某厚大風化層高陡邊坡穩(wěn)定性分析及治理方案研究

武 飛 胡 崴

（1.中鋼集團馬鞍山資產(chǎn)管理有限公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司）

邊坡是指具有側向臨空面的地質體，可分為自然邊坡和人工邊坡。前者是通過自然地質作用形成，后者是通過人工開挖、改造形成。露天礦山邊坡往往具有高度大、坡度陡、失穩(wěn)危害大等特點，且受礦山開采過程中巖體位移和應力變化、爆破振動、雨水沖刷及巖體風化等因素影響，導致邊坡穩(wěn)定性問題對露天礦山生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效益的影響日益凸顯［1-4］。開展露天礦山邊坡穩(wěn)定性分析，一方面可以準確掌握邊坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀，另一方面可以為礦山邊坡優(yōu)化設計或邊坡治理方案設計提供依據(jù)，對防止產(chǎn)生滑坡、崩塌等地質災害以及保障礦山生產(chǎn)安全具有重要意義［5-6］。目前常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有工程類比法、極限平衡法和數(shù)值分析法等，極限平衡法具有計算便捷、目標明確等優(yōu)點，在邊坡工程中應用最為廣泛。本文針對礦山高陡邊坡特點，采用極限平衡法對現(xiàn)狀邊坡和治理后邊坡的穩(wěn)定性進行分析，為確定科學、合理的邊坡治理方案提供依據(jù)。

1 工程概況

某建筑石料礦采用露天開采方式，經(jīng)過多年的開采，在地表形成了南北向長約450 m、東西向寬約430 m的露天采坑。共形成了12個安全平臺，最低平臺標高為+110 m，最高平臺標高為+290 m，臺階高度10～20 m，臺階坡面角45°～75°，整體邊坡最大高度約196 m，整體邊坡角39.5°～49.5°。

礦區(qū)工程地質條件為中等類型，組成邊坡的巖體主要為第四系殘坡積層、較堅硬的風化花崗巖及堅硬的花崗巖，其中殘坡積層及風化花崗巖厚度35～55 m。礦區(qū)內(nèi)無斷裂構造，礦區(qū)及周邊未發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂痕跡，但受區(qū)域構造運動的影響，巖礦體節(jié)理裂隙發(fā)育。主要發(fā)育3組節(jié)理：節(jié)理1產(chǎn)狀150°∠65°、節(jié)理2產(chǎn)狀280°∠70°、節(jié)理3產(chǎn)狀95°∠45°。礦區(qū)水文地質條件為簡單類型，地下水主要為松散巖類孔隙水和塊狀巖類裂隙水，基巖裂隙含水層富水性較弱。地下水對礦坑充水條件弱，礦坑充水的主要來源為大氣降水。

由于礦山開采過程中部分臺階邊坡高度和坡度留設過大，加上礦山生產(chǎn)過程中頻繁的爆破振動等因素影響，露天采場邊坡上部風化層已產(chǎn)生了多處小型滑坡。由于東側和南側邊坡整體邊坡角已超過設計值（45°），且上部風化層厚度較大，預測邊坡產(chǎn)生進一步滑坡的可能性大，對礦山生產(chǎn)安全造成了嚴重威脅。

2 現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡工程分區(qū)

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，礦山露天采場東側邊坡整體坡度最大，組成邊坡巖體主要為堅硬花崗巖和風化花崗巖，風化層厚度較大；南側邊坡整體高度最大，組成邊坡巖體主要為堅硬花崗巖和風化花崗巖；西側邊坡整體高度和坡度均不大，組成邊坡巖體以風化花崗巖為主。綜合考慮露天采場邊坡位置、邊坡整體高度及邊坡角、工程地質巖組等多種因素，將礦山邊坡共分為3個區(qū)，編號分別為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。各分區(qū)情況見圖1。

2.2 邊坡潛在破壞模式分析

巖質邊坡的穩(wěn)定性主要受到巖體內(nèi)結構面的控制，結構面之間相互的空間位置、組合關系及其物理力學性質等，對邊坡穩(wěn)定性起到至關重要的作用。巖體邊坡常見的破壞模式主要包括圓弧形破壞、簡單平面破壞、楔形破壞和復合型破壞等［7］。通過結構面赤平投影分析，節(jié)理1和節(jié)理3與Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)邊坡反交，與Ⅲ區(qū)邊坡正交，傾角大于Ⅲ區(qū)邊坡整體邊坡角；節(jié)理2與Ⅲ區(qū)邊坡反交，與Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)邊坡正交，傾角大于Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)邊坡整體邊坡角（圖2）。故3組節(jié)理對礦區(qū)整體邊坡穩(wěn)定性的影響均不大，判斷整體邊坡潛在破壞模式主要為圓弧形破壞。

2.3 現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析

在對研究范圍內(nèi)的邊坡進行詳細的現(xiàn)場踏勘和地質調(diào)查，結合以往礦區(qū)地質資料，建立了與實際相符的地質模型。采用基于極限平衡法的GEO Studio Slope軟件，對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+爆破震動力，荷載組合Ⅲ為自重+地下水+地震力）下的邊坡的安全穩(wěn)定性進行了計算。

在巖石力學試驗和巖體質量分級的基礎上，采用Hoek-Brown強度準則換算法和經(jīng)驗折減法等對巖石力學參數(shù)進行折減后，得到了巖體物理力學指標推薦值，詳見表1。

礦區(qū)屬抗震設防烈度Ⅵ度區(qū)，基本地震加速度值為0.05g，地震力影響系數(shù)為0.012 5。根據(jù)礦山開采爆破參數(shù)及采場地質條件等，采用擬靜力法計算得出爆破振動力水平影響系數(shù)為0.006。

根據(jù)鉆孔勘察確定的地下水位，采用有限元方法計算得到邊坡地下水滲流場，并在此基礎上進行邊坡穩(wěn)定性計算分析。

根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術規(guī)范》（GB 51016—2014），確定邊坡安全等級為Ⅰ級，選取3種荷載組合條件下的邊坡最小允許安全系數(shù)分別為1.20、1.18和1.15。

在每個分區(qū)選取了1個典型剖面（編號分別為A—A、B—B、C—C），計算結果表明，現(xiàn)狀Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)邊坡安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，Ⅲ區(qū)邊坡在上述3種工況下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。Ⅰ區(qū)邊坡整體穩(wěn)定性較差，潛在最危險滑動面深度較大，且滑動面從整個邊坡各層巖體中穿過；Ⅱ區(qū)邊坡上部風化層穩(wěn)定性較差，潛在最危險滑動面深度相對較小，位于上部風化層巖體中。荷載組合Ⅲ條件下計算結果詳見圖3，各工況下安全系數(shù)計算結果見表2。

3 邊坡治理方案

3.1 方案推薦

邊坡治理常用的方法主要包括削坡減載、回填壓腳以及邊坡加固3類。由于礦山露天采場底部還存在部分礦石資源，回填壓腳將造成礦山剩余資源無法開采，故不適宜采用回填壓腳的方式進行治理。根據(jù)現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析結果，由于Ⅰ區(qū)邊坡整體穩(wěn)定性較差，且潛在滑動面深度大，采用加固方式或削坡減載方式進行治理，存在工程量大、工期長、工程造價高以及施工工藝復雜等的缺點。因此，推薦Ⅰ區(qū)邊坡采用削坡減載方式進行治理。Ⅱ區(qū)邊坡僅上部風化層穩(wěn)定性較差，潛在滑動面深度較小，對于局部不穩(wěn)定邊坡，由于邊坡削坡厚度較小，施工作業(yè)面狹小，削坡所需采用的挖掘機等大型機械施工作業(yè)困難且安全性難以保障；由于潛在滑動面深度較小，更適合采用加固方式進行治理，故推薦Ⅱ區(qū)邊坡采用錨桿加固方式進行治理［8-9］。

Ⅰ區(qū)邊坡削坡減載方案首先考慮采用礦山開采設計臺階邊坡參數(shù)，但由于現(xiàn)狀邊坡與礦山前期設計時的邊坡相比已發(fā)生了較大變化，按照礦山開采設計參數(shù)對現(xiàn)狀邊坡進行削坡減載后，形成的最終邊坡整體邊坡角為45.6°，將大于原設計值45°，且經(jīng)邊坡穩(wěn)定性計算分析，其安全系數(shù)也不能滿足規(guī)范要求，因此需要對邊坡參數(shù)進行進一步優(yōu)化?？紤]到礦區(qū)風化層厚度較大，建議將風化層巖體的臺階坡面角由65°降低至60°，總體邊坡角相應降低至44.5°，最終推薦邊坡削坡減載方案如表3所示。

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析的得到的潛在滑動面分布情況，推薦對Ⅱ區(qū)邊坡+220 m以上不穩(wěn)定地段的風化層巖體采用普通水泥砂漿錨桿進行加固。通過邊坡滑坡推力和錨桿支護結構計算，確定錨桿直徑32 mm，錨桿長度20 m，錨固長度不小于5 m，間距4.5 m×4.5 m，入射角25°，鉆孔直徑110 mm，采用強度等級為M30的水泥砂漿進行注漿。

3.2 邊坡治理方案穩(wěn)定性校核結果

根據(jù)推薦的邊坡治理方案，對治理后的邊坡進行了穩(wěn)定性計算校核。計算結果表明，采用推薦參數(shù)進行錨桿加固后，邊坡安全系數(shù)均可以滿足規(guī)范要求。計算結果見表4和圖4所示。

4 結論

（1）采用極限平衡法對某礦山3個分區(qū)的厚大風化層高陡邊坡穩(wěn)定性進行了分析，分析結果表明該礦山Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，Ⅲ區(qū)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。受不同整體邊坡角和風化層厚度等因素影響，礦山Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)欠穩(wěn)定邊坡的滑坡破壞類型分別為整體深層圓弧型破壞和局部淺層圓弧型破壞。

（2）根據(jù)不同潛在滑坡破壞類型，考慮治理方案經(jīng)濟性和施工安全性等因素，對Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)欠穩(wěn)定邊坡分別提出了分臺階削坡減載和錨桿加固的治理方案，并確定了合理的削坡減載和錨桿加固參數(shù)。邊坡穩(wěn)定性校核分析結果表明，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)治理后邊坡的安全系數(shù)均得到了較大幅度提高，能夠滿足規(guī)范要求。研究推薦的治理方案具有經(jīng)濟合理、安全可靠以及施工工藝與礦山現(xiàn)狀邊坡相適應等優(yōu)點，為礦山后續(xù)開展邊坡治理設計提供了可靠依據(jù)。