某石灰石礦開采邊坡特點(diǎn)與加固方案研究

秦 瓊，王林涵，張炳楠，宋建斌

(1.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究勘查開發(fā)局六O七地質(zhì)隊(duì)， 重慶 404100;2.重慶交通大學(xué)， 重慶 400074)

1 問題的提出

重慶四山地區(qū)位于都市圈范圍的多條近南北向褶皺地帶平行山脈中，經(jīng)調(diào)查，過去30 a廢棄的露天石灰石礦達(dá)數(shù)百處，礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用給經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了強(qiáng)勁的動力，但廢棄的石灰石礦坑影響了風(fēng)景名勝區(qū)的景觀環(huán)境。因此，如何對廢棄礦坑進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，特別是通過對礦坑邊坡的穩(wěn)定性理論分析進(jìn)行有效的加固是本文研究的主要問題。

銅鑼山是川東平行褶皺嶺谷區(qū)的第二條山脈，呈東北至西南走向，全長260 km，寬5～10 km，一般海拔600～1000 m。七孔壩石灰石礦坑位于銅鑼山的南岸區(qū)段紅旗村內(nèi)，2001年開始開采，2017年4月停產(chǎn)，共生產(chǎn)了15 a，七孔壩石灰石礦的開采對重慶市基礎(chǔ)建設(shè)給予了有力的支持，但同時(shí)也破壞了生態(tài)環(huán)境，干擾當(dāng)?shù)鼐用裆睢Ｆ呖讐问沂V邊坡為人工爆破形成的邊坡，所以其比一般的巖質(zhì)邊坡在表面特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等地質(zhì)方面更加復(fù)雜，因此，需要針對特有的情況進(jìn)行特有的分析并進(jìn)行相應(yīng)的加固措施。

2 七孔壩石灰石礦邊坡基本特點(diǎn)

2.1 巖質(zhì)邊坡破裂面分類

巖石邊坡破裂面的形式主要分為層理、節(jié)理、解理、震動開裂、風(fēng)化開裂、重力開裂等。

(1) 層理：沉積巖層內(nèi)部的成層性特征，是沉積物沉積時(shí)形成的。成層性體現(xiàn)為沉積物粒度不同，或?yàn)轭伾⒊煞值炔煌瑢永肀容^穩(wěn)定，明顯層理可以分為水平層理、斜層理、交錯(cuò)層理、波狀層理等多種類型，不同類型反映了沉積時(shí)的介質(zhì)(水、空氣)動力條件。

(2) 節(jié)理：巖石在構(gòu)造力的作用下發(fā)生破裂，而且破裂面兩側(cè)的巖石沒有發(fā)生明顯位移的一種地質(zhì)構(gòu)造。如果兩側(cè)巖石發(fā)生明顯位移則為斷層。節(jié)理和斷層合稱為斷裂構(gòu)造。

(3) 解理：某些結(jié)晶礦物受外力后，會始終沿著一定方向發(fā)生破裂(即使受力方向不同，破裂面方向仍然相同)，并形成光滑破裂面的現(xiàn)象。原因是晶體礦物內(nèi)部格架中，某些方向化學(xué)鍵較薄弱，容易受破壞。當(dāng)然有些礦物有解理，有些則沒有。

(4) 震動開裂：巖質(zhì)邊坡在各種震動下引起的巖石與巖石之間的開裂。

(5) 風(fēng)化開裂：巖質(zhì)邊坡在太陽輻射、大氣、水和生物作用下出現(xiàn)破碎、疏松及礦物成分次生變化等風(fēng)化現(xiàn)象引起的開裂。

(6) 重力開裂：由于巖質(zhì)邊坡上部結(jié)構(gòu)載荷過大引起的巖體內(nèi)部的開裂[1]。

2.2 七孔壩石灰石礦邊坡破裂面調(diào)查

七孔壩石灰石礦邊坡采礦區(qū)屬平行嶺谷丘陵地勢，溝谷及山脊展布與地層走向一致，皆呈北東南西向。地貌屬構(gòu)造剝蝕、溶蝕作用形成的低山地貌，地表無自然水體。礦區(qū)經(jīng)過多年的開采，形成了大量邊坡，坡高10～60 m，坡角30°～80°。邊坡基本成臺階狀分布，坡度較陡，屬崖壁類型，巖體遭多組裂隙切割呈碎塊狀，具有一定的整體性，發(fā)生坍塌可能性較小。由于層理、節(jié)理和開采破壞裂縫作用。淺層坡體受到較多切割，長期風(fēng)化與地下水侵蝕下可能發(fā)生局部碎落坍塌。邊坡巖體由于礦區(qū)開挖時(shí)采取爆破的手段致使邊坡表面破壞松動。由于斷裂面的切割，開挖后的工程邊坡局部巖體不甚穩(wěn)定。如圖1所示，除了巖體內(nèi)部層理、節(jié)理產(chǎn)生的自然斷裂外，爆破震動產(chǎn)生的裂縫無處不在，尤其對巖體表面的整體性破壞較大，導(dǎo)致碎石落塊隨時(shí)會發(fā)生。

圖1 邊坡破裂面現(xiàn)狀

3 邊坡破壞形式

邊坡的破壞主要分為崩塌和滑坡兩種。

(1) 崩塌：可分為傾倒破壞和軟弱互層坡體的局部崩塌和墜落兩類。發(fā)生較為猛烈和突然，前期可預(yù)見性不強(qiáng)，一般易發(fā)生在高陡且裂隙較發(fā)育的邊坡。

(2) 滑坡：較崩塌發(fā)生緩和但規(guī)模較大，一般具備前期可預(yù)見性，是邊坡上層土體沿貫通的滑動面在重力等因素的作用下向下滑動的現(xiàn)象，滑坡主要分為三種類型：平面滑動、楔形滑動、圓弧滑動。但一般發(fā)生在土質(zhì)邊坡，故不予贅述[2-3]。

4 七孔壩石灰石礦邊坡破裂性評價(jià)

4.1 破碎度評價(jià)指標(biāo)

邊坡破碎度評價(jià)指標(biāo)主要有：破裂面的長度、寬度、深度；破裂面的位置與走向；破裂面密集度；破裂面所在巖體土體類型。

(1) 破裂面的長度、寬度、深度。破裂面的長度、寬度、深度直接決定著邊坡的破裂程度與穩(wěn)定性，破裂面的長度、寬度、深度越大，邊坡的破裂程度就越大，對邊坡穩(wěn)定性就越不利。

(2) 破裂面的位置與走向。破裂面的位置和走向也是評價(jià)邊坡破裂性的一個(gè)重要因素，破裂面的位置距離巖體結(jié)構(gòu)面越近則越容易加快裂縫的發(fā)展和貫通，破裂面的走向與結(jié)構(gòu)面走向越接近，越容易產(chǎn)生合力效應(yīng)，導(dǎo)致邊坡的裂縫迅速發(fā)展和失穩(wěn)。

裂縫密度：

(1)

式中，ρ為裂縫密度；ls為單位面積裂縫長度；li為i方向裂縫總長度；S為測量面積。

裂縫方向因子：

(2)

式中，αE為裂縫水平方向因子；lEi為水平方向第i條裂縫長度。

(3)

式中，αEN為裂縫靠右傾斜方向因子；lENi為靠右傾斜方向第i條裂縫長度。

(4)

式中，αN為裂縫豎直方向因子；lNi為豎直方向第i條裂縫長度。

(5)

式中，αWN為裂縫靠左傾斜方向因子；lWNi為靠左傾斜方向第i條裂縫長度。

4.2 破碎度對邊坡穩(wěn)定度的折減

邊坡巖土體內(nèi)的應(yīng)力分布是決定邊坡變形破壞的主要機(jī)制。根據(jù)邊坡應(yīng)力的分布特點(diǎn)，裂隙面的周圍是一個(gè)應(yīng)力集中的地帶，是影響邊坡應(yīng)力分布的一個(gè)重要因素。由于應(yīng)力的重新分布和集中，打破了原來巖體中的應(yīng)力平衡，當(dāng)局部應(yīng)力集中超過了該部位巖體的容許強(qiáng)度時(shí)，則引起局部產(chǎn)生剪切錯(cuò)動、拉裂，使巖體內(nèi)原有的裂隙進(jìn)一步延伸、擴(kuò)展，而發(fā)生邊坡變形。隨著邊坡變形的進(jìn)一步發(fā)展，裂隙面不斷擴(kuò)大，當(dāng)不斷擴(kuò)大的裂隙面相互貫通后，則使邊坡巖土體的一部分從坡體中分開，在一定的條件下發(fā)生較大的位移，從而產(chǎn)生破壞。所以裂縫密度越大，巖體越破碎，邊坡穩(wěn)定度越低。

一般來說，邊坡水平裂縫方向因子越大，則邊坡傾覆穩(wěn)定性越差，越容易發(fā)生傾覆；邊坡豎直裂縫方向因子越大，則邊坡垮塌穩(wěn)定性越差，越容易發(fā)生垮塌。

根據(jù)破碎度評價(jià)指標(biāo)，對七孔壩石灰石礦邊坡A3區(qū)第一臺階邊坡800 m2范圍內(nèi)的破裂面密集度進(jìn)行評價(jià)。經(jīng)測量，該范圍內(nèi)水平方向裂縫總長度ΣlEi約為900 m，垂直方向裂縫總長度ΣlNi約為

1200 m，靠右傾斜方向裂縫總長度ΣlENi約為800 m，靠左傾斜方向裂縫總長度ΣlWNi約為700 m。

該施工技術(shù)是針對仿古屋面造型特殊而對防雷裝置進(jìn)行的改進(jìn)創(chuàng)新，以適應(yīng)古建筑造型的一種安裝方式。采用的避雷支架抱卡直徑需要加工成與屋面瓦片直徑一致，抱卡兩側(cè)設(shè)2個(gè)固定孔，在瓦片上畫出固定孔位，使用調(diào)速電鉆勻速地在瓦片上打出固定眼，使用長為5cm的自攻螺絲及膨脹栓將其牢固地固定在瓦片上，將鍍鋅圓鋼放置在支架的固定端上，用螺栓將圓鋼擰緊。瓦屋脊避雷支架經(jīng)現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)，可承受＞50kN的垂直拉力，符合規(guī)范要求，滿足功能安全使用要求。完畢后使用透明耐候膠對開孔處進(jìn)行密封。

將以上數(shù)據(jù)分別帶入式(2)～式(5)中，得到αE=1.125/m，αEN=1.5/m，αN=1/m，αWN=0.875/m。

另Σli=ΣlEi+ΣlENi+ΣlNi+ΣlWNi，Σli=3600 m，則ρ=4.5/m。

由上述計(jì)算結(jié)果可得，該邊坡破裂面密集度很大，邊坡破壞很嚴(yán)重，邊坡豎直裂縫方向因子較大，邊坡垮塌穩(wěn)定性很差，很容易發(fā)生垮塌，必須采取相應(yīng)的加固措施。

5 加固方案分析

對于石灰石礦坑邊坡的加固提出了以下方案：

(1) 削坡減壓，清除浮石[5-6]：將最終開采段+50 m以上的不穩(wěn)定邊坡削緩，并將石灰石礦爆破開挖時(shí)造成的邊坡表面不穩(wěn)定浮石進(jìn)行清除。該方法工程量較大，浮石存在于整個(gè)邊坡范圍內(nèi)，清除范圍廣，且削坡工程量太大，作用不明顯。

(2) 以鉆孔抗滑樁為主，砂漿錨桿為輔：需要清理施工現(xiàn)場，購買較大型的穿孔設(shè)備，施工難度大，準(zhǔn)備時(shí)間長。

(3) 開采境外排水，破碎帶預(yù)注漿加固，表面進(jìn)行浮土處理：在采石場頂部，開采境界以外的合適位置設(shè)截水溝，將雨水阻擋在采石場外，防止雨水入滲、沖刷。將破碎帶進(jìn)行預(yù)注漿加固，降低巖體破碎度，鋪設(shè)浮土便于后期的種樹植草和礦坑的生態(tài)恢復(fù)[7-8]。

綜合分析，第3種方案相對于其他兩種方案更適合石灰石礦坑的生態(tài)修復(fù)。

6 結(jié) 語

(2) 裂隙對邊坡的影響往往不是獨(dú)立，而是與水相互作用，裂隙對水提供了滲透的空間，而水加強(qiáng)了對裂隙的風(fēng)化、侵蝕，從而降低了邊坡的穩(wěn)定性。共同考慮水與裂隙的因素，才能更加合理的評價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，從而提出更加合理的加固措施。

(3) 對拉裂區(qū)坡體的3種加固方案進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明，開采境外排水，破碎帶預(yù)注漿加固，表面進(jìn)行浮土處理加固的方式對邊坡加固以及生態(tài)修復(fù)的效果最為明顯。

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