賀 超，鄒 平，王飛飛，劉正宇，孟中華

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基于極限平衡法的露天邊坡平面分析

賀 超1, 3，鄒 平2, 3，王飛飛2，劉正宇2，孟中華2

(1.萬寶礦產(chǎn)有限公司，北京 100053；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012；3.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

依托剛果金卡莫亞銅鈷礦區(qū)南II露天采場邊坡為具體工程實(shí)例，運(yùn)用極限平衡計(jì)算方法，研究了該露天采場邊坡的穩(wěn)定性，研究結(jié)果表明：在計(jì)算方案I～I(xiàn)II與IV～VI條件下，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)出依次降低的變化規(guī)律；A區(qū)與C區(qū)臺階高度為24 m的情況下，坡面角分別為60°～70°與60°～65°時(shí)，6種計(jì)算方案下邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會發(fā)生平面破壞；6種計(jì)算方案下邊坡的安全系數(shù)整體呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，自重(有張裂縫)+地下水+爆破振動力狀況對邊坡穩(wěn)定性影響最大，且張裂縫因素起主導(dǎo)作用。研究結(jié)果可以為類似工程提供參考。

邊坡工程；邊坡穩(wěn)定性；極限平衡；安全系數(shù)

0 引 言

巖質(zhì)邊坡中平面與楔體滑坡是一種十分常見的破壞模式，它既可以小規(guī)模發(fā)生，也可達(dá)到很大的規(guī)模。典型巖質(zhì)邊坡的平面破壞通常是指滑體沿邊坡傾向大致相近的單一滑面滑移?；婵梢允菐r體內(nèi)發(fā)育的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，如巖層層面、層間軟弱面、斷層和結(jié)構(gòu)面等[1]。

邊坡發(fā)生平面破壞的基本幾何條件為[2?5]：

(1) 滑動面的走向必須與坡面平行或接近一致，傾向與坡面基本一致；

(2) 破壞面必須在坡面出露，即破壞面傾角必須小于坡面的傾角；

(3) 破壞面的傾角必須大于該面的摩擦角；

(4) 巖體中必須存在對于滑動僅有很小阻力的解離面，它規(guī)定了滑動的側(cè)面邊界。另一種可能的情況是，破壞在穿過邊坡凸出“鼻部”的平面上發(fā)生。

露天邊坡穩(wěn)定性受巖性條件、巖體結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、邊坡形態(tài)、地震和爆破等多種因素控制，它們構(gòu)成一個(gè)相互聯(lián)系、相互影響的整體，其中任何一個(gè)因素的改變往往會導(dǎo)致其它因素發(fā)生改變，并引起邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)發(fā)生改變[6?7]。

1 南Ⅱ露采邊坡工程概況

根據(jù)卡莫亞銅鈷礦區(qū)南II露天采場實(shí)際情況，結(jié)合南II露采邊坡工程地質(zhì)分區(qū)主要依據(jù)“邊坡所處位置、邊坡高度、巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及與邊坡的組合關(guān)系”3大要素，將南II露天境界分為4個(gè)工程地質(zhì)區(qū)：A、B、C、D區(qū)，即北、東、南、西4個(gè)區(qū)。各分區(qū)的邊坡概況如表1所示。

表1 各工程地質(zhì)分區(qū)的邊坡概況

從表1可知，A區(qū)露采邊坡垂直高度較高，約為248 m。D區(qū)露采邊坡垂直高度較低，邊坡高度204 m。

卡莫亞銅鈷礦區(qū)南II露采邊坡A區(qū)內(nèi)白云巖巖組第一組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面、C區(qū)內(nèi)白云巖巖組第三組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面可能在臺階局部產(chǎn)生平面破壞；A區(qū)內(nèi)白云巖巖組第一、第二組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組合、C區(qū)內(nèi)白云巖巖組第二、第三組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組合可能產(chǎn)生楔體破壞。

從現(xiàn)場工程地質(zhì)踏勘情況來判斷，A、C區(qū)局部臺階上主要以兩組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的組合破壞為主，也就是楔體破壞，即上述白云巖巖組的兩組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組合形成的楔體破壞。臺階局部形成的平面破壞，主要發(fā)生在坡面凸出部位或可能形成楔體破壞的兩組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組合中一組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面已被剝離的部位。

2 平面破壞分析

2.1 分析原理

以安全系數(shù)為指標(biāo)進(jìn)行邊坡平面破壞的定量分析，安全系數(shù)的計(jì)算采用極限平衡的原理，分兩種情況進(jìn)行計(jì)算：坡頂或坡面是否存在張裂縫。計(jì)算模型如圖1所示。

(1) 無張裂縫時(shí)，安全系數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

(4)

(1) 有張裂縫時(shí)，安全系數(shù)計(jì)算公式為：

式中，為安全系數(shù)；為邊坡高度；為邊坡角度；為破壞面傾角；為水平地震加速度；為巖體容重；為水的容重；為破壞面以上巖石楔形體的重量；為楔形體的底面積；為破壞面上由水壓力引起的浮托力；為水在拉裂縫中引起的水平力；為沿滑動面的粘結(jié)力；為滑動面的內(nèi)摩擦角；為錨固系統(tǒng)施加的作用力；為錨桿的傾角。

2.2 計(jì)算分析方案

對南II露采邊坡結(jié)構(gòu)面進(jìn)行如下6種受力情況的分析：

I：自重(無張裂隙)+地下水狀況；

II：自重(無張裂隙)+地下水+爆破振動力狀況；

III：自重(無張裂隙)+地下水+地震力狀況；

IV：自重(有張裂隙)+地下水狀況；

V：自重(有張裂隙)+地下水+爆破振動力狀況；

VI：自重(有張裂隙)+地下水+地震力狀況。

根據(jù)以上6種工況，計(jì)算分析時(shí)白云巖巖組結(jié)構(gòu)面參數(shù)采用飽水狀態(tài)的數(shù)據(jù)。

2.3 結(jié)構(gòu)面參數(shù)選取

根據(jù)規(guī)范中巖體結(jié)構(gòu)面抗剪斷峰值強(qiáng)度建議[8?9]，綜合選取邊坡結(jié)構(gòu)面參數(shù)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)面參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

本次平面破壞分析主要考慮單個(gè)臺階和兩個(gè)臺階并段2種情況，且單個(gè)臺階坡面角與兩個(gè)臺階并段后的坡面角相同均為70°，臺階寬16 m，并考慮到坡頂有張裂縫存在。典型的平面破壞分析計(jì)算結(jié)果如表3與表4所示。

表3 A區(qū)邊坡臺階平面破壞分析結(jié)果

從表3可知，在同一種坡面角和同一種臺階高度條件下，計(jì)算方案I～V的安全系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。計(jì)算方案I的安全系數(shù)最大為2.661，計(jì)算方案V的安全系數(shù)最小為1.902。由此可知自重(有張裂隙)+地下水+爆破振動力狀況對邊坡穩(wěn)定性影響最大，因此要加強(qiáng)邊坡排水功能，采取措施預(yù)防邊坡有張裂縫，同時(shí)減弱爆破動力對邊坡穩(wěn)定性的影響。

表4 C區(qū)邊坡臺階平面破壞分析結(jié)果

在同一種坡面角和同一種計(jì)算方案條件下，I～I(xiàn)II計(jì)算方案下，不同臺階高度邊坡安全系數(shù)一致，臺階高度對邊坡安全系數(shù)沒有影響。在IV～VI計(jì)算方案下，不同臺階高度邊坡安全系數(shù)不一致，臺階高度對邊坡安全系數(shù)有影響。在IV～VI計(jì)算方案中，主要影響邊坡安全系數(shù)的因素是張裂縫，由此可知張裂縫對邊坡穩(wěn)定性有較大的影響。

在同一種計(jì)算方案和同一種臺階高度，I～I(xiàn)II計(jì)算方案下，不同臺階高度邊坡安全系數(shù)一致，說明坡面角對邊坡安全系數(shù)影響較小。在IV～VI計(jì)算方案下，不同臺階高度邊坡安全系數(shù)不一致，邊坡角對邊坡安全系數(shù)有影響。在IV～VI計(jì)算方案中，主要影響邊坡安全系數(shù)的因素是張裂縫，由此可知張裂縫對邊坡穩(wěn)定性有較大的影響。

A區(qū)臺階高度為12 m的情況下，坡面角60°～75°時(shí)，6種受力情況邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會發(fā)生平面破壞；A區(qū)臺階高度為24 m的情況下，坡面角60°～70°時(shí)，6種受力情況邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會發(fā)生平面破壞；坡面角75°時(shí)，邊坡的安全系數(shù)小于許用安全系數(shù)且大于1，邊坡臺階處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

C區(qū)臺階高度為12 m的情況下，坡面角60°～75°時(shí)，6種受力情況邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會發(fā)生平面破壞；C區(qū)臺階高度為24 m的情況下，坡面角60°～65°時(shí)，六種受力情況邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會發(fā)生平面破壞；坡面角70°～75°時(shí)，邊坡的安全系數(shù)小于1，邊坡臺階將發(fā)生平面破壞。

表4計(jì)算結(jié)果與表3計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)出的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律相似。

3 結(jié) 論

依托剛果金卡莫亞銅鈷礦區(qū)南II露天采場邊坡為具體工程實(shí)例，運(yùn)用極限平衡計(jì)算方法，分析了該露天采場邊坡的穩(wěn)定性，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 在計(jì)算方案I～I(xiàn)II與IV～VI條件下，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)出依次降低的變化規(guī)律。

(2)A區(qū)與C區(qū)臺階高度為24 m的情況下，坡面角分別為60°～70°與60°～65°時(shí)，6種計(jì)算方案下邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會發(fā)生平面破壞。

(3) 6種計(jì)算方案下邊坡的安全系數(shù)整體呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，自重(有張裂縫)+地下水+爆破振動力狀況對邊坡穩(wěn)定性影響最大，且張裂縫因素起到主導(dǎo)作用。

[1] 長沙礦山研究院有限責(zé)任公司,萬寶礦產(chǎn)有限公司.剛果(金)卡莫亞銅鈷礦區(qū)南II露天采場邊坡優(yōu)化研究[R].長沙:長沙礦山研究院有限責(zé)任公司,2018.

[2] 孫玉科,牟會寵,姚寶魁.邊坡巖體穩(wěn)定性分析[M].北京:科學(xué)出版社,1988.

[3] 王紅梅.巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析評價(jià)研究[D].西安:煤炭科學(xué)研究總院西安分院,2004.

[4] 張國祥,劉寶琛.潛在滑移面理論及其在邊坡分析中的應(yīng)用[M]. 長沙:中南大學(xué)出版社,2003.

[5] 祝玉學(xué).邊坡可靠性分析[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1993.

[6] 孟中華,郝立輝,鄒 平,等.七寶山金礦排土場穩(wěn)定性分析[J]. 采礦技術(shù),2018,18(04):43?46.

[7] 肖 猛,蘇吉平,王 磊.多種支護(hù)形式滑坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[J].采礦技術(shù),2018,18(03):33?35.

[8] GB50287-2016.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[9] GB 50218-2014.工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)[S].

賀 超(1983—)，男，甘肅嘉峪關(guān)人，工程師，在讀碩士，主要從事采礦與資源估算方面的研究，Email：51268725@ qq.com。

(2018?10?27)