定義邊坡安全系數。根據《非煤露天礦山邊坡工程技術規范》要求，鑒于本礦山邊坡整體等級為Ⅱ級，故本次烏龍洞石灰石礦終了邊坡安全系數綜合取值在自然工況下取1.20，暴雨工況下取1.18。

3.4 極限平衡分析

使用Bishop法有如下假定。

（1）所討論的問題為平面應變問題。

（2）滑動面為一個圓弧面。

（3）計算中認為條塊間有法向作用力，不考慮切向作用力。

基于以上假定，通過Slide軟件采用Bishop法進行邊坡穩定性計算分析，分析結果如圖5、圖6所示。

根據以上簡化Bishop法計算分析結果，邊坡安全系數結果見表7所示。

由表7可知，基于極限平衡法計算，西北側邊坡和南側邊坡在2種工況下安全系數均大于許用安全系數，表明初步設計的邊坡角滿足安全要求，終了邊坡整體處于穩定狀態。

4 安全對策措施

?

（1）終了邊坡應采用控制爆破技術，尤其是南側邊坡為順層坡，合理布局炮眼，爆破時嚴格控制裝藥量，以保持巖體的完整性和邊幫的穩定。

（2）加強礦山防排水工作，水是影響邊坡穩定性極為有害的因素，礦山在生產過程中，通過在終了境界外修筑截水溝，在運礦道路靠近山坡側修筑排水溝等措施來形成完整的排水系統。

（3）加強邊坡安全管理，減少人和環境對邊坡穩定性的破壞作用，嚴格按照開采設計參數進行開采作業，并建立終了邊坡監測系統，制定邊坡監測計劃，對存在不穩定因素的終了邊坡進行長期的監測。

5 結論

（1）采用赤平投影法分析得出，礦山西北側邊坡整體較穩定，但在動載作用下有一定可能性發生由優勢節理組Set1和優勢節理組Set2所控制的楔形體破壞。礦山南側邊坡整體穩定性較差，在動載作用下可能會沿巖層層面發生滑動破壞。局部區域有可能會發生由巖層、優勢節理組Set2和優勢節理組Set3所控制的楔形體破壞。

（2）采用極限平衡定量分析方法，計算出兩側邊坡在自然狀態和暴雨工況下的安全性系數，結果計算值均大于許用安全系數值，表明終了邊坡整體處于穩定狀態。

（3）結合烏龍洞礦山生產情況，針對性地提出了終了邊坡應采用控制爆破、加強礦山防排水、強化邊坡安全管理等安全措施。