惠州華茂石場(chǎng)花崗巖邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及監(jiān)測(cè)治理

江福建 ，陸寶宇

(廣東省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊(duì)(廣東省湛江地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急搶險(xiǎn)技術(shù)中心) 廣東湛江 524000)

華茂石場(chǎng)位于廣東惠州市惠陽區(qū)新圩鎮(zhèn)南坑水徑村，面積0.3107km2；開采標(biāo)高+275m～+20m，一期設(shè)計(jì)開采面積0.1686km2；開采標(biāo)高+190～+20m。本文擬根據(jù)現(xiàn)狀開采邊坡情況，對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析，提出相應(yīng)的監(jiān)測(cè)和治理措施，為礦山安全生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。

1 石場(chǎng)開采現(xiàn)狀

一期開采范圍位于礦區(qū)東側(cè)，目前采場(chǎng)已形成近似橢圓形采坑，南北長(zhǎng)約640m，東西寬約450m，最大開采標(biāo)高約+217.27m，最低開采標(biāo)高+20.05m，最大相對(duì)高差約197.22m。開采范圍內(nèi)北側(cè)自上而下已形成+217m、+211m、+204m、+195m、+190m、+180m、+165m、+150m、+135m、+120m、+105m、+92m、+82m、+70m、+60m、+50m、+37m、+27m、+20m等標(biāo)高臺(tái)階，臺(tái)階高5m～15m，坡面角65～70°，安全平臺(tái)寬5m以上，清掃平臺(tái)寬約8m。現(xiàn)開采區(qū)位于一期范圍南西側(cè)，自上而下已形成+75m、+63m、+50m、+40m、+30m、+20m共6級(jí)臺(tái)階，臺(tái)階高10m～13m，坡面角65～70°。采場(chǎng)目前開采臺(tái)階為+75m～+63m、+63m～+50m兩級(jí)工作臺(tái)階，臺(tái)階分別高12m、13m，臺(tái)階坡面角65°～70°。+75m、+63m平臺(tái)為鑿巖平臺(tái)，寬15m～25m；+50m平臺(tái)為工作平臺(tái)，寬約30m，開采工作線長(zhǎng)120m，開采由東向西推進(jìn)。

礦山采用公路開拓-汽車運(yùn)輸方式，由礦區(qū)南側(cè)進(jìn)入場(chǎng)區(qū)，經(jīng)綜合服務(wù)區(qū)、工業(yè)場(chǎng)地向北進(jìn)入采場(chǎng)南部+78m平臺(tái)，從采場(chǎng)南部+78m螺旋式開拓運(yùn)輸?shù)缆分敛蓤?chǎng)各開采水平及凹陷采坑底部，開拓運(yùn)輸系統(tǒng)較簡(jiǎn)單。采場(chǎng)+80m以上已形成終了邊坡，從采場(chǎng)南部修筑有簡(jiǎn)易道路至各分層平臺(tái)，用于邊坡日常巡查[1]。

2 邊坡工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

工程區(qū)經(jīng)人類工程建設(shè)現(xiàn)已發(fā)展成城市建成區(qū)，勘察場(chǎng)地為市政道路及綠化帶，場(chǎng)地整體地勢(shì)相對(duì)平坦，北高南低，一般地面高程1.2m～25.0m。以新洲路-深南大道-福田路為界限，南側(cè)工程區(qū)為海積沖積平原為主，北側(cè)為低臺(tái)地接合沖洪積平原地貌單元。

2.2 礦體及邊坡巖性特征

礦體為新鮮堅(jiān)硬的中-細(xì)粒黑云母花崗巖，呈完整塊體狀近東西向展布，礦區(qū)礦體控制長(zhǎng)621m～676m，寬408m～547m，厚255m。出露標(biāo)高+245.00m～+70.50m，賦存標(biāo)高+245.00m～+20m。根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果，按覆蓋層及巖石風(fēng)化程度自上而下共分四層：

(1)第四系殘坡積土：厚6m～10m，平均8.0m。分布于礦山四周及地面表層，主要由淺黃色砂質(zhì)黏性土組成，開采時(shí)作為覆蓋層需剝離。

(2)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：灰黃色，已強(qiáng)烈風(fēng)化呈半巖半土狀，云母、長(zhǎng)石類礦物已風(fēng)化為黏土礦物，厚7.60m～8.00m，平均7.80m。開采時(shí)作為覆蓋層需剝離。

(3)中風(fēng)化花崗巖：灰黃色，風(fēng)化較強(qiáng)烈，巖體稍破碎，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造；厚13.20m～14.90m，平均14.00m。開采時(shí)作為覆蓋層需剝離。

(4)微風(fēng)化-未風(fēng)化黑云母花崗巖：深灰-灰白色，花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要由鉀長(zhǎng)石、石英及黑云母組成，含很少量的斜長(zhǎng)石和白云母。礦體即賦存于該巖體中。

2.3 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)內(nèi)及附近地表水系不發(fā)育，開采影響范圍之內(nèi)無大的河流、水庫等地表水體，僅于礦區(qū)局部有水坑分布，水量與降雨相關(guān)，旱季基本無水，水流方向依地勢(shì)四周排泄[2]。

按賦存條件和含水介質(zhì)性質(zhì)，礦區(qū)地下水主要為松散巖類孔隙水、強(qiáng)風(fēng)化巖類裂隙水和塊狀巖類裂隙水。含水量小，屬弱含水層，水量貧乏。

礦山開采底界位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上，未見地下水出露，礦區(qū)附近也未見地表水出露，洪雨季節(jié)匯集谷底的地表水沿溝谷排向附近小河，地表水/地下水對(duì)礦石開采影響較小。

2.4 礦體及邊坡結(jié)構(gòu)

礦山今后開采的巖質(zhì)邊坡主要為中風(fēng)化-未風(fēng)化花崗巖邊坡，礦床巖體結(jié)構(gòu)類型為塊狀結(jié)構(gòu)，塊狀細(xì)中粒斑狀黑云母二長(zhǎng)花崗巖.以貫穿性較好的節(jié)理結(jié)構(gòu)面發(fā)育為主，一般有2組節(jié)理：①140°∠75°，間距0.40m～0.50m；②268°∠84°，間距0.30m～0.80m。礦區(qū)內(nèi)未見褶皺及斷裂構(gòu)造。

3 邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

3.1 安全系統(tǒng)確定

允許安全系數(shù)的確定是評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的主要指標(biāo)，與邊坡穩(wěn)定性研究的工作內(nèi)容、方案方法手段、代表性、可靠性以及各項(xiàng)定量參數(shù)取用和定性分析評(píng)價(jià)、礦山服務(wù)年限、邊坡區(qū)段重要性等因素有關(guān)。允許安全系數(shù)經(jīng)常采用工程類比法和有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范來確定[3]。

不同荷載組合下總體邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)滿足《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB51016-2014)中表3.0.9規(guī)定的安全系數(shù)要求[3]，見表1。在邊坡極限平衡穩(wěn)定性分析中，安全系數(shù)K=1時(shí)，邊坡處于極限平衡狀態(tài)。理論上K稍大于1，邊坡就是穩(wěn)定的，反之邊坡就失穩(wěn)。在具體穩(wěn)定性分析計(jì)算時(shí)，常選取安全系數(shù)K>1。礦山邊坡一般情況下取K=1.2～1.3。目前礦山現(xiàn)狀邊坡高度197.22m。根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB51016-2014劃分標(biāo)準(zhǔn)，露天邊坡屬中邊坡，邊坡危害等級(jí)為Ⅲ級(jí)-Ⅱ級(jí)，確定邊坡安全等級(jí)劃分為Ⅱ級(jí)[4]，最終確定邊坡安全系數(shù)K=1.20、1.18、1.15。

表1 不同組合下總體邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)Tab 1.Design Safety Factor of Overall Slope Under Different Load Combinations

3.2 現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，開采邊坡未發(fā)生過地質(zhì)災(zāi)害，局部發(fā)現(xiàn)巖體掉塊。

(1)采坑?xùn)|側(cè)邊坡：此邊坡產(chǎn)狀與一組節(jié)理268°∠84°傾向交角較小，現(xiàn)場(chǎng)開采臺(tái)階邊坡角70°，但該邊坡巖體不排除有順層和順向的風(fēng)化裂隙或構(gòu)造裂隙，在爆破震動(dòng)破壞等條件下，潛在局部變形或崩塌、滑動(dòng)破壞的可能，但邊坡巖石工程地質(zhì)條件較好，未發(fā)現(xiàn)復(fù)雜和明顯不利的裂隙組合，邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性較好[4]。

(2)采坑南側(cè)、北側(cè)及西側(cè)邊坡：邊坡坡向與地層傾向交角較大，且邊坡巖石工程地質(zhì)條件較好，邊坡穩(wěn)定性好，不易發(fā)生大面積邊坡失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害，局部破碎巖段邊坡潛在失穩(wěn)可能，其危害性小，危險(xiǎn)性小。

3.3 穩(wěn)定性定性分析

邊坡為早期礦區(qū)開采形成，上部主要?dú)埛e砂質(zhì)黏性土，下部全-微風(fēng)化花崗巖，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體飽水易崩解軟化，邊坡巖體受節(jié)理裂隙切割，巖體完整性差。

邊坡上部自然斜坡面植被較發(fā)育，根據(jù)對(duì)現(xiàn)狀邊坡坡面、截水溝調(diào)查，均未發(fā)現(xiàn)破壞變形，邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性較好。但下部巖質(zhì)邊坡受區(qū)域構(gòu)造影響，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部剪節(jié)理發(fā)育，巖體局部外傾，在持續(xù)降雨及自重作用下，局部存在落石現(xiàn)象，局部高陡巖體有潛在失穩(wěn)隱患，但其規(guī)模小，潛在危險(xiǎn)性、危害程度較小，邊坡整體穩(wěn)定性較好。

3.4 穩(wěn)定性定量分析

現(xiàn)有技術(shù)條件下，數(shù)值分析是研究大型復(fù)雜工程體的有效手段，國(guó)內(nèi)外大型工程體通常采用數(shù)值分析方法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。本次采用數(shù)值模擬方式進(jìn)行分析[5]。依據(jù)截取的最不利邊坡剖面，采用理正軟件，分別建立典型邊坡剖面數(shù)值分析模型，依據(jù)初步設(shè)計(jì)提供的開采技術(shù)參數(shù)，分別分析開采終了條件下邊坡穩(wěn)定性，包括：(1)自重+地下水共同作用；(2)自重+地下水+爆破荷載共同作用；(3)自重+地下水+地震荷載共同作用。

該礦區(qū)域抗震設(shè)防烈度為VI度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，礦區(qū)及附近歷史上未發(fā)生規(guī)模較大的地震活動(dòng)，區(qū)域地殼穩(wěn)定。

(1)赤平投影法分析：礦區(qū)邊坡類型中下部主要出露中-微風(fēng)化花崗巖，節(jié)理較發(fā)育，邊坡的穩(wěn)定性主控因素主要為次生結(jié)構(gòu)面(主要為節(jié)理)產(chǎn)狀及其組合與邊坡的坡向、坡率之間的關(guān)系；主要從節(jié)理與坡形特征及其相互關(guān)系等因素分析，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法采用赤平投影穩(wěn)定性計(jì)算軟件[5]。根據(jù)終了邊坡情況，選取三處邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。圖1。

圖1 赤平投影分析圖Fig 1. Analysis Diagram of Stereographic Projection

最不利1剖面1-1′巖質(zhì)邊坡主要位于礦區(qū)北側(cè)，根據(jù)赤平投影圖分析，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，但其邊坡高度較大，一旦邊坡失穩(wěn)，其處理的難度大，費(fèi)用高，綜合評(píng)價(jià)邊坡失穩(wěn)的發(fā)育程度弱，潛在的險(xiǎn)情、危害程度、危險(xiǎn)性小。

(2)有限元分析：本次分析采用有限元模塊進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘及數(shù)值模擬結(jié)果分析邊坡變形破壞模式。選取最不利1-1′邊坡剖面分析計(jì)算，模型左邊界、右邊界和底部邊界分別以水平和垂直方向的位移約束，從而構(gòu)成位移邊界條件，介質(zhì)的彈塑性狀態(tài)采用理想的彈塑性模型描述，以保持整個(gè)系統(tǒng)受力體系的平衡。剖面選取見圖2所示。

圖2 典型剖面選取示意圖Fig 2. Schematic Diagram for Typical Profiles Selecting

1)自重+地下水(Fs=1.61)：在自重+地下水共同作用下，礦區(qū)1-1′剖面的分析結(jié)果見圖3、圖4所示。由位移云圖可知，X方向最大位移位于左側(cè)邊坡中上部臺(tái)階坡面，大小值為0.49m；Y方向最大位移位于左側(cè)邊坡下部，大小值為0.13m。

由應(yīng)力云圖5、圖6可知，該剖面X方向應(yīng)力最大位于左側(cè)邊坡中下部坡面及基巖處，大小值0.98MPa；Y方向應(yīng)力最大值位于左側(cè)邊坡中下部坡面及基巖處，大小值1.24MPa。由最大剪切應(yīng)力云圖7可知，最大剪切應(yīng)力值位于左坡底基巖處，2.19MPa。

圖7 1-1′剖面工況最大剪切應(yīng)力彩云圖Fig 7. Color Cloud Diagram of Maximum Shear Stress for The 1-1 'Section Working Condition

經(jīng)計(jì)算，該剖面的整體安全系數(shù)大小為1.61。

2)自重+地下水+爆破(Fs=1.46)：在自重+地下水+爆破荷載作用下，礦區(qū)1-1′剖面分析結(jié)果所示。由X方向最大位移位于左側(cè)邊坡頂部剝離臺(tái)階，最大位移值0.21m；Y方向最大位移位于左側(cè)邊坡下部，大小值0.05m。該剖面X方向應(yīng)力最大位于左側(cè)邊坡表面及坡底部，大小值1.05MPa；Y方向應(yīng)力最大值位于左側(cè)邊坡表面及坡底部，大小值0.70MPa，應(yīng)力值由表及里逐漸減小。最大剪切應(yīng)力位于左側(cè)邊坡坡底基巖處應(yīng)力值2.85MPa。

經(jīng)計(jì)算，該剖面的整體安全系數(shù)大小為1.46。

3)自重+地下水+地震(Fs=1.30)：在自重+地下水+地震荷載作用下，礦區(qū)1-1′剖面分析結(jié)果所示。X方向最大位移位于左側(cè)邊坡頂部剝離臺(tái)階，最大位移值0.06m；Y方向最大位移位于左側(cè)邊坡底部，大小值0.02m。該剖面X方向應(yīng)力最大位于左側(cè)邊坡表面，大小值0.79MPa；Y方向應(yīng)力最大值位于左側(cè)邊坡坡面，大小值0.55MPa，應(yīng)力值由表及里逐漸減小。最大剪切應(yīng)力位于左側(cè)邊坡底部基巖處應(yīng)力值2.56MPa。圖7。

經(jīng)計(jì)算，該剖面的整體安全系數(shù)大小為1.30。

通過對(duì)最不利剖面的計(jì)算結(jié)果，邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)安全系數(shù)見表2，邊坡整體在自重+地下水、自重+地下水+爆破及自重+地下水+地震工況下，均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表Tab 2. Slope Stability Calculation Results

邊坡穩(wěn)定性受諸多因素的影響，一般誘發(fā)因素為人工開挖，導(dǎo)致巖土體的自然平衡、植被破壞(尤其是殘積土、全風(fēng)化巖出露地段，因其遇水易軟化、崩解，水理性能差，可能出現(xiàn)崩解和滲流破壞)，遭遇長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)降雨時(shí)，斜坡上的土體因飽水，自重增加，內(nèi)摩擦角減小，巖土體由硬變軟，其結(jié)果是抗滑力下降，導(dǎo)致產(chǎn)生失穩(wěn)。

4 邊坡防治與監(jiān)測(cè)

4.1 防治措施

礦床開采局部存在順向開采邊幫的巖性結(jié)構(gòu)面，對(duì)開采邊幫穩(wěn)定性不利。礦山開采遇礦體產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)變化、異常地質(zhì)構(gòu)造、節(jié)理和水文情況變化，工程地質(zhì)復(fù)雜的地段，要及時(shí)采取措施，調(diào)整臺(tái)階參數(shù)、鑿巖爆破參數(shù)并采取邊坡加固或削坡減載措施[6]。

礦山今后生產(chǎn)過程中，工作臺(tái)階參數(shù)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，嚴(yán)格在設(shè)計(jì)開采范圍內(nèi)開采。結(jié)束一水平臺(tái)階開采時(shí)，應(yīng)按設(shè)計(jì)要求檢查臺(tái)階高度和坡面角；臨近最終邊坡的采掘作業(yè)，必須按設(shè)計(jì)的寬度，預(yù)留安全平臺(tái)和清掃平臺(tái)，保持階段坡面角，不得超挖坡底[7]。巖層破碎帶或穩(wěn)定性差的巖層應(yīng)采取支護(hù)措施，嚴(yán)格控制開采邊坡角不大于設(shè)計(jì)邊坡角。

根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算及分析，剝離層遇長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)降雨時(shí)，土體因飽水，自重增加，內(nèi)摩擦角減小，巖土體由硬變軟，抗滑力下降易導(dǎo)致產(chǎn)生失穩(wěn)。故礦區(qū)邊坡容易發(fā)生失穩(wěn)坍塌、滑坡區(qū)域頂部剝離臺(tái)階邊坡，礦區(qū)后期作業(yè)需重視頂部邊坡穩(wěn)定，加強(qiáng)檢查，做好分層降坡，確保頂部邊坡穩(wěn)定。

4.2 監(jiān)測(cè)措施

實(shí)時(shí)的做好邊坡穩(wěn)定的檢查和監(jiān)測(cè)工作。當(dāng)采場(chǎng)邊坡形成最終邊坡時(shí)，應(yīng)根據(jù)最終邊坡的穩(wěn)定類型、分區(qū)特點(diǎn)確定各區(qū)監(jiān)測(cè)級(jí)別，利用建立的邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8]。對(duì)邊坡進(jìn)行坡體表面及內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)。礦山應(yīng)及時(shí)整理邊坡觀測(cè)資料，以此指導(dǎo)采場(chǎng)安全生產(chǎn)。對(duì)存在不穩(wěn)定的最終邊坡應(yīng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。在建立健全一系列的邊坡管理和檢查制度的情況下，可有效地減少邊坡的穩(wěn)定性對(duì)安全生產(chǎn)可能構(gòu)成的隱患[8]。

5 結(jié)論與建議

本文以華茂石場(chǎng)花崗巖露天開采邊坡為研究對(duì)象，在勘察邊坡的基礎(chǔ)上，對(duì)最不利巖質(zhì)邊坡剖面進(jìn)行定性定量分析，得到主要結(jié)論建議如下：

生產(chǎn)過程中要嚴(yán)格控制臺(tái)階高度，維護(hù)邊坡安全，由于礦山開采破壞了山體原始的穩(wěn)定構(gòu)造和力學(xué)架構(gòu)，再造的邊坡巖體需很長(zhǎng)一段時(shí)間才能恢復(fù)應(yīng)力平衡和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算分析，礦區(qū)頂部剝離層邊坡屬易發(fā)生坍塌、滑坡失穩(wěn)的區(qū)域，礦區(qū)后期作業(yè)需重視頂部邊坡穩(wěn)定情況，加強(qiáng)檢查，做好分層降坡，確保頂部邊坡穩(wěn)定。切實(shí)做好邊坡的截排水措施，采取有效的工程技術(shù)措施及時(shí)處理生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的不穩(wěn)定邊坡，局部受地質(zhì)構(gòu)造影響的破碎帶，采取清除危巖及邊坡工程支護(hù)等防治措施。