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        采礦形成高陡邊坡穩(wěn)定性綜合分析方法研究
        ——以山西寧武某煤礦為例

        2020-12-29 10:14:10鐘鑫肖超吳大偉
        礦產(chǎn)勘查 2020年12期
        關(guān)鍵詞:赤平巖質(zhì)土質(zhì)

        鐘鑫,肖超,吳大偉

        (美麗華夏生態(tài)環(huán)境科技有限公司,北京 100176)

        0 引言

        露天礦的開(kāi)采,會(huì)形成眾多大小不一的巖質(zhì)邊坡或土質(zhì)邊坡,很多邊坡因開(kāi)采過(guò)程的不規(guī)范,對(duì)邊坡下部建筑或人員形成了不同程度的威脅。因此,對(duì)邊坡的穩(wěn)定性分析,是礦山地質(zhì)災(zāi)害治理工程設(shè)計(jì)工作中必不可少的組成部分,對(duì)其發(fā)育特征、破壞類(lèi)型、形成原因及穩(wěn)定性的研究具有十分重要的意義(馮君等,2005;汪旭濤等,2006;黃潤(rùn)秋等,1991;Wang Jun-Jie,2014),不穩(wěn)定邊坡形成原因和相關(guān)的影響因素有許多學(xué)者進(jìn)行過(guò)研究和探討(楊彪和李長(zhǎng)冬,2007;孫國(guó)富等,2003;陳從新等,2007;王建華等,2007;劉立平,2000)。

        赤平投影法是定性分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的方法之一,可以直觀的表明各組結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系,而巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性主要取決于巖體發(fā)育結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及其與邊坡的空間耦合關(guān)系(石根華,1977;孫玉科和古訊,1980)。合理使用赤平投影對(duì)項(xiàng)目區(qū)采礦形成的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,能夠?yàn)椴环€(wěn)定邊坡治理工程的實(shí)施提供參考。對(duì)于土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的方法有很多,其中瑞典條分法計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單,適用范圍較廣,因此多用于工程建設(shè)的穩(wěn)定性分析當(dāng)中?,F(xiàn)今邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析多利用分析軟件進(jìn)行,能夠大大提高工作效率,其中對(duì)土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析軟件種類(lèi)很多,理正邊坡穩(wěn)定性分析軟件簡(jiǎn)單易用,是眾多工程穩(wěn)定性的首選(王楊興和丘志楊,2020;鐘燕茹,2019)。

        本文就巖質(zhì)邊坡及土質(zhì)邊坡的邊坡工程實(shí)例,依據(jù)相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)赤平投影分析對(duì)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,同時(shí)輔以穩(wěn)定性公式計(jì)算的方式加以驗(yàn)證。利用理正巖土軟件對(duì)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析,得到不同工況下的穩(wěn)定性系數(shù),依照相關(guān)規(guī)范對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。針對(duì)巖質(zhì)及土質(zhì)兩種不同類(lèi)型的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià),以期為邊坡的穩(wěn)定性研究和治理提供數(shù)據(jù)支持。

        1 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

        1.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及依據(jù)

        用赤平投影法對(duì)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí),需首先假定邊坡巖體為剛性,僅考慮塊體滑動(dòng)力與抗滑力的作用,不考慮內(nèi)部塊體之間的應(yīng)變,并忽略外力作用。在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中,穩(wěn)定性由各結(jié)構(gòu)面的相互組合關(guān)系和結(jié)構(gòu)面間的摩擦力共同控制,當(dāng)結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面交線(xiàn)的走向與邊坡走向相反時(shí),邊坡一般較穩(wěn)定,當(dāng)兩者走向相對(duì)一致時(shí),則需通過(guò)二者的傾角進(jìn)行進(jìn)一步分析(陳奇珠和董翌為,2013;張水兵等,2000;榮富強(qiáng)等,2020;唐勝傳等,2018;張子新和孫鈞,2002;謝良甫,2018;劉才華和陳從新,2012;孫玉科等,1988;孫璐偉和宋蘭,2019)。對(duì)于邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià),可根據(jù)野外調(diào)查的邊坡發(fā)育情況及赤平投影分析可進(jìn)行定性-半定量的評(píng)價(jià)。

        表1 邊坡穩(wěn)定性野外判別表

        定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估規(guī)范》(DZ/T0286-2015)中對(duì)不穩(wěn)定斜坡的調(diào)查要求,從斜坡的高度、坡度、組成斜坡的巖性、地下水的發(fā)育程度、斜坡的變形破壞特征等定性分析不穩(wěn)定邊坡的穩(wěn)定性(表1)。

        根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第五版)(化建新和鄭建國(guó),2018)相關(guān)規(guī)定,對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行半定量的分析評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表(表2)。根據(jù)基巖節(jié)理裂隙發(fā)育特征參數(shù),將每一組地層層面、節(jié)理面、邊坡坡面進(jìn)行組合,若每組結(jié)構(gòu)面組合評(píng)定結(jié)果均為穩(wěn)定,則該邊坡評(píng)價(jià)為穩(wěn)定狀態(tài);若一些結(jié)構(gòu)面組合穩(wěn)定,另一些結(jié)構(gòu)面組合基本穩(wěn)定,則邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài);若有任一組不穩(wěn)定,則邊坡不穩(wěn)定。由此可以判斷出影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。

        1.2 案例分析

        某礦山地質(zhì)環(huán)境治理項(xiàng)目區(qū)內(nèi)存在多處不穩(wěn)定斜坡隱患點(diǎn),其中包括巖質(zhì)邊坡及土質(zhì)邊坡,其破壞形式主要以錯(cuò)斷式為主。根據(jù)野外勘查,勘查區(qū)內(nèi)高陡邊坡多為采礦開(kāi)挖形成的開(kāi)采創(chuàng)面,巖體結(jié)構(gòu)面較發(fā)育、巖體破碎,采坑西側(cè)出露煤層底板形成順向巖質(zhì)邊坡,采坑?xùn)|側(cè)頂板圍巖形成逆向巖質(zhì)邊坡。本文選取其中具有代表性的巖質(zhì)邊坡及土質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

        表2 邊坡穩(wěn)定性分級(jí)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

        勘查區(qū)的某巖質(zhì)邊坡YBP01 坡高18~36 m,坡寬59.35 m,坡向160°,坡度58°,為順向斜交坡,坡腳處坡度較緩,堆積少量廢渣,坡底無(wú)地表徑流,巖體干燥;坡體整體高陡,局部臨空,坡面裸露,坡體出露砂巖、炭質(zhì)頁(yè)巖,巖層節(jié)理裂隙發(fā)育。邊坡后緣未見(jiàn)裂縫發(fā)育,無(wú)積水。該邊坡巖層產(chǎn)狀:110°∠40°,巖層中兩組節(jié)理產(chǎn)狀分別為J1:210°∠65°和J2:170°∠50°,節(jié)理密度均為2~5 條/米。根據(jù)表邊坡穩(wěn)定性野外判別表的相關(guān)內(nèi)容,結(jié)合該巖質(zhì)邊坡的發(fā)育特征情況,可以初步定性分析該邊坡的穩(wěn)定性較差,但仍需要通過(guò)赤平投影法對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步分析。

        圖1 邊坡YBP01 赤平投影圖

        通過(guò)赤平投影示意圖(圖1)可以看出,該邊坡巖層面(C)傾向與坡面(P)傾向夾角為40°,屬于順向斜交坡,巖層面(C)的傾角(40°)小于坡面(P)的傾角(58°),巖層面(C)為基本穩(wěn)定;節(jié)理(J1)傾向與坡面(P)傾向夾角為50°,但節(jié)理(J1)傾角(65°)大于坡面(P)的傾角(58°),故節(jié)理(J1)屬于基本穩(wěn)定;節(jié)理(J2)傾向與坡面(P)傾向相近,夾角為10°,小于30°,同時(shí)節(jié)理(J2)傾角(50°)小于坡面(P)傾角(58°),因此節(jié)理(J2)為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面。

        巖層層理面(C)與節(jié)理(J1)的交割線(xiàn)傾向?yàn)?40°,與坡面(P)傾向夾角小于30°,交割線(xiàn)傾角(36°)小于坡面(P)傾角(58°),交割線(xiàn)方向不穩(wěn)定,巖層層理面(C)與節(jié)理(J2)的交割線(xiàn)傾向?yàn)?23°;與坡面(P)傾向夾角小于30°,交割線(xiàn)傾角(39°)小于坡面(P)傾角,交割線(xiàn)方向不穩(wěn)定;節(jié)理(J1)與節(jié)理(J2)結(jié)構(gòu)面的交割線(xiàn)傾向(152°)與坡面(P)傾向(160°)夾角為8°,小于30°,且交割線(xiàn)傾角(49°)小于坡面(P)傾角(58°),則兩節(jié)理的交割線(xiàn)方向不穩(wěn)定,同時(shí)兩節(jié)理交割線(xiàn)同赤平面圓心的連線(xiàn)位于節(jié)理(J1)與節(jié)理(J2)兩結(jié)構(gòu)面的傾向線(xiàn)之間,故節(jié)理(J1)與節(jié)理(J2)均為滑動(dòng)面,兩節(jié)理切割所致的巖塊,沿交割線(xiàn)同赤平面圓心的連線(xiàn)方向滑動(dòng),即交割線(xiàn)的傾向152°方向(表3)。

        表3 赤平投影產(chǎn)狀參數(shù)

        根據(jù)Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則,楔形體破壞(雙滑面)的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式為(張水兵等,2000):

        式(1)中,βj為結(jié)構(gòu)面交線(xiàn)的傾角,單位為(°);β0為楔形體的偏斜角,單位為(°);?為結(jié)構(gòu)面的夾角,單位為(°)。

        圖2 層理面C 與節(jié)理面J1及其交割線(xiàn)示意圖

        圖3 層理面C 與節(jié)理面J2及其交割線(xiàn)示意圖

        圖4 節(jié)理面J1與節(jié)理面J2及其交割線(xiàn)示意圖

        經(jīng)計(jì)算,層理及量組節(jié)理切割所致的巖體CJ1、CJ2、J1J2的穩(wěn)定系數(shù)均小于1,為不穩(wěn)定狀態(tài),與赤平極射投影法分析的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性情況一致。

        因此,可以判斷該巖質(zhì)邊坡坡面(P)、巖層層理面(C)及節(jié)理面(J1)切割組成的巖體基本穩(wěn)定;坡面(P)、巖層層理面(C)及節(jié)理面(J2)組合切割的巖體不穩(wěn)定;坡面(P)、節(jié)理面(J1)與節(jié)理面(J2)組合切割的巖體不穩(wěn)定(圖2~4)。綜上所述該巖質(zhì)邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

        2 土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

        2.1 計(jì)算方法

        以勘查區(qū)內(nèi)某土質(zhì)邊坡TBP01 的穩(wěn)定性分析為例,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,該邊坡為均質(zhì)土層或似均質(zhì)土層,其失穩(wěn)破壞時(shí),滑動(dòng)面往往呈圓弧形,或沿著土層與巖層的接觸面滑動(dòng),通過(guò)鉆孔勘查邊坡坡體中未見(jiàn)明顯面滑動(dòng)痕跡。因此,可適用理正巖土分析軟件對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析,利用程序自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑裂面,等厚土層穩(wěn)定計(jì)算。整體穩(wěn)定性采用瑞典圓弧滑動(dòng)條分法對(duì)坡體穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)而對(duì)不穩(wěn)定斜坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。圓弧滑動(dòng)法計(jì)算模型見(jiàn)圖5。

        穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式(徐金春,2010):

        其中,l為單個(gè)土條的滑動(dòng)面長(zhǎng)度,m;W為條塊重力,kN;ui為水位降落前堤身中的孔隙水壓力;β為條塊的重力線(xiàn)與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)半徑之間的夾角,度;Ccu、¢ cu為土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

        計(jì)算工況采用以下3 種:

        圖5 圓弧滑動(dòng)法計(jì)算模型圖

        工況1:自然工況,勘查期間的工況,荷載為滑坡體自重+地面荷載。

        工況2:地表水、地下水工況,這里指暴雨(100年一遇)條件下的工況,荷載為滑坡體自重+地面荷載+地下水靜水壓力或滲流壓力;對(duì)于工況2 條件下,暴雨在坡體內(nèi)不形成統(tǒng)一的地下水位線(xiàn),只造成坡體土體重度增加及抗剪強(qiáng)度的降低。

        工況3:地震工況,地震作用條件下的工況,荷載為滑坡體自重+地面荷載+地震力,對(duì)于工況3 條件下,據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》,寧武縣地震設(shè)防烈度為7 度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10 g。

        2.2 劃分標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算參數(shù)

        該土質(zhì)邊坡TBP01 主要成分為黃土狀粉土及殘積物碎石,邊坡最大坡高均在10 m 左右,主要威脅對(duì)象為坡下日常行人和施工期間的材料運(yùn)輸車(chē)輛,滑坡災(zāi)害發(fā)生時(shí)破壞后果不嚴(yán)重。根據(jù)邊坡?lián)p壞后可能造成的破壞后果的嚴(yán)重性、邊坡類(lèi)型和邊坡高度等因素綜合考慮,確定邊坡工程安全等級(jí)為二級(jí),根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013),邊坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分取值標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

        表4 邊坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分

        該土質(zhì)邊坡為均質(zhì)土層或似均質(zhì)土層,因此計(jì)算中將整個(gè)坡體視為整體。根據(jù)采取土樣測(cè)得《土分析成果報(bào)告》中的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,具體數(shù)值如表5。

        表5 邊坡土樣參數(shù)

        2.3 穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

        經(jīng)過(guò)理正邊坡穩(wěn)定性結(jié)果見(jiàn)表6。

        表6 圓弧滑動(dòng)法邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)

        綜合統(tǒng)計(jì)分析可知,土質(zhì)邊坡TBP01 在天然工況條件下處于穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨工況條件下坡體穩(wěn)定性降低,處于基本穩(wěn)定狀態(tài);地震作用對(duì)于坡體穩(wěn)定性影線(xiàn)較小,一般地震工況條件下,處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算驗(yàn)證可知,以黃土為主的采礦土質(zhì)邊坡在暴雨工況條件下坡體穩(wěn)定性降低,處于穩(wěn)定-基本穩(wěn)定狀態(tài),暫不需要采取相應(yīng)的工程措施進(jìn)行治理。

        3 結(jié)論

        (1)通過(guò)赤平投影法及理正邊坡穩(wěn)定性分析軟件的分析認(rèn)為該礦山巖質(zhì)邊坡YBP01 處于不穩(wěn)定狀態(tài),沿陡壁節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面發(fā)生邊坡失穩(wěn)的可能性大;土質(zhì)邊坡TBP01 在天然條件下穩(wěn)定,在暴雨及地震工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài),后期工程設(shè)計(jì)建議針對(duì)該處巖質(zhì)邊坡YBP01 采取削坡等工程手段經(jīng)行處理。

        (2)赤平投影法對(duì)于節(jié)理面清晰明確的巖質(zhì)邊坡,可以直觀體現(xiàn)出巖體中發(fā)育結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及其與邊坡的空間組合關(guān)系,從而快捷有效地對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定性-半定量分析評(píng)價(jià)。理正邊坡穩(wěn)定性分析軟件對(duì)于土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析,可以無(wú)已知滑動(dòng)面的情況下,通過(guò)相關(guān)力學(xué)性質(zhì)及參數(shù),推斷出最不利滑動(dòng)面,對(duì)于均質(zhì)或類(lèi)均質(zhì)坡體的穩(wěn)定性計(jì)算十分便捷、有效。

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