中等傾角順層高邊坡結構優化與穩定性研究

韓新平 盧晨怡

(1.中冶華天工程技術有限公司；2.安慶職業技術學院)

露天礦山開采形成了很多的人工開挖邊坡。由于邊坡地質條件與結構參數的不同，邊坡的結構形式也多種多樣。在露天開采邊坡中，順層邊坡是一種不利于穩定的邊坡結構形式，因此，對順層邊坡的變形、穩定和結構優化顯得尤為重要，直接關系到礦山的安全生產與經濟效益。

順層邊坡的滑坡機理及穩定性一直是工程界較為關注的問題，已有研究人員進行了相關研究。王輝[1]在合理劃分順層邊坡類型的基礎上，系統研究了巖層厚度對順層巖質邊坡失穩機理，得出了厚層夾薄層邊坡穩定性系數與巖體厚度成反比，薄層邊坡臨界坡長與層面傾角成反比，厚度小的邊坡更易發生潰屈破壞。李亮輝[2]在原位軟弱結構面剪切試驗的基礎上，采用力學分析和數值模擬相結合的手段對順層巖質邊坡的變形破壞機制和穩定性進行研究。牛雙建等[3]基于正交試驗設計方法，采用極限平衡法分析了邊坡高度、結構面傾角、結構面黏聚力、結構面摩擦角等多種因素對順層巖質邊坡穩定性的影響。張敏[4]采用地質成因分析的手段對邊坡的形成演化機理進行了分析研究，并在此基礎上建立邊坡變形破壞機制的概念模型，最后提出了采用抗滑樁或者錨拉抗滑樁的邊坡治理方案。毛明等[5]在查明邊坡結構特征以及地層巖性特征的前提下，對一順層邊坡破壞機理和穩定性進行研究分析，最后通過預應力錨桿對邊坡進行加固。朱晗迓等[6]根據多層層狀巖質邊坡的潰屈破壞模式，采用特殊函數理論進行分析，得出各層巖體潰屈曲線的理論公式，并對邊坡潰屈破壞的臨界坡長和破壞位置進行了求解。上述研究基本都從順層邊坡的破壞機理、影響因素和破壞模式上進行了研究，而對于露天礦山順層邊坡結構如何優化，尤其是中等傾角順層邊坡的研究較少。

本文以某露天礦順層高邊坡為研究對象，通過現場地質調查、勘察和試驗等對采場邊坡結構、層面結構、地層特征和物理力學特征進行研究，基于邊坡安全穩定和經濟合理，對邊坡結構進行優化及穩定性分析。

1 邊坡概況

1.1 邊坡現狀

某露天開采磷礦設計采場頂部周界為2 200 m×740 m(長×寬)，底部周界為1 820 m×20 m(長×寬)，形成一個高300 m的底板邊坡。底板邊坡段高10 m，沿礦體底板。目前邊坡高度為250 m，邊坡臺階高10～15 m，寬5～10 m，臺階邊坡傾角為30°～35°，整體邊坡傾角為23.5°，邊坡傾向NE77°，層面傾角為25.7°～29°，層面傾向NE72.3°～84.8°，為典型的順層邊坡。邊坡巖體裂隙發育，張裂縫寬0.1～0.3 cm，縫間充填物以泥質及巖屑為主，平均間距為0.2～0.4 m，結合差，巖體破碎，強風化～全風化，雨水侵蝕后多呈砂狀或黏土狀。邊坡坡面現狀見圖1。

圖1 邊坡坡面現狀

1.2 邊坡工程地質

該順層邊坡為一背斜東翼，邊坡巖體結構除層面外，另外有2組節理面，產狀分別為210°～227°∠65°～80°、291°～319°∠71°～82°。邊坡面受2組節理切割，在邊坡后緣易形成拉裂縫破壞。雨水通過裂隙滲入邊坡內，造成邊坡巖體抗剪強度降低，邊坡前緣臨空，易產生順層滑動。邊坡工程地質典型剖面見圖2。

邊坡巖體主要地層：

(1)梅樹村組第二段(∈1m2)為構成晉寧磷礦東采區西側邊坡主要地層，強風化，灰～深灰色，含云母粉砂質白云巖，層紋厚0.1～4cm，由深淺兩色相間構成，深色為粒狀膠磷礦及粉砂，淺色為白云石及泥質成分，一般厚10～15 m，與黏土巖、砂頁巖呈厚度不一的互層。

圖2 邊坡工程地質典型剖面

(2)梅樹村組第一段(∈1m1)為灰、灰白色薄-中層狀白云巖，厚7～25 m，夾黑色薄層狀(0.5～8 cm)燧石層，燧石常呈脈狀及波狀層理，有時呈透鏡狀層理，該段夾有20余層燧石層，其頻率約8.5條/m。白云巖層厚5～10 cm，燧石層厚3～7 cm，強風化。

(3)上震旦統燈影組(Zbdn)為勘察區內最古老地層，厚度大于300 m，淺灰色厚層狀隱晶～細晶白云巖，全～強風化，稍濕，碎塊狀。

1.3 邊坡巖體物理力學性質

通過對邊坡進行勘察與試驗，得出邊坡巖體物理力學參數，見表1。

表1 巖體物理力學參數

從上述邊坡地質條件可以看出，邊坡穩定性除了受降雨和巖體物理力學性質影響外，對該邊坡影響較大的因素是邊坡結構，邊坡前緣由于開挖造成臨空，后緣受節理裂隙切割，造成邊坡在不利外因作用下的順層滑動。

2 邊坡結構優化

根據上述邊坡結構現狀，為了提高邊坡結構自身的穩定性，應放緩臺階坡面角，使其不大于層面傾角，但由此造成整體邊坡趨緩。因此,采用提高臺階高度、減少臺階來滿足原先設計的整體邊坡角，甚至超過原先設計的整體邊坡角，以減少礦山廢石剝離。

2.1 臺階坡面傾角

臺階剖面傾角可根據順層邊坡層面傾角α與邊坡角β的關系來確定。當α>β時，邊坡雖然是穩定的，但邊坡過緩，剝離量增大，不夠經濟；當α<β時，邊坡處于不穩定狀態；當α=β時，邊坡是穩定的。通過對邊坡巖體結構面產狀調查分析，得出邊坡巖體層面傾角總體在25.7°～29°，因此，臺階邊坡角總體按26°～29°確定。

2.2 臺階高度

礦區所處位置雨季降雨量大，持續時間長，加上邊坡巖體比較破碎，在發生潰屈破壞之前就已經產生沿軟弱面的滑動破壞，因此，臺階邊坡的高度可按單臺階邊坡的穩定性計算確定。地震基本烈度按8度計，采用Morgenstern-Price法分別計算20，24和30 m高度下臺階邊坡穩定性，結果見表2。

表2 不同高度臺階邊坡安全系數

從表2看出，臺階高度為30 m時，臺階邊坡基本處于極限平衡或失穩狀態，對安全生產不利；臺階高度為24 m時，臺階邊坡穩定性僅能滿足要求，基本無富余；臺階高度20 m時，安全系數稍高，具有一定的安全儲備，保證臺階邊坡穩定性的同時，對整體邊坡穩定性起到積極作用，最終取臺階邊坡高度為20 m，大于現狀邊坡臺階高度。

2.3 平臺寬度

在確定臺階邊坡傾角與臺階邊坡高度的基礎上，根據安全和生產需要合理確定平臺寬度。該順層邊坡無運輸道路，在此僅考慮滾石的阻擋，因而確定平臺寬度可用滾石理論來計算。采用Rocscience RocFall[7]對邊坡滾石進行計算，該方法采用集中質量法對滾石進行簡化，即認為滾石形狀為一具有質量的質點，以保證某一級臺階上的所有滾石運動終點落在該級平臺上為標準，確定平臺寬度。滾石運動計算的軌跡見圖3。

圖3 滾石運動軌跡計算示意

為減小剝離量，提高臺階邊坡角，通過對不同臺階高度、不同臺階坡面傾角組合下滾石運動的計算，得出平臺最小寬度的計算結果，見表3。

表3 不同臺階高度與不同臺階傾角情況下的平臺寬度

根據邊坡已有的結構參數，對應取臺階高度20 m，臺階邊坡傾角30°,平臺寬度計算結果為2.2 m。實際的平臺寬度應在上述計算的基礎上適當增加安全距離，一般取0～3 m，此處安全距離取2 m。因此，在確定邊坡結構時，取平臺寬度不小于4.2 m。

3 穩定性分析

根據上述邊坡結構優化方案，采用Morgenstern-Price法對現狀邊坡、邊坡結構優化前和優化后的邊坡穩定性進行分析，計算結果見圖4、表4?？梢钥闯?，現狀邊坡在地震情況下不穩定；優化前終了邊坡在無地震與地震2種情況下，邊坡都不穩定；而通過優化的終了邊坡在任何情況下都是穩定的。因此，在不放緩整體邊坡角的前提下，通過對邊坡結構進行優化，邊坡穩定性明顯提高，對露天礦山開采的安全性和經濟性具有重要意義。

圖4 邊坡穩定性計算滑面

4 結 論

(1)由于現狀邊坡邊坡層面傾角α小于臺階邊坡角β，造成邊坡前緣被開挖形成臨空面，后緣受節理裂隙切割，從而導致邊坡自身結構不穩定滑動。

表4 邊坡穩定性計算結果

(2)針對現狀邊坡的結構特點，放緩臺階坡面傾角，使臺階坡面傾角等于層面傾角；增大臺階高度，減少平臺數量，合理確定平臺寬度，盡可能提高整體邊坡角以減少礦山廢石剝離，保證了露天礦山開采的安全性與經濟性。

(3)通過對邊坡結構優化前、后的邊坡穩定性分析，該邊坡結構優化方案能明顯提高邊坡穩定性，為類似露天礦山邊坡的設計提供借鑒與參考。

[1] 王 輝.巖層厚度對順層巖質邊坡失穩機理的影響[D].貴陽：貴州大學,2009.

[2] 李良輝.順層巖質邊坡軟弱結構面原位剪切試驗及其穩定性分析研究[D].武漢：華中科技大學,2004.

[3] 牛雙建,東兆星,李順波,等.順層巖質邊坡穩定性影響因素綜合分析[J].四川建筑,2008,28(5):81-85.

[4] 張 敏.緩傾角順層巖質邊坡穩定性分析與支護效果評價[D].成都：成都理工大學,2009.

[5] 毛 明,周曉宇,周治平,等.緩傾順層巖質邊坡變形破壞及處治技術研究[J].路基工程,2015(6):178-182.

[6] 朱晗迓,馬美玲,尚岳全.順傾向層狀巖質邊坡潰屈破壞分析[J].浙江大學學報(工學版),2004,38(9):1144-1149.

[7] L R Alejano,B Pons,F G Bastante,et al.Slope geometry design as a means for controlling rockfalls in quarries[J].International Journal of Rock Mechanics&Mining Sciences,2007(44):903-921.