丁山礦區(qū)邊坡工程地質(zhì)特征及穩(wěn)定性評價

汪海斌 劉 歡 馬建勇 袁興文 劉 樂

（1.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局322地質(zhì)隊；2.馬鞍山富凱建設(shè)工程有限責(zé)任公司）

邊坡穩(wěn)定性是露天礦山開采過程中的重要問題，當(dāng)?shù)V山退役后，其開采形成的高邊坡穩(wěn)定性是礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)的重要問題。對退役露天礦山邊坡的工程地質(zhì)特征及穩(wěn)定性進(jìn)行全面評價，是現(xiàn)今生態(tài)恢復(fù)的重點環(huán)節(jié)，具有重大的工程價值。對邊坡穩(wěn)定性的研究方法主要有工程地質(zhì)分析法、極限平衡分析法（瑞典條分法、畢肖普法、簡布法、薩爾瑪法等）、極限分析法和數(shù)值分析法等［1］。在對于礦山邊坡的研究方面，胡卸文等［2］對四川某礦山的邊坡失穩(wěn)機理及穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；王東等［3］基于露天礦山中的邊坡進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，并計算了邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)；李全明和黃成林等［4-5］對礦山開采過程中的邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)整治措施；崔鐵軍和李曉鵬等［6-7］對露天煤礦邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合分析；杜時貴等［8］對大型礦山的總體邊坡、臺階邊坡和組合臺階邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分級；王明等［9］對露天煤礦邊坡在滲流作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

本研究以安徽省馬鞍山市的丁山礦區(qū)邊坡為例，通過野外調(diào)查與工程地質(zhì)勘察等手段，掌握了礦區(qū)的工程地質(zhì)特征，對丁山礦區(qū)東、西、南、北邊坡變形情況進(jìn)行識別，并對北側(cè)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計算與評價。

1 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地理位置與構(gòu)造

丁山礦區(qū)位于安徽省馬鞍山市雨山區(qū)向山鎮(zhèn)南東方向約1.5 km 處（圖1），丁山礦區(qū)內(nèi)的地貌主要為丘陵和殘丘，海拔高度為31.21～185.10 m，整個礦區(qū)地形北高南低，最高點位于礦區(qū)北部的大王山南坡，高程為185.10 m；最低點位于礦區(qū)南西邊緣耕地內(nèi)，高程為31.206 m。礦區(qū)北坡后緣為一巖質(zhì)陡斜坡，坡頂延伸至分水嶺，中后部為礦山開挖平臺，前緣為斜坡地形，斜坡坡腳直抵采坑水面。

丁山礦區(qū)位于揚子準(zhǔn)地臺，寧蕪中生代斷陷盆地中段，寧蕪向斜中段軸部附近南東翼，區(qū)內(nèi)火山巖系褶皺構(gòu)造主要為丁山背斜，與其北部的向山向斜毗鄰。丁山背斜為軸向北東、向北東傾伏，平面上兩翼向北東展開、南西收斂的小型背斜，由于閃長玢巖的侵入，背斜構(gòu)造受到嚴(yán)重破壞，形態(tài)很不完整。丁山礦區(qū)主要位于背斜的北西翼，地層走向約為40°，往西漸變?yōu)?2°～35°，傾向北西，傾角為15°～30°。

1.2 邊坡平面特征

（1）從野外鉆探、調(diào)查和遙感影像可知，礦區(qū)東、南、西坡未見變形破壞跡象，北坡由于采礦削坡形成臺階狀，坡面平臺多達(dá)10 余處。各級平臺的地形坡角較陡，坡度范圍為40°～50°。邊坡中后部平臺分級較多且緩，縱長約95 m，橫寬約195 m，地面高程為94.470～158.510 m，地形坡角為15°～25°，邊坡前緣平臺較少且陡峭，邊坡縱長約130 m，橫寬約300 m，地面高程范圍為9.60～94.470 m，地形坡角為35°～40°，坡面存在局部溜滑現(xiàn)象，坡腳位置即為露天開采礦坑邊緣。邊坡地形相對高差約180 m，總體而言場地地形起伏較大。

（2）根據(jù)丁山礦區(qū)北側(cè)邊坡的形態(tài)特征（圖2），可將邊坡劃分為3個區(qū)域，I區(qū)、III區(qū)為巖質(zhì)邊坡區(qū)，中部II區(qū)為滑坡區(qū)。滑坡區(qū)是由于礦區(qū)開采作業(yè)不規(guī)范，導(dǎo)致出現(xiàn)貫穿坡頂?shù)幕拢溆嗟囟纹麦w均無明顯滑動變形跡象，但坡體后緣由于礦區(qū)不規(guī)范開采，形成了25～30 m 的巖質(zhì)陡坎，加之后緣巖體X 共軛節(jié)理面切割作用，局部存在崩塌不良地質(zhì)災(zāi)害，其余不良地質(zhì)災(zāi)害主要表現(xiàn)為平臺坡面的局部溜滑現(xiàn)象。

（3）坡體中部II區(qū)滑坡部位主要地表物質(zhì)由第四系崩坡積體堆積組成，崩坡積物質(zhì)主要來源于后側(cè)陡斜坡及邊坡中后部分級平臺。

1.3 地層巖性

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭露，丁山礦區(qū)場地主要由第四系崩坡積層（Qcol+dl）、第四系全新統(tǒng)滑坡堆積層（）和白堊系下統(tǒng)大王山組三段（K1d3）的凝灰?guī)r或閃長玢巖組成。其地層結(jié)構(gòu)特征分述如下。

（1）第四系崩坡積層（Qcol+dl）。主要由塊碎石土組成，呈褐黃色，分布于整個丁山礦區(qū)北坡后緣巖質(zhì)陡坡坡腳，其中塊碎石成分主要為碎裂狀晶屑凝灰?guī)r，呈強—中等風(fēng)化狀態(tài)，棱角狀、次棱角狀，據(jù)地表調(diào)查，最大塊徑約0.50 m，間夾粉質(zhì)黏土，多呈硬塑狀態(tài)，局部地段呈可塑狀態(tài)，其塊碎石土厚度一般為2.0～5.5 m，總體呈中前緣薄、后部厚的特征。

（2）第四系全新統(tǒng)滑坡堆積層（Q4del）。該層主要分布于丁山礦區(qū)北坡中部II 區(qū)的滑坡區(qū)，呈雜色，主要由碎石和黏土組成，稍濕，松散，碎石成份主要為凝灰?guī)r，碎石大小不一，呈棱角狀，根據(jù)探槽及鉆孔揭示，該層厚約5.50 m。

（3）白堊系下統(tǒng)大王山組三段（K1d3）。①散體狀晶屑凝灰?guī)r，呈淺灰色，散體狀結(jié)構(gòu)，巖芯呈泥土狀，局部呈碎塊狀，部分深度范圍內(nèi)高嶺土化較為強烈，巖芯手捏可散，力學(xué)強度低，層間局部夾碎裂狀含礫凝灰?guī)r；②碎裂狀晶屑凝灰?guī)r，呈灰白—灰黃色，碎裂狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯較堅硬，呈碎塊狀及短柱狀，局部高嶺土化較強烈，而局部硅化膠結(jié)較為強烈，力學(xué)性質(zhì)差異較大；③碎裂狀閃長玢巖，呈灰、灰白色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，基質(zhì)為細(xì)粒結(jié)構(gòu)，以斜長石、角閃石、綠泥石為主，磁鐵礦化、高嶺土化較強烈，局部含磁鐵礦，巖石破碎呈碎塊狀，巖芯整體較為完整，力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)較高。

1.4 水文地質(zhì)與腐蝕性評價

丁山礦區(qū)主要地貌單元為丘陵地貌，場地周邊未見有河流水系，僅存在零星水塘及礦坑內(nèi)積水。礦區(qū)主要以硫鐵礦為主，硫化礦物在空氣、水和微生物作用下，發(fā)生溶浸、氧化、水解等一系列物理化學(xué)反應(yīng)，形成含大量重金屬離子的風(fēng)化巖石淋溶水及雨水，匯聚于丁山礦區(qū)巨大露天采坑塘口，并堵塞塘口形成積水坑，經(jīng)過長時間的富集效應(yīng)，水體顏色呈深綠色，屬于酸性污染水質(zhì)。地表水主要來源于大氣降雨及當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活用水。

丁山礦區(qū)地下水以松散巖類孔隙水及基巖強風(fēng)化帶裂隙水為主，穩(wěn)定地下水位埋深較深，鉆孔中未見穩(wěn)定地下水位。總的來看，邊坡中地下水貧乏，可不考慮地下水滲流影響。松散巖類孔隙水主要賦存于崩坡積層中，接受大氣降雨補給，向前緣礦坑排泄，水量較小。在丁山礦區(qū)邊坡前緣下部，地下水與礦坑內(nèi)積水交互補給，水量較大。據(jù)鉆探資料，在鉆孔期間的大部分鉆孔未發(fā)現(xiàn)地下水，并且鉆孔循環(huán)水發(fā)生滲漏現(xiàn)象，且北區(qū)邊坡的滑坡區(qū)中后緣基本無地下水存在。基巖強風(fēng)化帶裂隙水主要賦存于基巖強風(fēng)化帶裂隙中，丁山礦區(qū)北區(qū)邊坡后緣外大氣降雨通過后壁裂隙下滲在基巖強風(fēng)化帶裂隙中，經(jīng)過賦存、運移，并向前緣礦坑排泄，充填丁山礦坑。

在丁山礦區(qū)北側(cè)邊坡前緣礦坑內(nèi)采取了2 組地表水樣，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001，2009 年版）［10］對水試樣進(jìn)行腐蝕性分析，表明對混凝土達(dá)到微—中腐蝕，對混凝土中的鋼筋為微腐蝕，需按二類環(huán)境類型考慮工程設(shè)計，如表1 所示。

2 礦區(qū)北側(cè)邊坡穩(wěn)定性分析與評價

2.1 礦區(qū)北側(cè)邊坡潛在滑帶土特征

根據(jù)北側(cè)邊坡的勘查資料，北側(cè)邊坡由變形、破壞形成的物質(zhì)組成主要為第四系全新統(tǒng)崩坡積體、滑帶土和下伏碎裂結(jié)構(gòu)巖組、塊狀結(jié)構(gòu)巖組基巖層，已在前面敘述。而通過勘查，發(fā)現(xiàn)北側(cè)邊坡所處崩坡積體潛在滑動帶主要為上部土層與高嶺土化強烈的散體狀凝灰?guī)r接觸面，其中滑坡前部鉆孔資料及中部探槽資料揭示，滑坡體厚度約為5.50 m，大部地段潛在滑帶土物質(zhì)組成主要為淺灰色—灰白色的強高嶺土化巖（圖3），巖石蝕變強烈。鉆孔巖芯呈松散—半堅硬狀，具黏性，含水量較高，可塑—軟塑狀，呈似層狀埋藏于第四系地層之下，局部碎石含量較少，無搖震反應(yīng)，手拈具滑感，勘查區(qū)滑動帶受下伏強高嶺土化巖控制，埋深為5.50～6.50 m。

2.2 計算參數(shù)的確定

根據(jù)室內(nèi)土工試驗和現(xiàn)場原位測試成果，采用工程類比法及反演計算，可確定巖土層的物理力學(xué)性質(zhì)，見表2。

2.3 丁山礦區(qū)北側(cè)邊坡穩(wěn)定性定性分析

根據(jù)現(xiàn)場鉆探揭示及地質(zhì)調(diào)查顯示，北側(cè)邊坡I、III 區(qū)域內(nèi)，巖質(zhì)邊坡整體穩(wěn)定性較好，無貫穿坡體的裂隙面，后緣存在崩塌現(xiàn)象，但其崩塌范圍及規(guī)模較小，對巖質(zhì)邊坡的整體穩(wěn)定性影響較小。根據(jù)巖質(zhì)邊坡的變形特征、基巖面形態(tài)及勘探資料，丁山礦區(qū)北側(cè)邊坡中后部基巖面由于礦山開挖，坡面較陡，坡度為70°～80°，平臺位置未發(fā)現(xiàn)明顯變形跡象，平臺內(nèi)側(cè)可見上部巖體崩塌形成的堆積體，堆積體厚度約1.50～2.0 m，結(jié)構(gòu)松散，堆積體現(xiàn)狀較為穩(wěn)定，鉆探深度范圍內(nèi)也未發(fā)現(xiàn)滑動跡象，整體穩(wěn)定性較好。I、III區(qū)巖質(zhì)邊坡由于下部礦區(qū)開采，形成高陡巖質(zhì)邊坡，基巖裸露，巖性以碎塊狀凝灰?guī)r為主，屬于軟巖—較軟巖，巖體較為完整，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，測得基巖面發(fā)育有3組主要節(jié)理裂隙面，裂隙面閉合或微張，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度一般，分別為L1 裂隙（110°∠52°）、L2 裂隙（130°∠55°）、L3 裂隙（220°∠89°），該巖層分布于開挖面下部，表層易風(fēng)化剝落，在不良結(jié)構(gòu)面及不利因素作用下易引發(fā)崩塌；該巖體開挖后整體較穩(wěn)定，局部易發(fā)生小規(guī)模崩塌；I、III 區(qū)的巖體結(jié)構(gòu)面的赤平極射投影如圖4 所示。由圖4可知，I區(qū)、III區(qū)巖質(zhì)邊坡各結(jié)構(gòu)面傾角較大，左側(cè)后緣邊坡的L1、L2 均為外傾結(jié)構(gòu)面，不利于邊坡穩(wěn)定，L1、L2 與L3 節(jié)理切割形成了楔形體，易發(fā)生崩塌破壞，考慮到巖質(zhì)邊坡坡度較大，現(xiàn)狀條件下可見后緣平臺有崩塌堆積體，坡體上部局部位置易在降雨等工況條件下形成局部崩塌。

對于丁山北側(cè)邊坡中部II區(qū)的滑坡區(qū)，根據(jù)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡區(qū)后緣具有拉裂縫和中前部分布有拉裂縫及錯落臺坎，左右側(cè)未見地表明顯變形開裂跡象。在II區(qū)的滑坡區(qū)后緣部分可明顯見裸露基巖，巖性以碎塊狀凝灰?guī)r為主，屬于軟巖—較軟巖，巖體較為完整，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，測得基巖面發(fā)育有3組主要節(jié)理裂隙面，裂隙面閉合或微張，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度一般，分別為L1 裂隙（275°∠89°）、L2 裂隙（45°∠58°）、L3 裂隙（265°∠81°）；其中L3 結(jié)構(gòu)面與坡面大角度相交，形成了滑坡后緣及左側(cè)緣，II區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面與邊坡赤平投影如圖5所示。

由圖5可知，II區(qū)巖體中L1、L2、L3均與坡面大角度相交，且傾向坡內(nèi)，穩(wěn)定性較好，巖質(zhì)邊坡后緣整體穩(wěn)定性較好，但局部仍存在崩塌現(xiàn)象。但需要指出的是場地內(nèi)為散體狀凝灰?guī)r，由于巖質(zhì)較軟，遇水易軟化崩解，且地表水下滲后多易沿基伏界面滲流軟化基巖形成泥化層，上伏松散碎石土易沿泥化層發(fā)生滑移，現(xiàn)滑坡體側(cè)緣裂隙貫穿，已形成錯臺陡坎，中前部局部出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象，后緣張拉裂隙明顯，表明滑坡區(qū)在降雨等工況條件下，邊坡中部滑坡區(qū)由于表層土體松散，其邊坡穩(wěn)定性將下降，存在再次滑動的可能性。

2.4 丁山礦區(qū)北側(cè)邊坡穩(wěn)定性定量分析

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查判定邊坡以沿潛在破裂角的平面滑動為主，因此采用不平衡推力的理正軟件進(jìn)行平面滑動搜索對邊坡I、II、III 區(qū)的A-A'、B-B'、CC'、D-D'剖面（圖2）進(jìn)行計算，并根據(jù)邊坡堆積體及可能出現(xiàn)的載荷組合狀況，主要考慮3種工況，工況1為天然自重工況，地下水埋深位于潛在滑動面以下，不考慮動水壓力；工況2 為天然自重的暴雨狀態(tài)，此工況主要考慮潛在滑動面的飽水狀態(tài)，且也不考慮動水壓力；工況3 為天然自重的地震狀態(tài)，主要考慮地震動作用下邊坡穩(wěn)定性，且也不考慮動水壓力。通過計算，北側(cè)邊坡各典型剖面的穩(wěn)定性結(jié)果如表3所示。

從表3 可知，I 區(qū)巖質(zhì)邊坡A-A'、B-B'和III 區(qū)的D-D'剖面在各工況條件下穩(wěn)定系數(shù)為1.163～1.752，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）［11］，在巖土體天然受力狀態(tài)下穩(wěn)定，自身的穩(wěn)定性較好；在暴雨工況條件下其邊坡穩(wěn)定性有所降低，但計算表明坡體整體仍較為穩(wěn)定；在地震工況條件下，邊坡穩(wěn)定性也有所降低，但計算結(jié)果表明坡體整體仍較為穩(wěn)定。因此，Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)巖質(zhì)邊坡整體穩(wěn)定，但其后緣巖質(zhì)陡坡在節(jié)理裂隙面的切割作用下，局部易出現(xiàn)崩塌的現(xiàn)象。對于II區(qū)巖質(zhì)邊坡C-C'剖面，在天然自重工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.035，在1.0～1.05范圍內(nèi)，判斷為欠穩(wěn)定，自身穩(wěn)定性較差，與現(xiàn)場實際調(diào)查結(jié)果相一致；在暴雨和地震工況下，巖土體的穩(wěn)定性進(jìn)一步下降，且穩(wěn)定性系數(shù)均小于1.0，表明邊坡整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要對邊坡采取治理措施。由于北側(cè)邊坡均含有凝灰?guī)r，其巖質(zhì)較軟，遇水易軟化，因此，設(shè)計、施工時需對坡面進(jìn)行封閉，并采取截排水措施，避免表層基巖被雨水浸泡。

3 結(jié)論

（1）丁山礦區(qū)內(nèi)的地貌主要為丘陵和殘丘，位于基底褶皺寧蕪向斜中段軸部附近南東翼，場地內(nèi)主要由第四系崩坡積層（Qcol+dl）、第四系全新統(tǒng)滑坡堆積層（Q4del）和白堊系下統(tǒng)大王山組三段（K1d3）的凝灰?guī)r或閃長玢巖組成。

（2）丁山礦區(qū)內(nèi)東、南、西坡未見變形破壞跡象，而北坡由于采礦削坡形成臺階狀坡面，存在局部溜滑現(xiàn)象，并將北坡分為I 區(qū)、III 區(qū)巖質(zhì)邊坡區(qū)及II 區(qū)滑坡區(qū)。

（3）北側(cè)邊坡I、III 區(qū)域內(nèi)，巖質(zhì)邊坡各結(jié)構(gòu)面傾角較大，左側(cè)后緣邊坡的L1、L2 均為外傾結(jié)構(gòu)面，不利于邊坡穩(wěn)定，L1、L2 與L3 節(jié)理切割形成楔形體，易發(fā)生崩塌破壞；II 區(qū)巖體中L1、L2、L3 均與坡面大角度相交，且傾向坡內(nèi)，穩(wěn)定性較好，巖質(zhì)邊坡后緣整體穩(wěn)定性較好，局部存在崩塌現(xiàn)象，且在I、II、III區(qū)后緣均有崩塌現(xiàn)象。

（4）北側(cè)邊坡I、III 區(qū)域在天然、暴雨、地震工況下的穩(wěn)定系數(shù)均大于1，表明均處于穩(wěn)定狀態(tài)；而II區(qū)巖質(zhì)邊坡在天然工況下已經(jīng)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨與地震工況下的穩(wěn)定系數(shù)均小于1，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要對邊坡采取治理措施；且由于北側(cè)邊坡均含有凝灰?guī)r，其巖質(zhì)較軟，遇水易軟化，需在設(shè)計、施工時對坡面進(jìn)行封閉，并采取截排水措施，避免表層基巖被雨水浸泡。