采礦形成高陡邊坡穩(wěn)定性綜合分析方法研究
——以山西寧武某煤礦為例

鐘鑫，肖超，吳大偉

（美麗華夏生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100176）

0 引言

露天礦的開采，會形成眾多大小不一的巖質(zhì)邊坡或土質(zhì)邊坡，很多邊坡因開采過程的不規(guī)范，對邊坡下部建筑或人員形成了不同程度的威脅。因此，對邊坡的穩(wěn)定性分析，是礦山地質(zhì)災(zāi)害治理工程設(shè)計工作中必不可少的組成部分，對其發(fā)育特征、破壞類型、形成原因及穩(wěn)定性的研究具有十分重要的意義（馮君等，2005；汪旭濤等，2006；黃潤秋等，1991；Wang Jun-Jie，2014），不穩(wěn)定邊坡形成原因和相關(guān)的影響因素有許多學(xué)者進行過研究和探討（楊彪和李長冬，2007；孫國富等，2003；陳從新等，2007；王建華等，2007；劉立平，2000）。

赤平投影法是定性分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的方法之一，可以直觀的表明各組結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系，而巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性主要取決于巖體發(fā)育結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及其與邊坡的空間耦合關(guān)系（石根華，1977；孫玉科和古訊，1980）。合理使用赤平投影對項目區(qū)采礦形成的巖質(zhì)邊坡進行穩(wěn)定性分析，能夠為不穩(wěn)定邊坡治理工程的實施提供參考。對于土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的方法有很多，其中瑞典條分法計算相對簡單，適用范圍較廣，因此多用于工程建設(shè)的穩(wěn)定性分析當中。現(xiàn)今邊坡穩(wěn)定性計算分析多利用分析軟件進行，能夠大大提高工作效率，其中對土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析軟件種類很多，理正邊坡穩(wěn)定性分析軟件簡單易用，是眾多工程穩(wěn)定性的首選（王楊興和丘志楊，2020；鐘燕茹，2019）。

本文就巖質(zhì)邊坡及土質(zhì)邊坡的邊坡工程實例，依據(jù)相關(guān)規(guī)范及標準，通過赤平投影分析對巖質(zhì)邊坡進行穩(wěn)定性分析，同時輔以穩(wěn)定性公式計算的方式加以驗證。利用理正巖土軟件對土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進行分析，得到不同工況下的穩(wěn)定性系數(shù)，依照相關(guān)規(guī)范對其進行穩(wěn)定性評價。針對巖質(zhì)及土質(zhì)兩種不同類型的邊坡進行穩(wěn)定性評價，以期為邊坡的穩(wěn)定性研究和治理提供數(shù)據(jù)支持。

1 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評價

1.1 評價標準及依據(jù)

用赤平投影法對巖質(zhì)邊坡進行穩(wěn)定性分析時，需首先假定邊坡巖體為剛性，僅考慮塊體滑動力與抗滑力的作用，不考慮內(nèi)部塊體之間的應(yīng)變，并忽略外力作用。在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中，穩(wěn)定性由各結(jié)構(gòu)面的相互組合關(guān)系和結(jié)構(gòu)面間的摩擦力共同控制，當結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面交線的走向與邊坡走向相反時，邊坡一般較穩(wěn)定，當兩者走向相對一致時，則需通過二者的傾角進行進一步分析（陳奇珠和董翌為，2013；張水兵等，2000；榮富強等，2020；唐勝傳等，2018；張子新和孫鈞，2002；謝良甫，2018；劉才華和陳從新，2012；孫玉科等，1988；孫璐偉和宋蘭，2019）。對于邊坡穩(wěn)定性評價，可根據(jù)野外調(diào)查的邊坡發(fā)育情況及赤平投影分析可進行定性-半定量的評價。

表1 邊坡穩(wěn)定性野外判別表

定性評價標準根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害危險性評估規(guī)范》（DZ/T0286-2015）中對不穩(wěn)定斜坡的調(diào)查要求，從斜坡的高度、坡度、組成斜坡的巖性、地下水的發(fā)育程度、斜坡的變形破壞特征等定性分析不穩(wěn)定邊坡的穩(wěn)定性（表1）。

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》（第五版）（化建新和鄭建國，2018）相關(guān)規(guī)定，對其穩(wěn)定性進行半定量的分析評價，評價標準見表（表2）。根據(jù)基巖節(jié)理裂隙發(fā)育特征參數(shù)，將每一組地層層面、節(jié)理面、邊坡坡面進行組合，若每組結(jié)構(gòu)面組合評定結(jié)果均為穩(wěn)定，則該邊坡評價為穩(wěn)定狀態(tài)；若一些結(jié)構(gòu)面組合穩(wěn)定，另一些結(jié)構(gòu)面組合基本穩(wěn)定，則邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；若有任一組不穩(wěn)定，則邊坡不穩(wěn)定。由此可以判斷出影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。

1.2 案例分析

某礦山地質(zhì)環(huán)境治理項目區(qū)內(nèi)存在多處不穩(wěn)定斜坡隱患點，其中包括巖質(zhì)邊坡及土質(zhì)邊坡，其破壞形式主要以錯斷式為主。根據(jù)野外勘查，勘查區(qū)內(nèi)高陡邊坡多為采礦開挖形成的開采創(chuàng)面，巖體結(jié)構(gòu)面較發(fā)育、巖體破碎，采坑西側(cè)出露煤層底板形成順向巖質(zhì)邊坡，采坑?xùn)|側(cè)頂板圍巖形成逆向巖質(zhì)邊坡。本文選取其中具有代表性的巖質(zhì)邊坡及土質(zhì)邊坡進行穩(wěn)定性分析。

表2 邊坡穩(wěn)定性分級及評價標準

勘查區(qū)的某巖質(zhì)邊坡YBP01 坡高18～36 m，坡寬59.35 m，坡向160°，坡度58°，為順向斜交坡，坡腳處坡度較緩，堆積少量廢渣，坡底無地表徑流，巖體干燥；坡體整體高陡，局部臨空，坡面裸露，坡體出露砂巖、炭質(zhì)頁巖，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育。邊坡后緣未見裂縫發(fā)育，無積水。該邊坡巖層產(chǎn)狀：110°∠40°，巖層中兩組節(jié)理產(chǎn)狀分別為J1：210°∠65°和J2：170°∠50°，節(jié)理密度均為2～5 條/米。根據(jù)表邊坡穩(wěn)定性野外判別表的相關(guān)內(nèi)容，結(jié)合該巖質(zhì)邊坡的發(fā)育特征情況，可以初步定性分析該邊坡的穩(wěn)定性較差，但仍需要通過赤平投影法對其穩(wěn)定性進行進一步分析。

圖1 邊坡YBP01 赤平投影圖

通過赤平投影示意圖（圖1）可以看出，該邊坡巖層面（C）傾向與坡面（P）傾向夾角為40°，屬于順向斜交坡，巖層面（C）的傾角（40°）小于坡面（P）的傾角（58°），巖層面（C）為基本穩(wěn)定；節(jié)理（J1）傾向與坡面（P）傾向夾角為50°，但節(jié)理（J1）傾角（65°）大于坡面（P）的傾角（58°），故節(jié)理（J1）屬于基本穩(wěn)定；節(jié)理（J2）傾向與坡面（P）傾向相近，夾角為10°，小于30°，同時節(jié)理（J2）傾角（50°）小于坡面（P）傾角（58°），因此節(jié)理（J2）為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面。

巖層層理面（C）與節(jié)理（J1）的交割線傾向為140°，與坡面（P）傾向夾角小于30°，交割線傾角（36°）小于坡面（P）傾角（58°），交割線方向不穩(wěn)定，巖層層理面（C）與節(jié)理（J2）的交割線傾向為123°；與坡面（P）傾向夾角小于30°，交割線傾角（39°）小于坡面（P）傾角，交割線方向不穩(wěn)定；節(jié)理（J1）與節(jié)理（J2）結(jié)構(gòu)面的交割線傾向（152°）與坡面（P）傾向（160°）夾角為8°，小于30°，且交割線傾角（49°）小于坡面（P）傾角（58°），則兩節(jié)理的交割線方向不穩(wěn)定，同時兩節(jié)理交割線同赤平面圓心的連線位于節(jié)理（J1）與節(jié)理（J2）兩結(jié)構(gòu)面的傾向線之間，故節(jié)理（J1）與節(jié)理（J2）均為滑動面，兩節(jié)理切割所致的巖塊，沿交割線同赤平面圓心的連線方向滑動，即交割線的傾向152°方向（表3）。

表3 赤平投影產(chǎn)狀參數(shù)

根據(jù)Mohr-Coulomb 準則，楔形體破壞（雙滑面）的穩(wěn)定性系數(shù)計算公式為（張水兵等，2000）：

式（1）中，βj為結(jié)構(gòu)面交線的傾角，單位為（°）；β0為楔形體的偏斜角，單位為（°）；?為結(jié)構(gòu)面的夾角，單位為（°）。

圖2 層理面C 與節(jié)理面J1及其交割線示意圖

圖3 層理面C 與節(jié)理面J2及其交割線示意圖

圖4 節(jié)理面J1與節(jié)理面J2及其交割線示意圖

經(jīng)計算，層理及量組節(jié)理切割所致的巖體CJ1、CJ2、J1J2的穩(wěn)定系數(shù)均小于1，為不穩(wěn)定狀態(tài)，與赤平極射投影法分析的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性情況一致。

因此，可以判斷該巖質(zhì)邊坡坡面（P）、巖層層理面（C）及節(jié)理面（J1）切割組成的巖體基本穩(wěn)定；坡面（P）、巖層層理面（C）及節(jié)理面（J2）組合切割的巖體不穩(wěn)定；坡面（P）、節(jié)理面（J1）與節(jié)理面（J2）組合切割的巖體不穩(wěn)定（圖2～4）。綜上所述該巖質(zhì)邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2 土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性評價

2.1 計算方法

以勘查區(qū)內(nèi)某土質(zhì)邊坡TBP01 的穩(wěn)定性分析為例，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，該邊坡為均質(zhì)土層或似均質(zhì)土層，其失穩(wěn)破壞時，滑動面往往呈圓弧形，或沿著土層與巖層的接觸面滑動，通過鉆孔勘查邊坡坡體中未見明顯面滑動痕跡。因此，可適用理正巖土分析軟件對邊坡穩(wěn)定性進行分析，利用程序自動搜索最危險滑裂面，等厚土層穩(wěn)定計算。整體穩(wěn)定性采用瑞典圓弧滑動條分法對坡體穩(wěn)定性系數(shù)進行計算，進而對不穩(wěn)定斜坡體的穩(wěn)定性進行評價。圓弧滑動法計算模型見圖5。

穩(wěn)定性系數(shù)計算公式（徐金春，2010）：

其中，l為單個土條的滑動面長度，m；W為條塊重力，kN；ui為水位降落前堤身中的孔隙水壓力；β為條塊的重力線與通過此條塊底面中點半徑之間的夾角，度；Ccu、￠ cu為土的抗剪強度指標。

計算工況采用以下3 種：

圖5 圓弧滑動法計算模型圖

工況1：自然工況，勘查期間的工況，荷載為滑坡體自重+地面荷載。

工況2：地表水、地下水工況，這里指暴雨（100年一遇）條件下的工況，荷載為滑坡體自重+地面荷載+地下水靜水壓力或滲流壓力；對于工況2 條件下，暴雨在坡體內(nèi)不形成統(tǒng)一的地下水位線，只造成坡體土體重度增加及抗剪強度的降低。

工況3：地震工況，地震作用條件下的工況，荷載為滑坡體自重+地面荷載+地震力，對于工況3 條件下，據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，寧武縣地震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計基本地震加速度為0.10 g。

2.2 劃分標準及計算參數(shù)

該土質(zhì)邊坡TBP01 主要成分為黃土狀粉土及殘積物碎石，邊坡最大坡高均在10 m 左右，主要威脅對象為坡下日常行人和施工期間的材料運輸車輛，滑坡災(zāi)害發(fā)生時破壞后果不嚴重。根據(jù)邊坡?lián)p壞后可能造成的破壞后果的嚴重性、邊坡類型和邊坡高度等因素綜合考慮，確定邊坡工程安全等級為二級，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013），邊坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分取值標準見表4。

表4 邊坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分

該土質(zhì)邊坡為均質(zhì)土層或似均質(zhì)土層，因此計算中將整個坡體視為整體。根據(jù)采取土樣測得《土分析成果報告》中的各項物理力學(xué)參數(shù)進行計算，具體數(shù)值如表5。

表5 邊坡土樣參數(shù)

2.3 穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果及穩(wěn)定性評價

經(jīng)過理正邊坡穩(wěn)定性結(jié)果見表6。

表6 圓弧滑動法邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果及評價

綜合統(tǒng)計分析可知，土質(zhì)邊坡TBP01 在天然工況條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況條件下坡體穩(wěn)定性降低，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；地震作用對于坡體穩(wěn)定性影線較小，一般地震工況條件下，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。通過邊坡穩(wěn)定性計算驗證可知，以黃土為主的采礦土質(zhì)邊坡在暴雨工況條件下坡體穩(wěn)定性降低，處于穩(wěn)定-基本穩(wěn)定狀態(tài)，暫不需要采取相應(yīng)的工程措施進行治理。

3 結(jié)論

（1）通過赤平投影法及理正邊坡穩(wěn)定性分析軟件的分析認為該礦山巖質(zhì)邊坡YBP01 處于不穩(wěn)定狀態(tài)，沿陡壁節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面發(fā)生邊坡失穩(wěn)的可能性大；土質(zhì)邊坡TBP01 在天然條件下穩(wěn)定，在暴雨及地震工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，后期工程設(shè)計建議針對該處巖質(zhì)邊坡YBP01 采取削坡等工程手段經(jīng)行處理。

（2）赤平投影法對于節(jié)理面清晰明確的巖質(zhì)邊坡，可以直觀體現(xiàn)出巖體中發(fā)育結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及其與邊坡的空間組合關(guān)系，從而快捷有效地對邊坡穩(wěn)定性進行定性-半定量分析評價。理正邊坡穩(wěn)定性分析軟件對于土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析，可以無已知滑動面的情況下，通過相關(guān)力學(xué)性質(zhì)及參數(shù)，推斷出最不利滑動面，對于均質(zhì)或類均質(zhì)坡體的穩(wěn)定性計算十分便捷、有效。