秦 瓊，王林涵，張炳楠，宋建斌

(1.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究勘查開發(fā)局六O七地質(zhì)隊(duì)， 重慶 404100;2.重慶交通大學(xué)， 重慶 400074)

1 問題的提出

重慶四山地區(qū)位于都市圈范圍的多條近南北向褶皺地帶平行山脈中，經(jīng)調(diào)查，過去30 a廢棄的露天石灰石礦達(dá)數(shù)百處，礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用給經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了強(qiáng)勁的動(dòng)力，但廢棄的石灰石礦坑影響了風(fēng)景名勝區(qū)的景觀環(huán)境。因此，如何對(duì)廢棄礦坑進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，特別是通過對(duì)礦坑邊坡的穩(wěn)定性理論分析進(jìn)行有效的加固是本文研究的主要問題。

銅鑼山是川東平行褶皺嶺谷區(qū)的第二條山脈，呈東北至西南走向，全長(zhǎng)260 km，寬5～10 km，一般海拔600～1000 m。七孔壩石灰石礦坑位于銅鑼山的南岸區(qū)段紅旗村內(nèi)，2001年開始開采，2017年4月停產(chǎn)，共生產(chǎn)了15 a，七孔壩石灰石礦的開采對(duì)重慶市基礎(chǔ)建設(shè)給予了有力的支持，但同時(shí)也破壞了生態(tài)環(huán)境，干擾當(dāng)?shù)鼐用裆?。七孔壩石灰石礦邊坡為人工爆破形成的邊坡，所以其比一般的巖質(zhì)邊坡在表面特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等地質(zhì)方面更加復(fù)雜，因此，需要針對(duì)特有的情況進(jìn)行特有的分析并進(jìn)行相應(yīng)的加固措施。

2 七孔壩石灰石礦邊坡基本特點(diǎn)

2.1 巖質(zhì)邊坡破裂面分類

巖石邊坡破裂面的形式主要分為層理、節(jié)理、解理、震動(dòng)開裂、風(fēng)化開裂、重力開裂等。

(1) 層理：沉積巖層內(nèi)部的成層性特征，是沉積物沉積時(shí)形成的。成層性體現(xiàn)為沉積物粒度不同，或?yàn)轭伾?、成分等不同，層理比較穩(wěn)定，明顯層理可以分為水平層理、斜層理、交錯(cuò)層理、波狀層理等多種類型，不同類型反映了沉積時(shí)的介質(zhì)(水、空氣)動(dòng)力條件。

(2) 節(jié)理：巖石在構(gòu)造力的作用下發(fā)生破裂，而且破裂面兩側(cè)的巖石沒有發(fā)生明顯位移的一種地質(zhì)構(gòu)造。如果兩側(cè)巖石發(fā)生明顯位移則為斷層。節(jié)理和斷層合稱為斷裂構(gòu)造。

(3) 解理：某些結(jié)晶礦物受外力后，會(huì)始終沿著一定方向發(fā)生破裂(即使受力方向不同，破裂面方向仍然相同)，并形成光滑破裂面的現(xiàn)象。原因是晶體礦物內(nèi)部格架中，某些方向化學(xué)鍵較薄弱，容易受破壞。當(dāng)然有些礦物有解理，有些則沒有。

(4) 震動(dòng)開裂：巖質(zhì)邊坡在各種震動(dòng)下引起的巖石與巖石之間的開裂。

(5) 風(fēng)化開裂：巖質(zhì)邊坡在太陽(yáng)輻射、大氣、水和生物作用下出現(xiàn)破碎、疏松及礦物成分次生變化等風(fēng)化現(xiàn)象引起的開裂。

(6) 重力開裂：由于巖質(zhì)邊坡上部結(jié)構(gòu)載荷過大引起的巖體內(nèi)部的開裂[1]。

2.2 七孔壩石灰石礦邊坡破裂面調(diào)查

七孔壩石灰石礦邊坡采礦區(qū)屬平行嶺谷丘陵地勢(shì)，溝谷及山脊展布與地層走向一致，皆呈北東南西向。地貌屬構(gòu)造剝蝕、溶蝕作用形成的低山地貌，地表無(wú)自然水體。礦區(qū)經(jīng)過多年的開采，形成了大量邊坡，坡高10～60 m，坡角30°～80°。邊坡基本成臺(tái)階狀分布，坡度較陡，屬崖壁類型，巖體遭多組裂隙切割呈碎塊狀，具有一定的整體性，發(fā)生坍塌可能性較小。由于層理、節(jié)理和開采破壞裂縫作用。淺層坡體受到較多切割，長(zhǎng)期風(fēng)化與地下水侵蝕下可能發(fā)生局部碎落坍塌。邊坡巖體由于礦區(qū)開挖時(shí)采取爆破的手段致使邊坡表面破壞松動(dòng)。由于斷裂面的切割，開挖后的工程邊坡局部巖體不甚穩(wěn)定。如圖1所示，除了巖體內(nèi)部層理、節(jié)理產(chǎn)生的自然斷裂外，爆破震動(dòng)產(chǎn)生的裂縫無(wú)處不在，尤其對(duì)巖體表面的整體性破壞較大，導(dǎo)致碎石落塊隨時(shí)會(huì)發(fā)生。

圖1 邊坡破裂面現(xiàn)狀

3 邊坡破壞形式

邊坡的破壞主要分為崩塌和滑坡兩種。

(1) 崩塌：可分為傾倒破壞和軟弱互層坡體的局部崩塌和墜落兩類。發(fā)生較為猛烈和突然，前期可預(yù)見性不強(qiáng)，一般易發(fā)生在高陡且裂隙較發(fā)育的邊坡。

(2) 滑坡：較崩塌發(fā)生緩和但規(guī)模較大，一般具備前期可預(yù)見性，是邊坡上層土體沿貫通的滑動(dòng)面在重力等因素的作用下向下滑動(dòng)的現(xiàn)象，滑坡主要分為三種類型：平面滑動(dòng)、楔形滑動(dòng)、圓弧滑動(dòng)。但一般發(fā)生在土質(zhì)邊坡，故不予贅述[2-3]。

4 七孔壩石灰石礦邊坡破裂性評(píng)價(jià)

4.1 破碎度評(píng)價(jià)指標(biāo)

邊坡破碎度評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有：破裂面的長(zhǎng)度、寬度、深度；破裂面的位置與走向；破裂面密集度；破裂面所在巖體土體類型。

(1) 破裂面的長(zhǎng)度、寬度、深度。破裂面的長(zhǎng)度、寬度、深度直接決定著邊坡的破裂程度與穩(wěn)定性，破裂面的長(zhǎng)度、寬度、深度越大，邊坡的破裂程度就越大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性就越不利。

(2) 破裂面的位置與走向。破裂面的位置和走向也是評(píng)價(jià)邊坡破裂性的一個(gè)重要因素，破裂面的位置距離巖體結(jié)構(gòu)面越近則越容易加快裂縫的發(fā)展和貫通，破裂面的走向與結(jié)構(gòu)面走向越接近，越容易產(chǎn)生合力效應(yīng)，導(dǎo)致邊坡的裂縫迅速發(fā)展和失穩(wěn)。

裂縫密度：

(1)

式中，ρ為裂縫密度；ls為單位面積裂縫長(zhǎng)度；li為i方向裂縫總長(zhǎng)度；S為測(cè)量面積。

裂縫方向因子：

(2)

式中，αE為裂縫水平方向因子；lEi為水平方向第i條裂縫長(zhǎng)度。

(3)

式中，αEN為裂縫靠右傾斜方向因子；lENi為靠右傾斜方向第i條裂縫長(zhǎng)度。

(4)

式中，αN為裂縫豎直方向因子；lNi為豎直方向第i條裂縫長(zhǎng)度。

(5)

式中，αWN為裂縫靠左傾斜方向因子；lWNi為靠左傾斜方向第i條裂縫長(zhǎng)度。

4.2 破碎度對(duì)邊坡穩(wěn)定度的折減

邊坡巖土體內(nèi)的應(yīng)力分布是決定邊坡變形破壞的主要機(jī)制。根據(jù)邊坡應(yīng)力的分布特點(diǎn)，裂隙面的周圍是一個(gè)應(yīng)力集中的地帶，是影響邊坡應(yīng)力分布的一個(gè)重要因素。由于應(yīng)力的重新分布和集中，打破了原來(lái)巖體中的應(yīng)力平衡，當(dāng)局部應(yīng)力集中超過了該部位巖體的容許強(qiáng)度時(shí)，則引起局部產(chǎn)生剪切錯(cuò)動(dòng)、拉裂，使巖體內(nèi)原有的裂隙進(jìn)一步延伸、擴(kuò)展，而發(fā)生邊坡變形。隨著邊坡變形的進(jìn)一步發(fā)展，裂隙面不斷擴(kuò)大，當(dāng)不斷擴(kuò)大的裂隙面相互貫通后，則使邊坡巖土體的一部分從坡體中分開，在一定的條件下發(fā)生較大的位移，從而產(chǎn)生破壞。所以裂縫密度越大，巖體越破碎，邊坡穩(wěn)定度越低。

一般來(lái)說(shuō)，邊坡水平裂縫方向因子越大，則邊坡傾覆穩(wěn)定性越差，越容易發(fā)生傾覆；邊坡豎直裂縫方向因子越大，則邊坡垮塌穩(wěn)定性越差，越容易發(fā)生垮塌。

根據(jù)破碎度評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)七孔壩石灰石礦邊坡A3區(qū)第一臺(tái)階邊坡800 m2范圍內(nèi)的破裂面密集度進(jìn)行評(píng)價(jià)。經(jīng)測(cè)量，該范圍內(nèi)水平方向裂縫總長(zhǎng)度ΣlEi約為900 m，垂直方向裂縫總長(zhǎng)度ΣlNi約為

1200 m，靠右傾斜方向裂縫總長(zhǎng)度ΣlENi約為800 m，靠左傾斜方向裂縫總長(zhǎng)度ΣlWNi約為700 m。

該施工技術(shù)是針對(duì)仿古屋面造型特殊而對(duì)防雷裝置進(jìn)行的改進(jìn)創(chuàng)新，以適應(yīng)古建筑造型的一種安裝方式。采用的避雷支架抱卡直徑需要加工成與屋面瓦片直徑一致，抱卡兩側(cè)設(shè)2個(gè)固定孔，在瓦片上畫出固定孔位，使用調(diào)速電鉆勻速地在瓦片上打出固定眼，使用長(zhǎng)為5cm的自攻螺絲及膨脹栓將其牢固地固定在瓦片上，將鍍鋅圓鋼放置在支架的固定端上，用螺栓將圓鋼擰緊。瓦屋脊避雷支架經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)，可承受＞50kN的垂直拉力，符合規(guī)范要求，滿足功能安全使用要求。完畢后使用透明耐候膠對(duì)開孔處進(jìn)行密封。

將以上數(shù)據(jù)分別帶入式(2)～式(5)中，得到αE=1.125/m，αEN=1.5/m，αN=1/m，αWN=0.875/m。

另Σli=ΣlEi+ΣlENi+ΣlNi+ΣlWNi，Σli=3600 m，則ρ=4.5/m。

由上述計(jì)算結(jié)果可得，該邊坡破裂面密集度很大，邊坡破壞很嚴(yán)重，邊坡豎直裂縫方向因子較大，邊坡垮塌穩(wěn)定性很差，很容易發(fā)生垮塌，必須采取相應(yīng)的加固措施。

5 加固方案分析

對(duì)于石灰石礦坑邊坡的加固提出了以下方案：

(1) 削坡減壓，清除浮石[5-6]：將最終開采段+50 m以上的不穩(wěn)定邊坡削緩，并將石灰石礦爆破開挖時(shí)造成的邊坡表面不穩(wěn)定浮石進(jìn)行清除。該方法工程量較大，浮石存在于整個(gè)邊坡范圍內(nèi)，清除范圍廣，且削坡工程量太大，作用不明顯。

(2) 以鉆孔抗滑樁為主，砂漿錨桿為輔：需要清理施工現(xiàn)場(chǎng)，購(gòu)買較大型的穿孔設(shè)備，施工難度大，準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)。

(3) 開采境外排水，破碎帶預(yù)注漿加固，表面進(jìn)行浮土處理：在采石場(chǎng)頂部，開采境界以外的合適位置設(shè)截水溝，將雨水阻擋在采石場(chǎng)外，防止雨水入滲、沖刷。將破碎帶進(jìn)行預(yù)注漿加固，降低巖體破碎度，鋪設(shè)浮土便于后期的種樹植草和礦坑的生態(tài)恢復(fù)[7-8]。

綜合分析，第3種方案相對(duì)于其他兩種方案更適合石灰石礦坑的生態(tài)修復(fù)。

6 結(jié) 語(yǔ)

(2) 裂隙對(duì)邊坡的影響往往不是獨(dú)立，而是與水相互作用，裂隙對(duì)水提供了滲透的空間，而水加強(qiáng)了對(duì)裂隙的風(fēng)化、侵蝕，從而降低了邊坡的穩(wěn)定性。共同考慮水與裂隙的因素，才能更加合理的評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，從而提出更加合理的加固措施。

(3) 對(duì)拉裂區(qū)坡體的3種加固方案進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明，開采境外排水，破碎帶預(yù)注漿加固，表面進(jìn)行浮土處理加固的方式對(duì)邊坡加固以及生態(tài)修復(fù)的效果最為明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭穎人,葉海林,黃潤(rùn)秋.地震邊坡破壞機(jī)制及其破裂面的分析探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009(08):1714-1723.

[2]胡 斌,冉秀峰,王 偉,等.黃山石灰石礦山臺(tái)階邊坡穩(wěn)定性分析[J].低溫建筑技術(shù),2016,38(5):117-119.

[3]廖珊珊,張玉成,胡海英.邊坡穩(wěn)定性影響因素的探討[J].廣東水利水電,2011(7):31-34,40.

[4]何思明,張曉曦,吳 永.基于上限定理的邊坡潛在破裂面確定方法與穩(wěn)定性判識(shí)研究[J].巖土力學(xué),2012(01):162-166.

[5]尚迎軍.某石灰石礦邊坡穩(wěn)定性影響因素分析與防治建議[J].采礦技術(shù),2012,12(4):25-26,115.

[6]郭明秀.黃山西石灰石礦邊坡穩(wěn)定性分析與保護(hù)措施[J].金屬礦山,2003(10):28-30.

[7]劉啟承.重慶市石灰石礦山開采生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制研究[J].能源與環(huán)境,2016(06):63-66.

[8]武青山,孫 蓉,張 翔,等.馬脊山石灰石礦山邊坡治理與設(shè)計(jì)[J].中國(guó)水泥,2008(4):82-85.