邊坡穩定性分析方法及治理措施研究

朱 剛

（貴州省有色金屬和核工業地質勘查局七總隊，貴州 貴陽 550000）

我國經濟的快速發展極大的推動了基礎的建設，這也帶動了礦產資源的大力開發。礦產資源在開發過程中，會形成不穩定的邊坡，在自然因素和人為因素的影響下，極可能造成邊坡滑坡現象的發生。近年來，礦山邊坡滑坡危害國家經濟損失和人民生命安全的事故屢見不鮮。因此，礦山邊坡的穩定性問題已逐漸成為熱點。

眾多學者針對該研究問題展開了研究，并取得了豐碩了成果。錢來來等[1]以某礦山邊坡工程為研究對象，在極限平衡法理論基礎上，通過PLAXIS 3D軟件建立三維礦山邊坡模型，并結合強度折減法求解了邊坡的穩定性安全系數；系統的研究了邊坡高度、邊坡坡度等因素的影響。雷遠見等[2]以陜西省巖質邊坡為工程案例，基于離散元的強度折減法，通過ABAQUS軟件模擬了巖質邊坡，獲得了邊坡的變形、位移增量、塑性區范圍等，對比不同自然因素下邊坡的穩定性。李帥[3]基于貴州地區礦山邊坡工程案例，通過數值模擬分析了礦山邊坡穩定性；研究表明該礦山邊坡處于不穩定狀態，并確立了雙排抗滑樁的支護方案能有效控制邊坡變形。王玉平等[4]通過整理不同的礦山邊坡案例，總結了不同類型的邊坡穩定性分析方法，歸納處了不同分析方法的優缺點。嚴立娥等[5]以山西省某煤礦工程為研究對象，基于強度折減法分析了降雨作用下巖質邊坡的穩定性；系統分析了不同降雨強度、降雨時長等因素下邊坡變形和穩定性影響規律。

本文以某地區的礦山邊坡工況為研究對象，首先通過剛體極限平衡法理論對該礦山邊坡的典型剖面1-1’進行穩定性計算，隨后建立了礦山邊坡三維模型，對不同影響因素進行參數分析，明確了聯合支護的支護效果。

1 工程概況

研究區地處貴州某礦區。地勢總體呈現出西高東低的特點。研究區為典型中低山剝蝕地貌，地表沖溝，陡坎非常發育，地形地貌復雜。地形最高點位于勘探區西北部山梁，標高1545m，最低點位于區中南邊緣溝谷底部，標高1163m，最大海拔高差為380m，一般相對高差介于190m～280m。

該地區氣象統計資料表明，該地常年溫度平均值為15℃，降雨主要發生在6～10月，降雨量多年平均值789.8mm，這5個月的降雨量超過全年的80%。降雨量最多和最少的年份分別為1983年和1996年，降雨量分別為1612.5mm和532mm。降雨量最多月份為1983年8月，達571.9mm。根據地勘資料，研究區所屬地區各層巖土的構成和特征分述如下：

（1）第四系全新統人工填土(Q4ml)。

雜填土①-1：填土顏色為雜色，主要由卵石、建渣、磚塊等組成，并含有粉粒和粘性土等，土質稍濕，結構松散，土層厚度多樣，層厚0.60m～3.00m。

（2）第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)。

粉質粘土②：土層顏色為黃褐色，略有光澤，韌性高，處于可塑狀態，干強度高，局部有少量砂粒，無搖振反應，研究區場地大面積分布，層厚0.80m～3.20m。

細砂③：土層顏色為黃褐和褐黃色，大部分土質稍濕，主要包含礦物顆粒等（石英和長石），松散，層厚為0.50m～1.80m。

粉質粘土④：土層顏色為灰褐和灰黑色，處于軟塑狀態，干強度中等，無搖振反應，韌性高，稍有光澤，含少量砂粒、圓礫或卵石，局部為富含輕微臭味的植物腐殖質，有機質含量1.7%～2.4%，該層以透鏡體賦存與卵石層中，場區內分布不均勻，層厚0.30m～3.20m。

（3）侏羅系中統沙溪廟組基巖(J2s)。

泥巖⑦：灰黃～棕紅色，粘土礦物，主要成分為粘土礦物，含有少量粒碎屑物（石英、長石等），巖層產狀為162°∠22°。

強風化泥巖⑦-1：巖層組織結構較為破碎，風化裂隙較為發育，節理很發育，巖芯破碎，巖層主要為碎塊狀和土狀，少部分為柱狀，裂隙面有鐵錳質銹斑，遇水軟化，厚度1.80m～3.10m。

中風化泥巖⑦-2：巖層風化裂隙發育，層理較為清晰，裂面平直，含少量灰白色和灰綠色礦物。巖芯主要呈短柱狀或長柱狀。

2 基于剛體極限平衡法穩定性分析

根據地質資料，本文研究對象選取了典型剖面1-1′。根據地勘報告中的土樣參數，并結合室內試驗數據，該剖面主要土層的天然狀態下粘聚力和內摩擦角分別為13.20kPa和18.0°，飽和狀態下粘聚力和內摩擦角分別為10.30kPa和14.50°。

《滑坡防治工程勘查規范》（DZ/T32864-2016）2.4.6條中對滑坡穩定狀態進行了分級，表1給出了具體分級指標。根據斜坡堆積體穩定性驗算，表2給出了1-1′在天然狀態和暴雨狀態下的計算成果。從表2中可以看出，天然狀態和強降雨（暴雨）狀態下穩定性安全系數分別為1.18和0.643，可見天然狀態和強降雨（暴雨）狀態下礦山邊坡分別處于穩定狀態和不穩定狀態。因此，需要采取相應的支護措施。

表1 滑坡穩定狀態分級

表2 經驗值穩定性驗算及推力計算成果匯總表

3 有限元模型建立

根據現場勘察資料，選擇鉆孔ZK02～ZK07的6口鉆孔的勘察結果為參照，利用數值軟件建立寬度為150m（Y方向）、長度70m（X方向）的三維礦山邊坡模型，模型底部邊界、四周邊界和表面邊界分別設置為固定約束、法向約束和自由邊界。聯合支護形式為抗滑樁+錨桿。

根據地勘報告，表3給出了最不利條件下巖土體的物理力學參數（降雨條件下）。

表3 計算參數

B型抗、E型和I型抗滑樁均為混凝土現場澆筑而成，其密度和彈性模量分別為26kN/m3和3×107kPa，泊松比0.2。B型、E型和I型抗滑樁的樁長分別為41m、31m和35m，B型、E型和I型抗滑樁的截面積分別為2×3m2、2.5×3.5m2和3×4m2。

錨桿材料密度為26kN/m3，彈性模量3×107kPa，水平和垂直間距分別為5m和3m。錨桿錨孔半徑為65mm，錨固長度9m，傾角為25°。

4 不同因素的影響分析

4.1 樁間距的影響

選取樁間距分別為3m、5m、7m和9m三種工況，表4分別給出了不同樁間距的位移最值和安全系數、B型抗滑樁彎矩極值、B型抗滑樁剪力極值。可以看出，樁間距的減小能使邊坡的穩定性增大，但樁間距進一步減小，這種效果逐漸減弱。同時樁間距的變化對抗滑樁結構的內力影響有限。本工程最合適的樁間距為5m。

表4(a) 不同樁間距的位移最值和安全系數

表4(b) 不同降雨時長的抗滑樁彎矩極值

表4(c) 不同降雨時長的抗滑樁剪力極值

4.2 錨固長度的影響

選取錨固長度分別為5m、10m、15m和20m三種工況。表5分別給出了不同樁間距的位移最值和安全系數、B型抗滑樁彎矩極值、B型抗滑樁剪力極值。可以看出，錨固長度的增加可以顯著的提升邊坡的穩定性，但錨固長度從15m加長到20m時，不能進一步提升錨固長度，這是由于抗滑樁的錨固長度遠超過滑動面的深度。但錨固長度的增大，會使得抗滑樁的內力顯著增大。本工程最合適的抗滑樁錨固長度為15m。

表5(a) 不同錨固長度的位移最值和安全系數

表5(b) 不同錨固長度的抗滑樁彎矩極值

表5(c) 不同錨固長度的抗滑樁剪力極值

5 聯合支護下邊坡的穩定性分析

圖1給出了聯合支護結構下的邊坡水平和豎向位移圖。如圖所示，邊坡的變形規律同抗滑樁支護結構下的變形規律一致。在抗滑樁+錨桿支護作用下天，礦山邊坡的水平位移和豎向位移峰值分別為8mm和9mm，抗滑樁+錨桿支護的邊坡變形較小。傾斜錨桿的作用更好的顯著了支護結構處土體的豎向位移。

圖1 抗滑樁支護下邊坡位移云圖

圖2給出了聯合支護下的邊坡位移增量云圖。圖3給出了相應的彈性點圖。如圖所示，聯合支護結構下的邊坡不存在潛在滑動面，可以判斷邊坡處于穩定狀態。此外，數值模擬結果顯示邊坡穩定性系數達到1.41，可見，聯合支護下該礦山邊坡從不穩定狀態轉為穩定狀態。

圖2 聯合支護下邊坡位移增量云圖

圖3 聯合支護下邊坡位移彈性點圖

6 結論

本文以某地區的礦山邊坡工況為研究對象，首先通過剛體極限平衡法理論對該礦山邊坡的典型剖面1-1’進行穩定性計算，隨后建立了礦山邊坡三維模型，對不同影響因素進行參數分析，明確了聯合支護的支護效果。主要有以下主要結論：

（1）基于剛體極限平衡法穩定性分析可知，滑坡體在考慮暴雨或強降雨影響時，滑坡體穩定性狀態為不穩定，存在進一步向下滑動的極大可能，需要采取相應的支護措施；

（2）在一定范圍內，減小樁間距和增加錨固長度可以有效的增大邊坡的穩定性。本工程最合理的樁間距為5m，最合理的錨固長度為15m；

（3）聯合支護結構下的邊坡不存在潛在滑動面，邊坡穩定性安全系數為1.35，邊坡整體處于穩定狀態。