上油榨溝石灰石礦邊坡治理及評價

吳樂樂 袁飛虎

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪學(xué)院；2.中國葛洲壩集團(tuán)水泥有限公司)

上油榨溝礦區(qū)石灰石礦山北部6#界樁附近邊坡出現(xiàn)2條裂縫，在后續(xù)的邊坡巡檢過程中，發(fā)現(xiàn)邊坡開裂程度有擴(kuò)大的跡象，對礦山正常生產(chǎn)以及工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全形成了潛在的安全隱患。為防止邊坡崩塌、保證安全生產(chǎn)、防止安全事故發(fā)生，亟需對潛在邊坡崩塌地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行積極治理。

1 工程概況

1.1 開裂形態(tài)及邊界變形特征

邊坡開裂主要為礦山開采切坡所致，潛在崩塌體的平面形態(tài)呈新月形，長約300 m，寬16 m左右，厚10 m左右，面積為5 400 m2，體積約19 200 m3，預(yù)測主崩方向193°。潛在崩塌體基巖傾向與坡向相同，崩塌體后緣已基本形成，暫未見側(cè)緣形成。前緣位于開采臨空面，為采礦切坡形成的10～15 m陡坎，邊坡陡坎平面形態(tài)呈近直線型展布，陡坎坡度在70°以上。崩塌體后緣邊界位于+348及+362 m平臺上，6#礦界界樁點(diǎn)附近，向北距省界100 m左右。現(xiàn)發(fā)育2條拉張裂縫見圖1。

圖1 邊坡裂縫

1#拉張裂縫距前緣陡坎15 m,裂縫長約17 m，寬0～10 cm，呈弧形，走向270°，出露標(biāo)高為+358～+360 m，裂縫兩側(cè)向坡體前緣陡坎延伸。2#拉張裂縫距前緣陡坎15～22 m,裂縫整體長約26 m，寬0～20 cm，呈弧形，走向285°，出露標(biāo)高為+368～+370 m，裂縫兩側(cè)向坡體前緣陡坎延伸。

潛在崩塌體成分主要為奧陶系下統(tǒng)水田河組(第四層) ，泥晶灰?guī)r、粉晶灰?guī)r及硅化晶質(zhì)灰?guī)r，夾花斑狀泥晶含云質(zhì)灰?guī)r和亮晶、粉晶砂屑灰?guī)r，巖體整體破碎，巖層產(chǎn)狀為194°∠25°-49°。表層為第四系殘坡積粉質(zhì)黏土夾碎石覆蓋，層厚0.2～2 m。

1.2 開裂區(qū)域地質(zhì)水文特征

開裂區(qū)域基本為一向南傾斜的山坡地形，坡面斜長約700 m，高程為332～370 m，自然地形坡度為17°～22°，坡面整體連續(xù)，為順層坡，巖層產(chǎn)狀為30°～49°，巖體較為破碎。開裂區(qū)域緊鄰F1斷層，該斷層由西向東縱貫全區(qū)，長約1 500 m，斷層線略向南彎曲，走向83°～103°，與地層走向基本一致，斷層破碎帶寬2～4 m，斷裂面傾角為57°～65°。

地下水類型主要為基巖巖溶裂隙水，賦存于巖層節(jié)理裂隙中，受大氣降雨直接補(bǔ)給，該段巖體節(jié)理裂隙貫通性及延伸性較好，巖體呈碎裂-塊裂狀，地下水滲透性較好。由于邊坡體標(biāo)高均位于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面之上，區(qū)內(nèi)雖有少量的巖溶裂隙滯水，但其來源主要是大氣降水。

1.3 邊坡開裂成因分析

1.3.1 自然因素

(1)地層結(jié)構(gòu)。邊坡呈斜坡陡坎地貌，前緣陡坎臨空，為坡面巖體崩落失穩(wěn)提供了空間條件；其次邊坡體巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，彼此切割，將巖體切割為碎裂-塊裂狀，降低巖體力學(xué)強(qiáng)度。此外，巖體裂隙結(jié)構(gòu)面交線的傾向與坡面傾向夾角小于45°，傾角小于坡角。崩塌體緊鄰F1斷層，該斷層由西向東縱貫全區(qū)， 斷層線略向南彎曲，與地層走向基本一致，從巖層結(jié)構(gòu)條件分析，邊坡巖體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。且灰?guī)r表面溶溝、溶槽等巖溶地表形態(tài)發(fā)育，對局部邊坡圍巖起不到應(yīng)有的支擋作用[1]。

(2)氣象水文。礦山區(qū)域降雨主要集中在7—9月。本礦溶蝕裂隙淺部發(fā)育，降雨雨水不斷下滲，軟化巖土體，加速節(jié)理發(fā)展與貫通，并降低巖體的力學(xué)強(qiáng)度，從而加速坡體變形破壞發(fā)展。

1.3.2 人為因素

人類工程活動的作用規(guī)模相對于地質(zhì)作用來說小很多，但其強(qiáng)度和速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地質(zhì)作用，其結(jié)果往往會改變地質(zhì)作用的形式，成為一種誘發(fā)因素，加速斜坡的演變進(jìn)程[2]。

開發(fā)利用方案設(shè)計(jì)單級邊坡坡度為70°，大于該區(qū)域巖層傾角54°及F1斷層傾角56°；其次開裂邊坡前緣采礦切坡改變了坡體自然形態(tài)，使坡體前緣形成臨空陡坎，降低了坡體的穩(wěn)定性，在采礦爆破震動作用下，引起巖體順層滑動。

1.4 邊坡穩(wěn)定性

查閱礦山開發(fā)利用方案地質(zhì)資料，巖(礦)體各向抗壓強(qiáng)度相差不大，可見巖(礦)石的力學(xué)性質(zhì)不但強(qiáng)度較高，而且比較均一；開裂區(qū)節(jié)理分布雖比較普遍，但節(jié)理面一般較平直，傾角為65°～72°，大部分閉合性較好，且沿節(jié)理常有方解石膠結(jié)或鐵質(zhì)薄膜附著，節(jié)理面具有一定強(qiáng)度，一般不會導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。斷層分布于治理區(qū)邊部，F(xiàn)1、F2出露于向斜北翼，走向與北側(cè)邊坡近于平行，大部分地段位于治理區(qū)之外，邊坡產(chǎn)狀與斷層面一致，對邊坡穩(wěn)定影響較小。

綜上所述，順層開采、開采坡面角大于巖層自然傾角以及本地區(qū)降雨量豐富而加速節(jié)理發(fā)展與貫通是本次邊坡開裂的主要因素。

2 邊坡治理

2.1 治理方法

在充分掌握邊坡開裂形成條件、發(fā)展規(guī)律、危害特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用科學(xué)的方法和手段，尋找邊坡的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性之間的合理平衡[3]。本次治理方法選用坡率法，通過控制邊坡高度和坡度，達(dá)到治理和消除崩塌地質(zhì)災(zāi)害的目的，最終實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

2.2 治理方案

由于治理區(qū)域巖體較為破碎，根據(jù)巖層產(chǎn)狀單級坡比選用40°～45°。參考開發(fā)利用方案設(shè)計(jì)，單級坡高選用14 m，安全平臺寬4 m。

工程主要集中在5#～7#界樁，+332 m水平以上。該區(qū)域最低點(diǎn)標(biāo)高為+332 m，最高點(diǎn)標(biāo)高為383.19 m，設(shè)計(jì)削坡起始高程為+332 m，按邊坡坡面角45°放坡。削坡后坡頂線最高標(biāo)高為+372 m，坡底線標(biāo)高為+332 m，最高高差為40 m，最終幫坡角為37°～38°，共形成+346，+360 m 2個平臺，平臺寬4 m。削坡減載和最終邊坡形成2個部分，預(yù)計(jì)削方量為84 850 m3，削方廢石廢土作為水泥配料用。工程治理示意見圖2。

按露天中深孔施工大面積削坡部位，大面積削坡減載完成后，采用手風(fēng)鉆淺孔爆破對零星不規(guī)整地帶進(jìn)行處理，開挖深度小于5 m的局部，采用手風(fēng)鉆淺孔臺階爆破，最終邊坡采用預(yù)裂爆破。預(yù)裂爆破能夠降低主爆破孔爆破對預(yù)裂面以外巖體的松動和破壞，在減少爆破對預(yù)留邊坡巖體的破壞、保持邊坡的穩(wěn)定性方面起著重要作用[4]。對于邊坡頂部，因巖石風(fēng)化破碎嚴(yán)重，分布大量松散塊和孤立巖石，且賦存裂隙土夾層，采用挖掘設(shè)備清除表土層和植被，用鑿巖機(jī)剔除全部孤立大塊石，在邊坡頂層按照設(shè)計(jì)要求噴射水泥混凝土材料。

在頂部修建截排水溝，攔截自然降水形成的水流進(jìn)入坡體。根據(jù)原有的邊坡和道路，確定邊緣帶的豎向連接方式，調(diào)整連接點(diǎn)的地面標(biāo)高，確認(rèn)地面排水口的位置，使削坡區(qū)域與周邊地平連接自然，使排水、通道等方面的矛盾降到最低。

最終邊坡臺階高度為14 m，邊坡坡面角為45°，最終幫坡角為39°，安全平臺寬4 m。

2.3 施工步驟及要求

施工步驟為表面清理→測量放線→土料開挖、堆存→爆破→削方→清渣→邊坡檢查、處理與驗(yàn)收→特殊問題處理。

2.3.1 表面清理

(1)植被清理主要為指定區(qū)域內(nèi)的樹木、樹樁、樹根、雜草、垃圾、廢渣及其他有礙物。監(jiān)理人專門指示成材樹木的砍伐。

圖2 削坡工程示意

(3)在植被的清理過程中須特別注意盡最大的努力保護(hù)清理區(qū)的天然植被。

(4)清理中的植被或其他物資須按照監(jiān)理人的制定方法處理。

2.3.2 測量放線

依據(jù)設(shè)計(jì)坐標(biāo)，使用全站儀逐點(diǎn)放出各角點(diǎn)位置，每個角點(diǎn)用木樁定位，并用白灰圈定開挖范圍。測量工作完成后由監(jiān)理工程師復(fù)核。

2.3.3 土料開挖及堆存

運(yùn)用推土機(jī)匯集表層土，用推土機(jī)或裝載機(jī)運(yùn)至指定區(qū)域堆放。表土的堆放高度一般不超過2 m，以免將土壓實(shí)，防止雨水沖刷。

隨著運(yùn)營時間的增加，雜散電流逐漸增加，當(dāng)雜散電流累計(jì)到一定程度，且沒有一個良好的電氣通路及時回到變電所負(fù)極時，就會造成雜散電流四散流至軌道交通主體結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)以及公共設(shè)施管道，從而對其造成一定程度的腐蝕。

2.3.4 爆 破

選擇預(yù)裂爆破方式，爆破后對爆破工作面及其附近進(jìn)行檢查，判定有無盲炮，撬除危石，若不能立即處理，加支護(hù)或設(shè)立標(biāo)志，警告作業(yè)人員不要靠近。檢查時間距放炮后至少20 min。

2.3.5 削 坡

(1)削坡必須符合設(shè)計(jì)圖紙、文件的要求。

(2)開挖需預(yù)留施工道路，在下層開挖完成后，由反鏟邊退邊挖清除。

(3)在局部坡面較長或地質(zhì)條件較差的部位，主要采用反鏟分層接力的方法開挖，挖掘次序從上到下，根據(jù)坡面長度不同,用2～3臺反鏟在作業(yè)面上同時開挖；采用機(jī)械與人工相結(jié)合的方法施工，削坡機(jī)械選用反鏟、推土機(jī)、運(yùn)礦卡車、潛孔鉆、爆破器材運(yùn)輸車、運(yùn)輸人員和物資的轎卡等。

(4)削方工程基本完成后，根據(jù)各坐標(biāo)樁標(biāo)明該點(diǎn)削坡高度和設(shè)計(jì)高度數(shù)據(jù)，對場地進(jìn)行找坡，保證場地內(nèi)各處都基本達(dá)到設(shè)計(jì)的坡度和高度。

2.3.6 清 渣

(1)組織好作業(yè)點(diǎn)的次序，合理安排施工。

(2)先行處理作業(yè)點(diǎn)上部積渣，使積渣的堆積角小于及自然安息角，防止積渣坍塌傷人或設(shè)備。

2.3.7 邊坡檢查、處理與驗(yàn)收

開挖后及時對基礎(chǔ)面尺寸和土體質(zhì)量進(jìn)行檢查、整修和處理，檢查分自檢、監(jiān)理檢查和終檢。削坡后坡面必須平整堅(jiān)實(shí)，不得有突起、松動塊體、虛土浮渣等。

3 數(shù)值模擬分析

強(qiáng)度折減法中邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)定義為使邊坡剛好達(dá)到臨界狀態(tài)破壞時，對巖土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度，即安全系數(shù)為巖土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時的折減后剪切強(qiáng)度的比值[5-6]。本工程根據(jù)安全系數(shù)、位移圖和應(yīng)力圖分析邊坡穩(wěn)定性。

3.1 模型的建立

本邊坡為巖質(zhì)邊坡，長120 m，坡高40 m，坡腳為70°和45°(治理前后的邊坡角)。巖體容重為26.8 kN/m3， 體積模量為9.6 MPa，黏聚力為0.39 MPa。模型分為2個矩形區(qū)域，按照控制點(diǎn)對每個區(qū)域利用brick單元建立網(wǎng)格，并進(jìn)行分組后賦值，考慮到網(wǎng)格尺寸的一致性，本模型y方向只設(shè)置一個單元。

3.2 邊界條件和外力設(shè)置

根據(jù)數(shù)值計(jì)算模型的需要，對邊坡施加約束。邊坡頂部為自由界面，底部采用固定約束，四周采用水平位移約束。巖土體的初始應(yīng)力包括自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，自重應(yīng)力是存在于所有巖土體中，構(gòu)造應(yīng)力視地質(zhì)條件而定[7]。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和工程地質(zhì)資料可知，原巖應(yīng)力以自重應(yīng)力為主，設(shè)置重力加速度為10 m/s2，方向垂直向下。本次計(jì)算采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。

3.3 數(shù)值分析結(jié)果

治理前后邊坡數(shù)值模擬安全系數(shù)見圖3。可知，治理前模型數(shù)值模擬安全系數(shù)為1.07；治理后計(jì)算安全系數(shù)為1.62。治理前，邊坡穩(wěn)定性不符合要求，可能產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采場邊坡安全系數(shù)要大于儲備系數(shù)(Fs=1.15)；治理后，在理論上滿足邊坡穩(wěn)定性的要求，可認(rèn)為該邊坡處于較低的風(fēng)險水平，治理方案可行。

圖3 治理前后邊坡數(shù)值模擬安全系數(shù)

治理后邊坡模型位移等值線見圖4。可看出，坡腳處區(qū)域?yàn)槲灰谱畲笾?.75 cm，位移總體偏小，可認(rèn)為坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 治理各邊坡模型位移等值線

4 結(jié) 語

露天石灰石礦山邊坡治理后的安全系數(shù)為1.62，滿足設(shè)計(jì)對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的要求；治理結(jié)束半年之內(nèi)，未出現(xiàn)新的裂縫，未發(fā)生一起落石；且在日常管理中每天利用GPS進(jìn)行位移監(jiān)測，結(jié)果顯示，監(jiān)測點(diǎn)的位移基本無變化；治理后的邊坡完整性和穩(wěn)定性都達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)。針對礦區(qū)高邊坡現(xiàn)狀，通過數(shù)值模擬軟件模擬邊坡治理后的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，評價當(dāng)前模式下邊坡的穩(wěn)定性，為實(shí)際施工提供依據(jù)。實(shí)際工程與數(shù)值模擬相結(jié)合，為高陡邊坡的治理提供參考。