某采石場露天邊坡穩(wěn)定性分析及治理

保瑞，郁華嘉，朱輝，狄巍，葉淑芬

(1.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500；3.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

0 引言

露天采場邊坡安全穩(wěn)定是礦山企業(yè)的生命線，是高效開采的最重要保障[1]；一旦發(fā)生滑坡將會(huì)造成極其嚴(yán)重的人員傷亡，也會(huì)給企業(yè)帶來重大的損失。因此，露天礦邊坡穩(wěn)定性分析及治理一直是采礦工程界、巖石力學(xué)界與工程地質(zhì)界共同關(guān)注的重要課題之一。杜時(shí)貴等[2]精細(xì)化、分級評價(jià)了大型露天礦山總體邊坡、組合臺(tái)階邊坡和臺(tái)階邊坡的穩(wěn)定性，確定了關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)面及其組合的控制效應(yīng)。張科等[3]提出了基于 Dimine-AutoCAD-Slide-二分法的邊坡穩(wěn)定性評價(jià)及優(yōu)化設(shè)計(jì)集成技術(shù)，并將其應(yīng)用于城門山銅礦高陡邊坡。李克鋼等[4]引入Hoek-Brown準(zhǔn)則和強(qiáng)度折減法，通過數(shù)值研究了巖體擾動(dòng)參數(shù)對露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，提出了邊坡安全系數(shù)“玫瑰花”圖。張志軍等[5]運(yùn)用簡化Bishop法和Spencer法評估了山達(dá)克銅金礦擴(kuò)幫區(qū)邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。劉長青等[6]采用離散單元強(qiáng)度折減法計(jì)算了瑯琊山礦業(yè)露天礦邊坡的安全系數(shù)。鄧帆等[7]運(yùn)用 FLAC3D強(qiáng)度折減法和極限平衡法分析了某露天礦高陡邊坡的穩(wěn)定性，給出了優(yōu)化后的邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)。衣瑛等[8]根據(jù)鞍千礦業(yè)啞巴嶺礦區(qū)水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件，對露天采場進(jìn)行工程地質(zhì)分區(qū)，并分析了不同工況下的邊坡失穩(wěn)模式和安全系數(shù)。崔松軍等[9]通過Phase 2二維有限元分析軟件，結(jié)合位移場、剪應(yīng)變場和塑性區(qū)分布研究了剛果（金）某露天礦山多臺(tái)階滑坡的發(fā)生機(jī)制，提出了削坡減載治理方案。

隨著開采范圍的擴(kuò)大，云南某采石場露天邊坡坡腳超挖、邊坡過高等問題逐漸顯現(xiàn)，對礦山安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。本文通過RMR巖體質(zhì)量分級及力學(xué)參數(shù)確定、極限平衡法，系統(tǒng)地分析了采場的邊坡穩(wěn)定性，評估了整治方案的可行性，為該礦山滑坡災(zāi)害防治和安全開采提供了科學(xué)的指導(dǎo)。

1 工程背景

云南某采石場露天邊坡長約320 m，高約5～100 m，出露地層主要為元古界昆陽群綠汁江組灰、深灰色灰?guī)r，中度風(fēng)化，如圖1所示。節(jié)理現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域主要發(fā)育有2組節(jié)理：第1組產(chǎn)狀122°∠66°，間距3～20 cm，平均間距約7.3 cm，密度約13.69條/m；第2組產(chǎn)狀132°∠53°，間距2～42 cm，平均間距約14.1 cm，密度約7.1條/m。節(jié)理多數(shù)呈閉合狀態(tài)，個(gè)別微張開；節(jié)理面多數(shù)較平整，少數(shù)呈波狀起伏；巖壁干燥，表面風(fēng)化。水文地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，主要巖層地下水徑流模數(shù)為 2.0～2.5 L/（s·km2），研究區(qū)位于補(bǔ)給徑流區(qū)，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，地表水和地下水向低洼處排泄，采場邊坡不會(huì)受到地表水的影響。

圖1 采石場邊坡現(xiàn)狀

2 巖體質(zhì)量分級及力學(xué)參數(shù)取值

結(jié)合礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察結(jié)果、鉆孔巖心數(shù)據(jù)以及礦巖力學(xué)特性室內(nèi)測試結(jié)果，運(yùn)用巖體地質(zhì)力學(xué)分級（RMR）[10]對邊坡巖體質(zhì)量進(jìn)行分析與評價(jià)，為巖體穩(wěn)定程度提供一種初步的宏觀判斷。RMR值由巖塊強(qiáng)度（R1）、RQD值（R2）、節(jié)理間距（R3）、節(jié)理狀態(tài)（R4）、地下水狀態(tài)（R5）及節(jié)理產(chǎn)狀修正（R6）6種指標(biāo)組成，見式（1）。

采石場主要出露巖體即灰?guī)r的質(zhì)量分級評價(jià)結(jié)果見表1，計(jì)算得RMR總分為43，說明礦區(qū)邊坡巖體質(zhì)量等級為III級，屬于一般巖體。

表1 巖體質(zhì)量分級結(jié)果

邊坡巖體的Hoek-Brown分級參數(shù)及強(qiáng)度參數(shù)見表2，運(yùn)用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則將室內(nèi)測試所得的完整巖塊力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換為邊坡巖體力學(xué)參數(shù)[11]，相應(yīng)的巖體力學(xué)參數(shù)取值見表3，為后續(xù)邊坡穩(wěn)定性分析及治理提供了合理的計(jì)算參數(shù)。

表2 邊坡巖體Hoek-Brown分級參數(shù)及強(qiáng)度參數(shù)

表3 灰?guī)r力學(xué)參數(shù)

3 穩(wěn)定性分析

在采石場露天邊坡最高最陡區(qū)域設(shè)置典型分析剖面，該邊坡高度為 136.86 m，整體邊坡角為50°，如圖2所示。選取瑞典條分法、簡化 Bishop法、Janbu法這3種常用的極限平衡方法計(jì)算現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定狀況。根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016-2014）[12]，考慮3種荷載組合：荷載組合I為自重+地下水、荷載組合II為自重+地下水+爆破振動(dòng)力、荷載組合III為自重+地下水+地震力，相應(yīng)的安全系數(shù)應(yīng)分別不小于 1.10～1.15，1.08～1.13，1.05～1.10。

圖2 典型分析剖面

不同荷載組合下現(xiàn)狀邊坡的臨界滑動(dòng)面和最小安全系數(shù)搜索結(jié)果見圖3至圖5和表4。從圖3至圖5和表4中可知，3種荷載組合下邊坡表現(xiàn)為整體破壞模式，安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求[12]，坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，尤其在荷載組合III下安全系數(shù)小于1，威脅礦山的后續(xù)開采，這是因?yàn)檫吰缕履_處超挖，使得整體穩(wěn)定性極大降低。另外，發(fā)現(xiàn)爆破振動(dòng)對邊坡安全系數(shù)的影響約為1.76%～2.43%，而地震對邊坡安全系數(shù)的影響約為4.96%～6.13%，所以荷載組合III為最不利工況。

表4 現(xiàn)狀邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖3 荷載組合I條件下現(xiàn)狀邊坡臨界滑動(dòng)面和最小安全系數(shù)搜索結(jié)果

圖5 荷載組合III條件下現(xiàn)狀邊坡臨界滑動(dòng)面和最小安全系數(shù)搜索結(jié)果

4 治理方案

本著“安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行”的滑坡防治原則，考慮到礦區(qū)周邊500 m范圍內(nèi)無人居住，破壞后果不是很嚴(yán)重，且服務(wù)年限較短，因此提出了“固腳+削坡減載”綜合治理方案，即對邊坡底部超挖區(qū)域處進(jìn)行廢石堆填，對坡面進(jìn)行削坡處理以及增加臺(tái)階級數(shù)，如圖6所示。

圖6 邊坡治理示意

圖4 荷載組合II條件下現(xiàn)狀邊坡臨界滑動(dòng)面和最小安全系數(shù)搜索結(jié)果

采用瑞典條分法、簡化Bishop法、Janbu法對治理后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，最不利工況即荷載組合 III條件下邊坡的臨界滑動(dòng)面和最小安全系數(shù)搜索結(jié)果見圖7和表5。從圖7和表5中可以看出，3種極限平衡法計(jì)算所得的安全系數(shù)為1.152～1.201，均符合規(guī)范要求[12]，說明提出的治理方案合理，能夠提高邊坡穩(wěn)定性，有效地消除滑坡隱患，保障該礦山的安全生產(chǎn)。建議礦山應(yīng)完善采場邊坡監(jiān)測系統(tǒng)，在后續(xù)生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)掌握邊坡治理效果和運(yùn)行狀況。

表5 治理后邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖7 治理后邊坡臨界滑動(dòng)面和最小安全系數(shù)搜索結(jié)果

5 結(jié)論

（1）RMR分級評價(jià)結(jié)果表明云南某采場邊坡主要出露的灰?guī)rRMR評分為43，巖體質(zhì)量等級為III級，屬于一般巖體；基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則確定了邊坡巖體力學(xué)參數(shù)，為穩(wěn)定性分析提供了合理的參數(shù)依據(jù)。

（2）采用瑞典條分法、簡化Bishop法、Janbu法3種極限平衡方法綜合評判了采場邊坡的穩(wěn)定狀況，并考慮自重、地下水、爆破振動(dòng)及地震的荷載組合作用，發(fā)現(xiàn)所有工況下現(xiàn)狀邊坡發(fā)生整體失穩(wěn)，相應(yīng)的安全系數(shù)不符合規(guī)范要求。

（3）提出固腳和削坡減載聯(lián)合治理方案，即回填坡腳超挖區(qū)和消減坡面，可以提高采場邊坡安全系數(shù)，消除礦山安全隱患；極限平衡方法計(jì)算結(jié)果表明最不利荷載組合條件下整治后的邊坡穩(wěn)定性符合規(guī)范要求。