某露天采場邊坡穩定性治理研究

李小武，施雄斌，馮 娟，羅春生

(1.昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.紫金(廈門)工程設計有限公司，福建 廈門 361000)

0 引 言

邊坡穩定性一直是露天礦山面臨的重要安全隱患，陸衛國認為大南湖露天礦非工作幫邊坡破壞主要沿基底巖層滑動，而工作幫邊坡則以豎直方向變形為主；馬明康等采用極限平衡法與數值模擬方法得出：削坡后黑山露天礦邊坡穩定性大于安全儲備系數；梅開品和武尚榮的研究表明：當邊坡開采至一定高度后，斷層對邊坡位移產生巨大影響；金愛兵等實現從無人機測量到三維數值模型的快速建立，以便獲得更好數值模擬結果；周子涵等利用能量突變判據評價露天礦邊坡開挖過程中的穩定性；李梅華研究了礦山邊坡滑坡段土石混合體力學特性，為滑坡體穩定性計算提供有效原位力學參數。潘祖瑛和李二寶使用GEO-SLOPE軟件進行了數值模擬分析，得出礦山總體邊坡穩定性最小安全系數；楊宇江和路增祥認為覆蓋層散體能吸收、轉移露天礦殘余邊坡應力，對能量釋放有緩沖作用，進而能夠支撐邊坡及圍巖。此外，露天礦邊坡問題還有諸多其他研究成果，為該文研究工作提供了參考。

邊坡穩定分析有2種不同方法，即：利用彈塑性理論分析應力-應變狀態，或假設巖、土體沿一定滑移面滑動，可作極限平衡分析。隨著數值計算軟件迅猛發展，前者可將復雜的彈塑性應力-應變關系納入到變形和穩定計算中，并給出精確數值解。后者則必須通過對許多可能的滑移面試算，以求出最小安全系數，使得到的可動解盡量接近實際情況，我國工程單位在驗算坡岸穩定時，大多沿用這種方法。因此，對于相對簡易的極限平衡法，仍應予以足夠重視。該文將利用不同極限平衡法，計算安全系數，評價邊坡整體穩定性。

該露天采場邊坡主要由粉砂巖、砂巖、泥巖和灰巖等組成，巖體結構為碎塊狀、層狀破碎結構，節理、裂隙較為發育，其中巖體結構中軟弱夾層對邊坡穩定影響較大。該次分析由于缺乏采礦場內賦存地下水、巖組結構特征和巖土體物理力學參數指標，因此，邊坡穩定性評價不考慮地下水滲透壓力和結構面(斷層、節理裂隙等)影響。

1 極限平衡法簡介

極限平衡法是邊坡穩定性分析的重要方法，它是建立在靜力平衡基礎上，結合各種邊坡潛在破壞方式及受力狀態，以抗滑力與下滑力比值定義邊坡安全系數來評價邊坡穩定性。采用極限平衡法評價邊坡穩定性，首先需要對滑動面位置及形狀進行必要假設，該工作需要工程技術人員具有較好工程經驗。與其他方法相比，極限平衡法無法提供邊坡變形過程中應力、位移值等演化規律，它能給出評價邊坡穩定的安全系數及破壞面形態，具有較好工程物理意義，因此，極限平衡法對邊坡穩定性評價具有較好應用價值。常用極限平衡方法及對應假設條件見表1。

2 邊坡穩定性主要影響因素

露天礦邊坡決定了礦山生產安全邊界，同時也是經濟合理邊界，它是礦區生產作業直接對象。邊坡穩定性往往由多種因素綜合決定，是外部和內部因素共同作用結果，以下3類是主要決定因素：

表1 常用極限平衡法及相關假設統計Tab.1 Common limit equilibrium methods and assumptions concerned

首先，巖體自身物理力學性質及結構特征。不同巖性的物理力學性質及結構特征存在差異，眾所周知，巖體由巖石和結構面組成，結構面決定巖體力學性質，而結構面3要素：傾角、傾向和走向，以及裂隙巖體受力分布情況決定巖體強度。其次，巖體賦存工程地質及水文地質情況，決定巖體性能及巖體穩定性，包括地應力、地下水位及滲透壓力等。最后，外在因素也是促使礦山邊坡失穩的重要因素，比如：地震、爆破振動、大氣降雨等；這些外在因素會進一步惡化邊坡巖體性能，最終誘發邊坡失穩事故。

上述3類主要影響因素，前2類屬于內在因素，主要由巖體自身地質條件決定，是礦山邊坡失穩破壞的基礎性條件。第3類因素與礦山巖體自身條件無關，屬于外界觸發因素，而邊坡失穩，往往由觸發因素引起，因此，礦山開采中應特別引起重視。

對于該區域露天采場邊坡，分析邊坡巖體性質及結構產狀后發現：該采場邊坡主要受軟弱巖組控制，巖體結構面對其穩定影響較為有限。因此，礦區開采過程中應對軟弱結構面進行重點關注，對于潛在危險區域，可以考慮采取加固措施，提高軟弱結構面區域抗滑能力，保證邊坡穩定。

該礦區邊坡賦存地質環境和外在觸發因素，必須引起高度重視。以地下水、降雨為例，它們對該露天采場邊坡穩定性弱化主要表現為3方面：①降雨使礦區邊坡頂部第四系表層基巖風化帶被沖刷；②降雨滲入軟弱結構巖體內部，地下水作用導致軟弱巖層軟化、泥化，從而使其力學性能急劇下滑，例如，結構面之間摩擦力和內聚力快速降低；③在邊坡孔隙水壓力影響下，降落漏斗以下邊坡將受地下水浮力及動水壓力，引起抗滑能力降低。

3 邊坡安全系數標準

《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330—2013)中規定了邊坡工程穩定安全系數，見表2。如果各級邊坡安全系數>對應值，邊坡處于安全狀態，否則，邊坡將具有潛在失穩風險，必須對邊坡進行加固處理。

表2 邊坡穩定安全系數Tab.2 Safety factors of slope stability

根據非煤露天礦邊坡工程技術規范(GB 51016—2014)，在不同荷載組合作用下，露天礦總體邊坡應滿足表3規定的設計安全系數值。

表3 不同荷載組合下總體邊坡設計安全系數Tab.3 Overall slope design safety factors at different Loads

對于各臺階邊坡和臨時工作邊幫，根據規范允許一定程度破壞，因此，邊坡設計安全系數可適當調低。此外，在有色金屬采礦設計規范(GB 50771—2012)中，主要以邊坡重要程度、礦山服務年限為指標，來規定邊坡合理安全系數，見表4。

表4 邊坡穩定系數KTab.4 Slope stability factor K

結合上述不同規范對露天礦邊坡安全穩定系數的要求，按照礦山允許露采邊坡部分破壞的思想理念，考慮礦山經濟和安全生產兼顧需求，以及采場邊坡穩定性內在影響因素(如：軟弱結構面、斷層、節理裂隙、地下水、巖體力學性能等)難以全面、詳細掌握，因此，該文主要以邊坡高度為依據，劃分邊坡危害等級。結合規范規定后最終確認：在自重工況下某礦采場邊坡安全系數[FS]≥1.20，在自重+降雨和自重+地震工況下[FS]≥1.10，否則邊坡將存在失穩風險。

4 邊坡穩定性分析

建立二維邊坡模型，采用極限平衡方法研究典型區段露天采場邊坡穩定性。考慮極限平衡計算方法，以及礦區賦存工程地質條件，該節決定采用Janbu法、Spencer法和Morgenstern-Price法進行計算，并對比各方法結果。

4.1 計算參數選取及模型建立

由于缺乏某礦巖體物理力學參數指標，因此，結合采場賦存工程地質巖組特征和現場調查結果，該數值計算以蘭坪鉛鋅礦地區巖體物理力學性質為參考，并結合工程經驗，最終確定合適計算參數，見表5。

表5 主要巖體物理力學參數Tab.5 Physical and mechanical parameters of main rock mass

目前該礦山缺乏相關地質構造資料，因此，該次數值計算僅考慮露天邊坡結構特征對其穩定性影響。參考露天礦采場境界最新設計，選取典型的、位于采場邊坡不同位置的剖面，建立計算模型，主要剖面包括：I-I、II-II、III-III和IV-IV，最終用于露采邊坡穩定性計算，剖面截取的具體位置見圖1，剖面形狀見圖2-5。

圖1 采場邊坡穩定驗算剖面截取位置Fig.1 Selected profile locations for the slope stability checking

圖2 北幫驗算剖面圖III-IIIFig.2 Profile III-III of northern slope stability checking

圖3 南幫驗算剖面圖I-IFig.3 Profile I-I of southern slope stability checking

圖4 東幫驗算剖面圖IV-IVFig.4 Profile IV-IV of eastern slope stability checking

圖5 西幫驗算剖面圖II-IIFig.5 Profile II-II of western slope stability checking

以某礦露天采場各剖面為研究對象，首先需要對模型施加邊界約束，然后對各典型巖層進行物理力學參數賦值，建立的典型2D仿真數值模型見圖6。

圖6 露天礦邊坡典型2D模型(北幫III-III)Fig.6 Typical 2D model of open-pit slope

4.2 計算結果分析與評價

在數值計算中，考慮3種工況，分別為：自重、自重+降雨、自重+地震(7 度，0.15 g)，各工況采用的計算方法一樣，均為極限平衡法，最終計算獲得設計露天采場邊坡最小安全系數。部分典型計算云圖見圖7-15，表5-7分別為3種不同工況下露天采場邊坡各剖面穩定系數列表。

表6 Janbu法計算結果Tab.6 Results of Janbu method

表7 Spencer法計算結果Tab.7 Results of Spencer method

表8 Morgenstern-Price法計算結果Tab.8 Results of Morgenstern-Price method

根據表5-7和各邊坡典型計算云圖，可得如下結論：

(1)在不同工況下，3種計算方法獲取的該礦段露天采場邊坡安全系數均分布于1.10～1.30之間，符合安全規程規定的安全系數要求，但是邊坡安全儲備不足；此外，南、北幫安全系數總體比東、西幫偏小，說明南、北幫邊坡安全穩定性總體比東、西幫差，地質資料和現場調查結果也表明：這主要由于南、北幫存在軟弱結構面，導致巖體強度以及邊坡穩定性偏低。

(2)從表5-7可見：在相同工況下，同一邊幫的安全系數較為接近，其值差異很小；此外，圖7-9可見：在相同工況下，Morgenstern-Price法、Spencer法和Janbu法得到的潛在危險滑移面位置相似。

圖7 自重工況-Janbu(北幫，FS=1.230)Fig.7 Condition of deadweight-Janbu(northern slope，FS=1.230)

圖8 自重工況-Spencer(北幫，FS=1.237)Fig.8 Condition of deadweight-Spencer(northern slope，FS=1.237)

圖9 自重工況-MP(北幫，FS=1.230)Fig.9 Condition of deadweight-MP(northern slope，FS=1.230)

圖10 自重工況-Janbu(東幫，FS=1.249)Fig.10 Condition of deadweight-Janbu(eastern slope，FS=1.249)

圖11 自重+降雨工況-Janbu(東幫，FS=1.149)Fig.11 Condition of deadweight and rainfall-Janbu(eastern slope，FS=1.149)

圖12 自重+地震工況-Janbu(東幫，FS=1.101)Fig.12 Condition of deadweight and earthquake-Janbu(eastern slope，FS=1.101)

圖13 自重工況-MP(南幫，FS=1.209)Fig.13 Condition of deadweight-MP(southern slope，FS=1.209)

圖14 自重+降雨工況-MP(南幫，FS=1.107)Fig.14 Condition of deadweight and rainfall-MP(southern slope，FS=1.107)

圖15 自重+地震工況-MP(南幫，FS=1.118)Fig.15 Condition of deadweight and earthquake-MP(southern slope，FS=1.118)

(3)對比圖7-15可見：在3種工況下，除了南幫，各位置最危險滑移面均從坡頂T3w層泥質粉砂巖和T3s1-2層白云質灰巖剪入，再從中間位置J2h層泥質粉砂巖剪出；對于南幫，由于其為順層邊坡，且順層方位接近整體邊坡角，因此，滑移面沿表層(Eyb-1層)角礫狀灰巖剪出。總之，該露天礦均表現出局部區域的邊坡整體穩定問題。

5 結 語

(1)該次數值計算只考慮了賦存巖組結構因素，由于礦區地質條件復雜，地下水、節理裂隙、爆破振動等不利因素對邊坡穩定的弱化影響，因此，邊坡實際安全系數比計算結果小。

(2)由于南、北幫順層邊坡安全系數相對較低，后期開采過程中應予以重視。因此，為了確保該處邊坡穩定，避免安全事故發生，應采取適當主動加固及護坡措施，避免不利因素觸發邊坡巖體滑坡。在生產過程中，應加強邊坡維護和治理，定期清掃邊坡，防止浮石掉落造成安全事故；此外，還應加強邊坡防排水工作，避免積水涌入邊坡區域，造成巖石軟化及結構面弱化。