連海波，毛正君，袁官思龍

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，石材的需求量急劇增加，采石場數(shù)量激增，由此產(chǎn)生了大量的廢棄采石場。據(jù)統(tǒng)計，至2010 年廣東省總計約13 000 個采石場，浙江省采石場5000 多個[1]。目前，礦山開發(fā)造成了大量的廢棄采石場邊坡，其治理措施大致分為4 類：對地表水、地下水采用排水疏干的方法、緩坡清理法和減重壓腳法來減小坡體下滑力和增大抗滑力措施，邊坡加固技術(shù)及周邊爆破技術(shù)[2]。廢棄采石場邊坡治理不僅要考慮地質(zhì)災(zāi)害隱患的消除，還要考慮生態(tài)環(huán)境的修復(fù)[3]。如今，我國對廢棄采石場修復(fù)治理的問題越來越重視，眾多學(xué)者開展了相關(guān)研究[4]。黃齊等[5]通過現(xiàn)場調(diào)查、勘探及室內(nèi)試驗，提出采石場不穩(wěn)定邊坡和礦區(qū)堆積廢碴應(yīng)采用“削高填低”的工程治理方案，坡面采用植被技術(shù)的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理方案；席文明等[6]采用植被混凝土生態(tài)防護技術(shù)、新型復(fù)合生態(tài)護坡工程技術(shù)，對高陡巖質(zhì)邊坡的綠化進行了評價；沈俊等[7]采用工程類比法和經(jīng)驗法，對失穩(wěn)巖質(zhì)邊坡采取了預(yù)應(yīng)力錨索、自鉆式錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土聯(lián)合加固的措施；王燾等[8]針對渭北廢棄采石礦山，提出坡面危巖塊體清理、刷坡、坡面復(fù)綠等措施。

邊坡治理效果評價常采用解析法[9]、變形監(jiān)測法[10]、數(shù)值模擬法等。解析法一般只適用于連續(xù)介質(zhì)巖體，以及邊界與受力條件比較簡單的情況[11]，其通常不能精確確定最危險滑動圓弧的圓心位置，有時會出現(xiàn)穩(wěn)定系數(shù)偏差較大的情況，從而影響邊坡穩(wěn)定性的判斷[12]。變形監(jiān)測法多為點狀監(jiān)測，無法實現(xiàn)長距離大面積監(jiān)測，存在監(jiān)測盲區(qū)，增加監(jiān)測點數(shù)雖然可靠性有所提高，但工作量倍增，況且監(jiān)測點數(shù)的增加也會影響巖土體的整體性和結(jié)構(gòu)安全[13]。與解析法、變形監(jiān)測法相比，數(shù)值模擬可反映較為真實的工程條件，且需要的人力和財力更少、研究周期更短、靈活性和方便性更大[14]。因此，眾多學(xué)者利用數(shù)值模擬方法對邊坡治理效果進行分析驗證：潘長勝等[15]采用極限平衡法和FLAC3D數(shù)值模擬法對邊坡治理前后的穩(wěn)定性進行了計算分析，表明治理措施使坡體位移得到了有效控制；楊天鴻等[16]應(yīng)用數(shù)值模擬方法介紹了撫順西露天礦北幫邊坡治理工程及效果；柏淼[17]采用MIDAS/GTS 軟件模擬工程情況，論證了衡重式擋墻治理方案的可行性；張文華等[18]借助ANSYS 軟件，對采用小型抗滑樁治理后的邊坡進行數(shù)值模擬，分析了抗滑樁治理邊坡的效果。

本文以潼關(guān)金礦區(qū)廢棄采石場邊坡為例，結(jié)合其工程地質(zhì)條件，依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查資料，利用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件，對治理前后的邊坡進行了穩(wěn)定性分析與計算，為類似礦區(qū)廢棄采石場邊坡治理提供參考。

1 工程概況

1.1 廢棄采石場工程地質(zhì)條件

廢棄采石場地處小秦嶺太華臺拱與汾渭斷陷結(jié)合部，在新構(gòu)造運動的作用下，山前斷裂發(fā)生間歇性強烈抬升，山麓沖洪積扇群疊覆，長期遭受剝蝕夷平，形成了現(xiàn)代地質(zhì)地貌景觀，地層主要由第四系耕土、廢石碴、粉質(zhì)黏土、漂卵石、碎石土和燕山期花崗巖組成。廢棄采石場周邊溝道主要為潼峪河沖洪積物，漫灘上為大小不一的漂卵石，不利于植被發(fā)育；階地表層以粉質(zhì)黏土或含碎石粉質(zhì)黏土為主，主要為村民耕地，植被較發(fā)育，種植花椒樹或小麥；溝道兩側(cè)山體植被發(fā)育，主要為矮小灌木。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306?2001），治理區(qū)所在區(qū)域地震動峰值加速度為0.2 g，潼關(guān)縣抗震設(shè)防烈度為8 度，地震反應(yīng)譜特征周期為0.35 s[19]。

1.2 廢棄采石場邊坡基本特征

廢棄采石場邊坡整體形態(tài)呈簸箕形分布，上窄下寬，順坡長約200 m，平均寬120 m，堆積物厚度約2.0～14.0 m，占地面積約41 500 m2，廢石量約100 000 m3，堆積坡度36°，堆積時間約15 a。由于采石場在坡腳處開山取石，形成臨空面，造成坡體頂部表層堆積層發(fā)生滑塌，滑塌平均厚度為1.5 m。堆積物沿斜坡自然隨意堆積，無任何防護措施。斜坡表層開挖及碴堆堆積造成坡體植被基本全部破壞。表層堆積物為第四系全新統(tǒng)人工堆積（Q4ml），主要由采石場廢石碴組成，呈黃褐色、灰褐色，一般粒徑為50～150 mm，最大粒徑為300 mm，棱角狀，松散-密實狀態(tài)。部分地段角礫、粉質(zhì)黏土充填，有結(jié)塊。該層主要分布在治理區(qū)中部東側(cè)坡體上和新民溝溝口部位，厚度約2.2～14.2 m?；鶐r為花崗片麻巖，主要出露于峪道與山體接觸部位，本層未揭穿，呈肉紅色、深灰色和灰黑色，色雜，硬質(zhì)巖較完整，塊體結(jié)構(gòu)，太古界太華群花崗片麻巖（Ar2D），中等-弱風(fēng)化，巖芯呈短柱狀、柱狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育。造巖礦物為花崗石、長石、云母和角閃石等[20]。

2 廢棄采石場邊坡治理措施及數(shù)值模擬

2.1 治理措施

首先，對廢石碴堆進行清理，在邊坡坡腳處設(shè)置攔碴擋墻，在上部地形陡峭可能發(fā)生崩塌的部位設(shè)置主動柔性防護網(wǎng)，防護網(wǎng)與墊墩錨桿防護結(jié)合，鋼繩錨桿與壓力注漿錨桿綁扎連接，若邊坡巖層破碎、松散，鋼繩錨桿可加長；整個坡體坡比為1:1.20，分10 級放坡開挖，每級坡高15 m，坡腳均設(shè)3.0 m 寬平臺；攔碴擋墻采用M10 漿砌片石砌筑，石料強度等級不應(yīng)低于MU30；基礎(chǔ)埋置深度不得小于1.0 m，以漂石、卵石或碎石為持力層，片石厚度不得小于200 mm，砌筑時應(yīng)分層錯縫，不得有垂直通縫，外露面用M7.5 砂漿勾縫。清理的廢棄松散堆積物及碴體，用于下方河道的整治及土地復(fù)墾[20]。治理工程剖面如圖1 所示。

圖1 廢棄采石場及堆碴治理工程剖面

2.2 模型建立

根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖，建立邊坡三維模型。從圖1 可以看出，廢棄采石場原始邊坡分為上下兩層，表層為廢石碴及堆積物，下層為基巖，因此邊坡三維模型分上下兩層。巖體采用彈塑性材料，選用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則。原始邊坡計算模型如圖2 所示，模型尺寸長度取323.2 m，寬為60 m。邊坡治理后的模型如圖3 所示，坡腳處紅色部分為攔碴擋墻模型，該邊坡模型的攔碴擋墻采用實體單元模擬，坡頂處采用cable 單元模擬主動柔性掛網(wǎng)。模型底部邊界固定x、y、z3 個方向的位移，邊坡模型前后邊界固定x方向位移，邊坡模型左右兩側(cè)邊界固定y方向位移，模型邊界為自由邊界[21]。

圖2 原始邊坡計算模型

圖3 治理后的邊坡計算模型

模型網(wǎng)格劃分采用六面體，原始邊坡模型共84 423 個單元，71 205 個節(jié)點，治理后的邊坡模型共76 737 個單元，64 469 個節(jié)點。

2.3 參數(shù)選取

模型的建立需要進行本構(gòu)模型以及相關(guān)參數(shù)的確定，根據(jù)地質(zhì)勘察報告和試驗結(jié)果并結(jié)合以往的地質(zhì)資料，不考慮降雨和地表水的入滲。本例中，巖土體采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，主動柔性防護網(wǎng)采用cable 結(jié)構(gòu)單元，攔碴擋墻采用實體單元并賦予彈性本構(gòu)模型進行模擬。各材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1 和表2。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

表2 主動柔性網(wǎng)cable 單元參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 邊坡治理前數(shù)值模擬結(jié)果分析

（1）邊坡治理前的最小主應(yīng)力云圖如圖4 所示。由圖4 可以看出，原始邊坡的最小主應(yīng)力分布特征與一般斜坡應(yīng)力場特征一致，主要受到重力場控制，最小主應(yīng)力跡線與坡面平行，且在坡面出現(xiàn)了小范圍的拉應(yīng)力分布。

圖4 邊坡治理前的最小主應(yīng)力分布云圖

（2）邊坡治理前的最大剪應(yīng)變增量云圖如圖5 所示。剪應(yīng)變增量多集中在坡面和坡腳的堆積物部分，坡肩處剪應(yīng)變增量很小。通常來說，剪應(yīng)變增量集中的范圍是坡體在剪應(yīng)力作用下最可能發(fā)生破壞的薄弱部位，這也說明了清理坡面堆積物的必要性。

圖5 邊坡治理前剪應(yīng)變增量分布云圖

（3）邊坡治理前的位移云圖如圖6 所示。由于基巖部分為花崗片麻巖，屬于巖質(zhì)邊坡，穩(wěn)定性非常好。從模擬結(jié)果來看也是如此，其下部基巖部分沒有出現(xiàn)峰值區(qū)域，表明基巖沒有發(fā)生位移，處于穩(wěn)定狀態(tài)。同時，坡肩部位相較于坡面和坡腳位移很小。但是坡面堆積體部分出現(xiàn)大量紅色區(qū)域，表明坡面堆積物有滑動的可能，再次說明對廢石碴堆積物進行清理十分有必要。

圖6 邊坡治理前位移分布云圖

3.2 邊坡治理后數(shù)值模擬結(jié)果分析

（1）邊坡治理后最小主應(yīng)力云圖如圖7 所示，從圖7 可以看出，滑坡治理后應(yīng)力場仍受到重力場控制，與圖4 相比，坡體表面的拉應(yīng)力分布消失，表明治理措施有效地改善了坡面的應(yīng)力狀態(tài)。

圖7 邊坡治理后的最小主應(yīng)力分布云圖

（2）邊坡治理后剪應(yīng)變增量分布云圖見圖8。由圖8 可知，坡腳在攔碴擋墻的作用下，剪應(yīng)變增量集中的現(xiàn)象大幅改善，雖然坡體仍有剪切變形，但主要分布在攔碴擋墻后，與圖5 相比，最大剪應(yīng)變增量的分布范圍和數(shù)值都明顯減小，說明在采取了組合治理措施之后，坡體的穩(wěn)定性有了較大提升，放坡開挖和堆積物清理消除了廢石碴滑落的隱患，對承災(zāi)體潼洛公路起到了保護作用，但治理后期應(yīng)加強對坡腳的監(jiān)測。

圖8 邊坡治理后剪應(yīng)變增量分布云圖

（3）對比圖6 的模擬結(jié)果，從圖9 可以看出，邊坡位移量明顯降低，云圖紅色區(qū)域消失，峰值出現(xiàn)在坡腳處橙色區(qū)域，數(shù)值由坡面向坡內(nèi)逐漸減小，沒有出現(xiàn)明顯的滑動面，邊坡穩(wěn)定性提高。由坡面中部紅色區(qū)域的消失可以看出，邊坡進行開挖放坡后提高了邊坡的穩(wěn)定性。

圖9 邊坡治理后位移分布云圖

最后，對比分析邊坡治理前后的安全系數(shù)。地質(zhì)勘查報告中，含有廢石碴堆積物的坡面只考慮自重作用條件，用理正軟件進行計算得到安全系數(shù)為1.24，穩(wěn)定性評價結(jié)果為穩(wěn)定[19]，用FLAC3D強度折減法計算得到的結(jié)果為1.387，兩結(jié)果相差不大，表明分析結(jié)果是合理的。治理后計算得到邊坡的安全系數(shù)是2.10。比較安全系數(shù)的大小可以看出，組合治理措施的實施使得邊坡穩(wěn)定性得到了顯著提高。

4 結(jié)論

（1）潼關(guān)金礦區(qū)廢棄采石場邊坡治理工程措施包括：坡面廢碴清理、邊坡整體放坡、坡腳設(shè)置攔碴擋墻、坡頂設(shè)置主動柔性防護網(wǎng)。邊坡治理后，消除了危巖及崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患，提高了邊坡安全性，放坡有效提高了邊坡的穩(wěn)定性，整體生態(tài)修復(fù)效果良好，綠化程度高，邊坡美觀。

（2）攔碴擋墻工程：清理潼洛公路東側(cè)廢棄采石場及碴堆上的陡立孤石、局部不穩(wěn)定堆碴，整平潼峪主峪道兩側(cè)棄碴，推高填低，修筑攔碴擋墻、以穩(wěn)碴固碴；危巖清理及柔性網(wǎng)防護工程：對潼洛公路東側(cè)山坡上的危巖、崩塌地質(zhì)災(zāi)害，采用人工清理危巖、柔性防護網(wǎng)進行防護，消除危巖及崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患；攔碴擋墻和主動柔性防護網(wǎng)主要起防護作用，邊坡開挖放坡對穩(wěn)定性的提高起著主要作用。

（3）運用FLAC3D軟件對邊坡治理前后進行了數(shù)值模擬，并對比分析了其應(yīng)力場、位移場、應(yīng)變增量和穩(wěn)定系數(shù)。在只考慮重力作用下，潼關(guān)廢棄采石場原始邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.387，處于穩(wěn)定狀態(tài)，但坡面上覆堆積體位移較大，應(yīng)及時治理。邊坡治理后穩(wěn)定系數(shù)增加到2.1，位移量明顯減小。結(jié)果較好地反映了邊坡的實際治理效果，驗證了邊坡治理的有效性，也表明本次數(shù)值模擬的結(jié)論是合理的，達到了預(yù)期的效果。