單斜地層條件下石灰巖礦山高陡邊坡穩定性探索

崔慶寶，文旭忠，張文照，袁江，楊祥飛

（中國建筑材料工業地質勘查中心四川總隊，成都 610000）

1 引言

從目前國內外已經形成的石灰巖礦山高陡邊坡情況來看，其普遍特征包括邊坡高度大、坡度大、邊坡角大、地質條件認知存在局限性等。在礦山開采作業過程中，影響高陡邊坡穩定性的主要因素包括自然因素與人為因素兩方面。其中，自然因素的影響主要與巖體結構面有關，其發育情況決定了邊坡內部變形面，直接影響著邊坡穩定性。此外，地震、暴雨等自然災害也會影響高陡邊坡的穩定性。人為因素主要是礦山開采作業，如爆破等作業活動會產生較強烈的震動，從而造成高陡邊坡失穩。考慮高陡邊坡穩定性對礦山開采作業以及生產安全的重要影響，有必要對此進行深入研究與分析，以期為高陡邊坡加固治理提供參考。

2 項目概況

某石灰巖礦山礦區面積約1.092×109m2，生產規模約3.5×105t/a，礦區所處區域多斜坡地、小山丘，地勢整體呈東南—西北走向，地表槽谷、巖槽較發育。礦區海拔最高處為南北山坡，海拔高度為648 m，最低處為西北側，海拔高度515 m，相對高差133 m。礦區屬于丘陵地貌，土層厚度在0.2~0.5 m，山坡植被覆蓋率較高，坡角大致在5°~40°，洼地多為旱地。礦區所處區域為亞熱帶氣候，全年降水豐富，尤其是秋季，且為持續降雨。礦山地層主要為石灰巖，出露地表最大厚度為195 m，最小為120 m，礦山主要開采的是出露石灰巖。地質勘察報告顯示，礦區所處區域屬于單斜地層層狀結構，可見裂隙、節理發育，巖體由層面巖以及巖層組合控制，開采作業對邊坡巖層整體性的破壞較大，邊坡滑移風險較高。

3 邊坡穩定性分析

3.1 分析工具

本文采用FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）軟件作為分析工具。該軟件是專門針對連續介質巖土數值進行模擬分析的軟件，在巖土工程領域被廣泛應用，其可以計算模擬三維巖土體以及相關工程結構中的受力與變形情況。該軟件的優勢在于分析過程采用混合離散法，在模擬介質塑性流動方面準確性較高；求解過程采用的是顯式差分法，運算時間短、效率高，在模擬動態系統方面具有顯著優勢[1]。FLAC3D軟件運算求解流程如圖1 所示。

圖1 FLAC3D軟件運算求解流程圖

3.2 分析方法

本文采用的分析方法為強度折減法，其優勢主要表現在以下方面：（1）針對復雜性較高的地質條件，可以對邊坡進行相關計算；（2）對邊坡進行相關計算的同時可以兼顧巖土本構關系、變形產生的應力等因素；（3）可以對邊坡破壞的過程進行數值模擬，并通過計算位移增量確定滑移面位置以及基本形狀；（4）制訂邊坡加固方案時，可以計算模擬支護結構、巖土體相互作用情況；（5）可以利用安全系數求解判斷當前邊坡是否穩定，不必條分滑移面，也不必假設邊坡滑移面基本形狀。

3.3 分析結果

目前，判斷礦山高陡邊坡是否失穩主要有以下3 種方式：（1）查看高陡邊坡模擬分析結果是否收斂；（2）查看高陡邊坡模擬分析結果中塑性區云圖是否處于貫通狀態；（3）查看坡面是否出現位移突變。本文將該礦山邊坡分為3 部分，采用第一種判斷方式，分析結果如下：

1）Ⅰ邊坡最小應力為4.67 kPa，隨邊坡高程變化最小應力無明顯變化；最大應力為25.99 kPa，二者均集中于邊坡表面，且均屬于拉應力，表明邊坡應力呈不均勻分布。邊坡應力集中狀態下，水平方向與豎直方向上各個臺階均發生位移，水平最大位移為8.01 m，最小位移為0.02 m，整體上隨邊坡高程變化呈先增大后減小趨勢；豎直方向最大位移為8.18 m，最小位移為0.50 m，整體上隨高程變化呈逐漸增大趨勢，這表明邊坡有相對滑動的風險，穩定性較差。

2）Ⅱ邊坡最小應力為30.34 kPa，隨邊坡高程變化無較大變化；最小應力為66.14 kPa，二者均集中于邊坡臺階上，且均屬于拉應力，這表明邊坡應力呈不均勻分布。邊坡應力集中狀態下，水平方向與豎直方向上各個臺階均發生位移，水平最大位移為7.63 m，最小位移為0.14 m，整體上隨邊坡高程變化呈先增大后減小趨勢；豎直方向最大位移為9.11 m，最小位移為0.80 m，整體上隨高程變化呈逐漸增大趨勢，這表明邊坡有相對滑動風險，處于不穩定狀態。

3）Ⅲ邊坡最小應力為3.28 kPa，隨邊坡高程變化其變化較小，僅在靠近邊坡內部區域呈逐漸增大趨勢，最大應力為22.48 kPa，在靠近邊坡內部區域其呈逐漸減小趨勢。邊坡應力主要集中于臺階上，應力分布不均勻，滑移風險較大。邊坡應力集中狀態下，水平方向與豎直方向上各個臺階均發生位移，水平最大位移為2.67 m，最小位移為0.76 m，整體上隨邊坡高程變化呈先增大后減小趨勢，形成了一個較大的相對滑動面；豎直方向最大位移為4.90 m，最小位移為0.50 m，整體上隨高程變化呈逐漸增大趨勢，在邊坡中部存在相對滑動面，這表明邊坡有相對滑動的風險，處于欠穩狀態。

通過對3 段邊坡進行分析，發現其均處于不穩定狀態，存在較大的滑移風險，安全系數不符合GB 51016—2014《非煤露天礦邊坡工程技術規范》中的相關規定，因此，需要采取加固治理措施，以提高邊坡穩定性。

4 邊坡位移監測

4.1 監測方案

4.1.1 監測裝置

選擇地表埋樁的方式對邊坡位移進行觀測記錄，監測設備采用TCA2003 全站儀。監測樁采用鋼筋混凝土結構，混凝土為C20，監測樁高為1.0 m，地下部分為0.8 m，地上部分為0.2 m，底面為0.6 m×0.6 m，頂面為0.3 m×0.3 m。

4.1.2 方案設計

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ邊坡共計18 個臺階，每個臺階設置1 個監測點樁，檢測樁位于臺階中部，在網平差3~5 個控制點上安置全站儀，同時將反射棱鏡安置在帶有強制對中器的混凝土觀測樁上，因為邊坡巖體地面上的位移主要表現在水平方向上的位移，因此，本文僅考慮水平方向位移，不考慮高程位移。

為總結分析邊坡位移規律，設計監測周期為1 a，監測期間每個監測點監測頻率為1 次/月，考慮到冬季封凍、夏季強降雨、春季解凍以及變形情況等因素，適當增加監測次數，共計年監測16 次[2]。在監測過程中要注意做好數據記錄，由于影響邊坡應力、位移變化的因素較多，如天氣變化、季節變化、爆破作業等，均會影響到邊坡穩定性，因此，在監測過程中要注意判斷對邊坡穩定性影響最大的因素，并進行重點監測，從而判斷邊坡位移趨勢，為制訂加固治理方案提供參考依據。

4.2 監測結果

根據監測結果顯示，Ⅰ邊坡水平方向最大位移發生在標高531 m 位置，位移量為6.85 m，最小位移發生在標高521 m 位置，位移量為0.84 m；豎直方向最大位移發生在標高552 m 位置，位移量為8.20 m，最小位移發生在標高511 m 位置，位移量為0.87 m。Ⅰ邊坡監測結果與軟件數值模擬分析結果接近，誤差在允許范圍內，表明軟件數值模擬分析結果可靠、合理。Ⅰ邊坡切實存在滑坡風險，應進行加固處理。Ⅱ邊坡水平方向最大位移發生在標高511 m 位置，位移量為7.10 m，最小位移發生在標高562 m 位置，位移量為3.68 m；豎直方向最大位移發生在標高561 m 位置，位移量為9.13 m，最小位移發生在標高521 m 位置，位移量為1.5 m。Ⅱ邊坡監測結果與軟件數值模擬分析結果接近，誤差在允許范圍內，表明軟件數值模擬分析結果可靠、合理，Ⅱ邊坡切實存在滑坡風險，應進行加固處理。Ⅲ邊坡水平方向最大位移發生在標高551 m 位置，位移量為2.26 m，最小位移發生在標高521 m 位置，位移量為0.44 m；豎直方向最大位移發生在標高571 m 位置，位移量為4.90 m，最小位移發生在511 m 位置，位移量為0.68 m。Ⅲ邊坡監測結果與軟件數值模擬分析結果接近，誤差在允許范圍內，表明軟件數值模擬分析結果可靠、合理。Ⅲ邊坡切實存在滑坡風險，應進行加固處理。

5 邊坡加固措施

5.1 加固方案

針對本項目中高陡邊坡實際情況，考慮采用4 種加固處理措施，分別是疏水排干技術、削坡減載技術、錨固技術以及抗滑樁技術。

1）疏水排干技術。造成邊坡滑移的主要因素是水，由于巖層含水量較高，巖體內部滲透量較小，因此，直接影響邊坡穩定性，采用疏水排干技術可以及時排泄掉地下水，以降低水壓力，進而提高巖體強度，以達到穩定邊坡的效果。

2）削坡減載技術。該技術主要是對邊坡滑移面中上部分進行削減，以阻止巖體下滑，同時也能縮小坡角，削減的巖土全部堆積于滑移面下方，以提高其抗滑性能，從而防止邊坡滑移，提高邊坡穩定性。

3）錨固技術。錨固技術可以在承擔邊坡巖體不能接受的下滑助推力的同時，通過灌注混凝土漿與巖土體構成一個完整性較好的整體，其形成的力學體系可以加大巖土體力學性能，提高巖土體穩定性[3]。

4）抗滑樁技術。該技術適用于滑移面巖體厚度小、完整性好以及滑移面單一的情況，在巖體內部埋設抗滑樁使其與巖體構成一個整體，利用抗滑樁將滑移面產生的力傳遞至穩定巖體當中，從而達到穩定邊坡的效果。

5.2 加固效果

對本項目中高陡邊坡進行加固處理后，持續監測邊坡位移情況。監測結果顯示，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ邊坡水平位移量與豎向位移量均顯著降低，達到毫米級，表面加固方案設計科學合理，4 種加固技術均取得了良好效果，邊坡穩定性顯著提升，可以有效保障礦山開采作業正常進行，降低了開采作業風險。

6 結語

綜上所述，采用FLAC3D 軟件對高陡邊坡穩定性進行了數值模擬分析，同時對礦山高陡邊坡位移情況進行了監測，通過比對數值模擬結果與監測結果，驗證了軟件數值模擬具有可靠性、合理性，確認該邊坡穩定性較差，存在滑移風險，基于此提出了4 種加固處理措施，通過監測發現加固效果良好。