石灰?guī)r礦山高陡路塹邊坡穩(wěn)定性分析及治理措施

馮德潤

（四川西南水泥有限公司）

隨著我國礦山行業(yè)的快速發(fā)展，運礦道路建設(shè)時期帶來的工程問題也層出不窮，其中道路邊坡的穩(wěn)定性關(guān)系到礦山正常開采活動，其穩(wěn)定性分析與治理也成為了關(guān)注的重點。王凱等［1］采用Geo-slope軟件模擬計算了某露天礦斜坡路轉(zhuǎn)角處的路塹邊坡安全系數(shù)，采用削坡減載的手段進行邊坡治理，并模擬計算出不同坡面角的邊坡安全系數(shù)，為礦山邊坡安全儲備提供參考。彭業(yè)宣等［2］對滑坡體產(chǎn)生的誘因、巖體結(jié)構(gòu)特征進行了分析，采用余推力法和Bishop 法分別對順層滑動的剪切破壞和圓弧型破壞進行計算，并結(jié)合現(xiàn)場情況提出了合理的治理方案。蔣權(quán)［3］使用Slide 軟件分析了某露天礦邊坡的穩(wěn)定性，采用削坡減載的方式進行邊坡治理，并提出了邊坡優(yōu)化及日常管理維護方案。金芳祿［4］結(jié)合現(xiàn)場踏勘及地質(zhì)資料，通過分析礦山邊坡的地質(zhì)構(gòu)造，對邊坡的穩(wěn)定性進行分析。秦哲等［5］運用Flac3D 數(shù)值模擬技術(shù)分析了削坡前后邊坡穩(wěn)定性變化情況。倪彬等［6］使用Slide 軟件分析了地震作用下礦區(qū)上下盤邊坡的穩(wěn)定性，并對影響邊坡穩(wěn)定性的其它因素進行了討論。在前人研究的基礎(chǔ)上，本研究通過Slide 軟件，采用極限平衡法對雙橋石灰?guī)r礦山高陡路塹邊坡治理前后的穩(wěn)定性進行模擬研究，為該邊坡采用削坡減載的治理方式提供必要的科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

某建材公司4 500 t/d 熟料水泥生產(chǎn)線的石灰?guī)r運輸主干道位于該公司雙橋石灰?guī)r礦山上。道路場地屬巖溶溶蝕山地，地形較陡，始于東側(cè)原采場，止于金雞洞坪下方，原始地形坡度約60°～75°，總體上呈西北高東南低，地形有利于地表水匯集和地下水排泄。道路起點整平標高為1 241.0 m，終點整平標高為1 317.21 m，設(shè)計道路中心高差為76.21 m。由于道路所處為山區(qū)，山高坡陡，地形差異大，大部分地段為挖方區(qū)，按邊坡開挖高寬比1∶0.3 計，最大切坡高度可達110.0 m。區(qū)內(nèi)地震發(fā)生頻繁，地震烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.20 g。因設(shè)計規(guī)劃和建設(shè)滯后等諸多歷史原因，造成雙橋石灰?guī)r礦運礦主干道處于高陡路塹邊坡之下，如圖1所示。

該路塹邊坡不符合廠礦道路設(shè)計要求，裂隙發(fā)育且坡角大，多次發(fā)生崩塌、掉塊等地質(zhì)災(zāi)害，使得車輛和人員無法通行，造成礦區(qū)生產(chǎn)停滯。因此，對該高陡路塹邊坡采取必要的治理措施，保障礦山正常的開采活動，是企業(yè)當前急需解決的問題。

2 治理前邊坡穩(wěn)定性研究

Slide軟件是加拿大RocScience公司的產(chǎn)品，它是一個用來計算土質(zhì)、石質(zhì)二維邊坡穩(wěn)定性的程序。其基本原理是基于極限平衡的豎向條分法來計算邊坡的穩(wěn)定性。利用Slide可以計算出邊坡的安全系數(shù)和可能的破壞形式，分析潛在滑動面的位置［7-8］。通過現(xiàn)場地質(zhì)情況的調(diào)查，該開挖邊坡屬典型切向坡，除表層零星分布有第四系松散坡積土外，主要由一套二疊系灰?guī)r組成，以中等風(fēng)化和強風(fēng)化為主。邊坡以滑移—拉裂為特征，以牽引式滑坡為表現(xiàn)形式。以往研究表明，針對此類邊坡，采用Slide 軟件中Bishop 和Janbu 算法進行計算，具有較好的模擬效果［9］。

2.1 安全系數(shù)閾值選取

極限平衡法是根據(jù)靜力平衡原理來分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態(tài)，可根據(jù)邊坡滑體上的抗滑力和下滑力之間的關(guān)系計算出安全系數(shù)，并由此評價邊坡的穩(wěn)定性。依據(jù)莫爾-庫倫強度準則，能較為準確地得出邊坡發(fā)生危險性滑動的范圍，在邊坡領(lǐng)域中有非常多的應(yīng)用實例。

安全系數(shù)閾值是評價邊坡穩(wěn)定性的主要指標，經(jīng)常采用評價類比和有關(guān)規(guī)范來確定，針對該邊坡地質(zhì)情況，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013）并參考類似邊坡穩(wěn)定性情況，確定最小安全系數(shù)［K］=1.30。若計算出的安全系數(shù)K＞［K］時，則邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；K＜［K］時，則邊坡不穩(wěn)定。

2.2 計算參數(shù)與工況選擇

對現(xiàn)場巖石樣本進行力學(xué)試驗來獲取巖石力學(xué)參數(shù)，并根據(jù)Hoek-Brown強度準則計算出巖體參數(shù)。選取的巖體介質(zhì)力學(xué)參數(shù)見表1。

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影響該路塹邊坡穩(wěn)定性的劣化因素包括天然降雨、爆破震動、地震等。設(shè)置天然、降雨和地震3種工況分別模擬計算，分別對應(yīng)工況Ⅰ（自重）、工況Ⅱ（自重＋暴雨）、工況Ⅲ（自重+地震）。

2.3 計算結(jié)果分析

根據(jù)運礦主干道路的實際尺寸數(shù)據(jù)，建立邊坡模型如圖2 所示。在已建好的模型中賦予巖層物理力學(xué)參數(shù)和地震加速度，采用Bishop 法和Janbu 法，按3 種不同工況對工程地質(zhì)剖面進行邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析，安全系數(shù)計算結(jié)果見表2，各工況模擬結(jié)果見圖3。

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根據(jù)模擬結(jié)果，在3 種工況中，最危險滑動面位于強風(fēng)化灰?guī)r與中風(fēng)化灰?guī)r的交界面處，安全系數(shù)均小于1.30，其中地震對該路塹邊坡的穩(wěn)定性影響最大，安全系數(shù)平均值為0.921，邊坡極易失穩(wěn)，這對礦山安全生產(chǎn)造成重大威脅，必須采取有效的治理措施來提高邊坡的穩(wěn)定性。

因削坡減載技術(shù)施工容易、工程造價低、施工周期短，可以快速避免滑坡災(zāi)害的進一步發(fā)展，該路塹邊坡主要采用削坡減載的手段來進行治理。

3 削坡后邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 削坡減載原理及方案

削坡減載是指對邊坡及時平整和刷幫，改善邊坡輪廓形狀，以提高邊坡穩(wěn)定性［10］。作用原理如圖4所示，原有的高陡邊坡體ABC 處于不穩(wěn)定狀態(tài)，通過對坡體的上部DBC（削除體）進行削減處理，可減輕邊坡體ABC 的重量，從而有效降低下滑段的剩余下滑力，由此使滑動面上的抗滑力＞下滑力，抑制坡體ABC下滑，保證整個邊坡安全。

削坡方案為從坡頂逐段分臺階進行卸載，邊坡逐步卸載靠幫，每15 m 高度形成一個平臺，盡量削除滑移面上部的強風(fēng)化層，降低整體坡度和高度。削坡處理后，邊坡高度由120 m 降低到91 m，整體邊坡角由70°降為54°。削坡減載后邊坡剖面模型如圖5所示。

3.2 計算結(jié)果分析

在模型中賦予巖層物理力學(xué)參數(shù)和地震加速度對其進行穩(wěn)定性分析。計算結(jié)果見表3。

由計算結(jié)果可知，最危險滑動面仍位于兩種巖層交界面附近，但采取削坡處理之后，降低了邊坡高度，削除了大部分強風(fēng)化灰?guī)r，使得下滑段的剩余下滑力降低，因此邊坡在3種不同工況下的安全系數(shù)均大于1.30，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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3.3 削坡減載方案治理效果

由數(shù)值模擬分析可知，造成該路塹邊坡失穩(wěn)的主要原因是強風(fēng)化灰?guī)r的物理力學(xué)性質(zhì)較弱，使得下滑段沿著強風(fēng)化、中風(fēng)化層交界面附近滑動，削坡可以減小滑坡發(fā)生的可能性。且雙橋石灰石礦邊坡危巖為山間坡地，地形上有利于地表水匯集、地下水的排泄，地下水位低，有足夠的空間放坡，礦山工程地質(zhì)條件適合削坡減載的處理方式。

根據(jù)數(shù)值模擬提供的削坡減載方案，對雙橋石灰?guī)r礦形成的礦山高陡路塹邊坡進行工程治理。其治理工藝順序為表面清理→削坡開挖→開挖土方堆放、處理、利用→人工削坡→清渣→邊坡檢查、處理、驗收→特殊問題處理。治理完成后邊坡現(xiàn)狀如圖6所示，處理后的路塹邊坡穩(wěn)定性良好，目前礦山已進入正常生產(chǎn)階段。采用削坡減載的治理方案較此前的噴錨治理方案節(jié)約資金1 800 多萬元，經(jīng)濟效益顯著。

4 結(jié) 論

（1）削坡前路塹邊坡存在較多的不穩(wěn)定因素，通過建模計算得出其安全系數(shù)較小，強風(fēng)化灰?guī)r是危險滑坡面的集中區(qū)，在內(nèi)外因素影響下邊坡極易失穩(wěn)。

（2）對該路塹邊坡采用削坡減載的治理方式后，在天然、降雨和地震3 種工況下安全系數(shù)均大于1.30，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）治理后路塹邊坡穩(wěn)定性良好，礦山順利進入正常生產(chǎn)，且削坡減載的治理方案經(jīng)濟效益顯著。