彭柏興，王會(huì)云，王小平，肖劍，賈永生，雷金山，劉和平，閆兵，楊文杰

(1.長(zhǎng)沙市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007； 2.國(guó)家電力總公司中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410000；3.中南大學(xué)土木學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

1 引 言

長(zhǎng)沙冰雪世界是大王山旅游度假中心項(xiàng)目的重要組成部分，地上3F，地下2F，總建筑面積 117 500 m2，總高度 40 m，為大跨度重載巨型鋼混組合結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目依托新生水泥廠開(kāi)采50多年形成的深愈 100 m廢棄礦坑建造，建筑與山體、礦坑有機(jī)結(jié)合，主要由坑壁巖體承受結(jié)構(gòu)豎向荷載和水平作用，是目前世界上唯一的“懸浮”式冰雪世界(圖1)，被國(guó)際探索頻道Discovery稱為“不可能完成的項(xiàng)目”。冰雪世界主體結(jié)構(gòu)以拱的形式傳力，三邊支撐于平臺(tái)上呈凸字形的坑壁上，高陡礦坑邊坡的整體穩(wěn)定性是工程建設(shè)的關(guān)鍵。

圖1 長(zhǎng)沙冰雪世界效果圖(據(jù)華東設(shè)計(jì)院)

礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用在為國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展提供保障的同時(shí)也對(duì)地球和人居環(huán)境造成了不同程度破壞，露天礦山開(kāi)采形成的眾多高陡邊坡是其典型代表。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者從邊坡的成因、巖土組成與巖體結(jié)構(gòu)[1～3]、邊坡破壞類型及穩(wěn)定性與安全性[4～6]、巖體參數(shù)選擇[7～9]等方面進(jìn)行了研究和探討。赤平投影法是巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性定性分析的常用手段[10，11]，其關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的準(zhǔn)確獲取。三維激光掃描、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量等數(shù)字地質(zhì)編錄技術(shù)為高陡邊坡的地質(zhì)調(diào)查提供了技術(shù)支撐[12～15]。

“綠水青山就是金山銀山”為新時(shí)代正確處理經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境修復(fù)與保護(hù)指明了方向，廢棄礦坑修復(fù)成為老工業(yè)基地向新型城市轉(zhuǎn)化的試點(diǎn)。本文以長(zhǎng)沙冰雪世界高陡邊坡為例，采用地質(zhì)調(diào)查、工程物探、數(shù)字?jǐn)z影編錄技術(shù)、地質(zhì)鉆探、直剪試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、赤平投影及三維數(shù)值穩(wěn)定性計(jì)算等手段，分析了邊坡地形地貌、地層巖性、結(jié)構(gòu)面的分布及變形破壞特征，查明了坡體巖體質(zhì)量與分帶、探討了邊坡的可能破壞形式，提供了邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)邊坡總體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定進(jìn)行了研究和評(píng)價(jià)，提出了防治措施與建議，為工程建設(shè)及安全運(yùn)營(yíng)提供了地質(zhì)依據(jù)。

2 礦坑邊坡工程地質(zhì)特征

2.1 地形地貌特征

場(chǎng)地原始地貌為湘江河流沖積階地，地面標(biāo)高 45 m～65 m。經(jīng)過(guò)50多年的開(kāi)采，形成了似橢圓形坑口，長(zhǎng)軸約 500 m、短軸約 400 m、深愈 100 m，整體地勢(shì)呈四周高、中部低，坑底高程約 -31 m～-41 m，面積近18萬(wàn)m2的采礦遺存(圖2)。

運(yùn)料道路沿南→南東→北→北西→西方向即逆時(shí)針?lè)较虮P(pán)旋而下至坑底。南壁坡分為三級(jí)，高 40 m～50 m，坡度約30°～70°，局部近直立。南壁偏西側(cè)，順層理面開(kāi)挖，兩側(cè)抽槽形成頂寬 2 m～7 m，坡度約34°的斜坡形巖墻，坡頂、坡腳高程分別為 45 m和 -20 m。其他各側(cè)壁以運(yùn)輸?shù)缆窞榻?，分為上、下兩部分。其上部分別有1級(jí)～3級(jí)邊坡，坡高 7 m～80 m不等，坡度50°～82°，局部幾近垂直；其下0級(jí)～3級(jí)邊坡，坡高 2 m～65 m不等，坡度約50°～77°，局部近垂直。各側(cè)壁邊坡現(xiàn)場(chǎng)照片如圖3所示。

圖2 廢棄礦坑原貌(左：抽水前；右：抽水后)

2.2 地層巖性特征

場(chǎng)地第四系地層由人工填土、耕土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與河流沖積形成的粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土、圓礫、卵石及殘積粉質(zhì)黏土組成，厚度 0.5 m～45 m?；鶐r為泥盆系灰?guī)r，厚度>210 m。坡壁基巖大部分裸露，巖層產(chǎn)狀變化大，A、B支座區(qū)產(chǎn)狀為N40°～60°W，NE∠5°～35°；C支座北西坡巖層產(chǎn)狀N60°～80°E，NW∠5°～15°、南坡巖層產(chǎn)狀N68°～85°W，NE∠15°～30°；南壁巖層產(chǎn)狀N50°～60°E，NW∠30°～40°，南東壁巖層產(chǎn)狀N20°～30°E，SE∠40°～50°。

巖基面起伏大、巖溶發(fā)育(圖4)。巖石礦物成分以方解石、白云石為主(圖5a)，致密塊狀構(gòu)造，隱晶質(zhì)-微晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、球粒狀結(jié)構(gòu)，含生物碎屑結(jié)構(gòu)，以珊瑚化石居多(圖5b)。

圖4 大地電磁電阻率反演圖

圖5 X射線衍射分析圖譜(a)與正交偏光照片(b)

2.3 地質(zhì)構(gòu)造特征

長(zhǎng)沙位于東南地洼區(qū)幕阜地穹西南部的烏山洼隆與長(zhǎng)沙洼陷交接部，經(jīng)歷了武陵、雪峰、加里東、印支、燕山及喜山等多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了以NE向構(gòu)造形跡為主的斷裂和褶皺(圖6)。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以垂直差異運(yùn)動(dòng)為主，表現(xiàn)為間歇性升降和區(qū)域性掀斜，活動(dòng)趨于減弱[16]。

圖6 區(qū)域構(gòu)造綱要圖

礦坑夾持于西側(cè)的大石塘-桐溪寺-坪塘-線秀區(qū)域性斷層(F101)與東南側(cè)的施家沖-新開(kāi)鋪-磊石塘斷裂(F106)之間，巖層產(chǎn)狀多變，次級(jí)斷裂發(fā)育(圖7)。礦坑發(fā)育大小斷層4條，其特征如表1所示。

圖7 A支座區(qū)典型照片(左)及其立面投影圖(右)

礦坑邊坡斷層一覽表 表1

2.4 結(jié)構(gòu)面特征

為解決礦坑高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查編錄難題，采用了數(shù)字?jǐn)z影地質(zhì)編錄技術(shù)[12]。根據(jù)支座位置和數(shù)碼照片像對(duì)分幅，將礦坑邊坡分為43個(gè)區(qū)/段，通過(guò)處理得到溶蝕裂隙等密圖(圖8)、溶蝕裂隙走向和傾向玫瑰花圖和溶蝕裂隙傾角直方圖(圖9)與赤平投影圖(圖10)。

圖8 邊坡溶蝕裂隙等密圖(上半球投影)

圖9 邊坡溶蝕裂隙走向和傾向玫瑰花圖

由圖可見(jiàn)，除傾角平緩的層面裂隙較多外，與斷層相對(duì)應(yīng)有2組陡傾角溶蝕裂隙，另有2組陡傾角和1組中等傾角溶蝕裂隙比較發(fā)育。

圖10 邊坡溶蝕裂隙傾角直方圖及赤平投影圖(上半球投影)

2.5 水文地質(zhì)特征

礦坑四周高，坑內(nèi)地勢(shì)低，坑底最低在-40 m以下，場(chǎng)地地表水及地下水易由礦坑四周向基坑內(nèi)匯集(圖2)。

場(chǎng)地地下水分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖巖溶水兩種，后者又分為巖溶管道裂隙水(厚層灰?guī)r巖溶管道地下水)和巖溶裂隙水(薄層灰?guī)r及泥灰?guī)r裂隙水)兩類?？辈炱陂g孔隙水水位為 41 m～48 m。巖溶裂隙水的含水介質(zhì)以巖溶裂隙為主，出露巖溶泉點(diǎn)分散、流量小、規(guī)律性差，多表現(xiàn)為巖體濕潤(rùn)。巖溶管道裂隙水主要分布礦坑?xùn)|壁邊坡及斷層F1破碎帶，巖溶泉滲流路徑遠(yuǎn)，補(bǔ)給量大，是礦坑積水的重要補(bǔ)給源。

經(jīng)分析，場(chǎng)內(nèi)地表水與地下水對(duì)砼結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，對(duì)鋼筋砼結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。

2.6 巖溶地質(zhì)特征

場(chǎng)地內(nèi)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，與構(gòu)造有關(guān)，受巖性和層厚控制。表現(xiàn)為溶穴、槽狀溶洞、溶蝕破碎帶和溶蝕裂隙發(fā)育帶。分布特征如下：

(1)平面上，展布方向與巖層走向近一致，巖溶明顯受巖性和層厚控制。主要分布在礦坑北壁-北西壁和南東-北東壁，后者較前者發(fā)育更強(qiáng)烈，可能與湘江位于礦坑?xùn)|面、巖溶發(fā)育的水動(dòng)力條件更為充分有關(guān)。

(2)坡面上，主要分布于開(kāi)口線以下 10 m～20 m范圍。巖溶發(fā)育受卸荷程度影響很大，卸荷程度越深，巖溶越發(fā)育。

(3)垂向上：集中于邊坡中上部，標(biāo)高 -13 m～40 m?？颖谌懿?、溶溝、溶縫多，表現(xiàn)為垂直巖溶形式，陡傾角溶蝕裂隙發(fā)育，溶穴表現(xiàn)為水平巖溶，沿層間結(jié)構(gòu)面與陡傾角裂隙交匯處發(fā)育。

3 邊坡巖體分級(jí)及其物理力學(xué)指標(biāo)

3.1 邊坡巖體分級(jí)

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)[17]，按碳酸鹽巖溶蝕風(fēng)化帶劃分標(biāo)準(zhǔn)可劃為4帶。

(1)表層強(qiáng)烈溶蝕風(fēng)化帶：可分為強(qiáng)烈溶蝕風(fēng)化上帶和強(qiáng)烈溶蝕風(fēng)化下帶。沿?cái)鄬?、裂隙及層面等結(jié)構(gòu)面溶蝕風(fēng)化強(qiáng)烈，風(fēng)化裂隙發(fā)育。下限埋深一般為 10 m～20 m，水平埋深一般為 10 m～15 m，立面投影面積占邊坡總立面投影面積的43.2%，巖體質(zhì)量一般為Ⅳ類或更差。

(2)裂隙性溶蝕風(fēng)化上帶：主要分布在礦坑邊坡的中下部，下限埋深一般為 20 m～30 m，水平埋深一般為 20 m～25 m，立面投影面積占邊坡總立面投影面積的11.1%。巖體質(zhì)量一般以Ⅲ2類為主。

(3)裂隙性溶蝕風(fēng)化下帶：位于坡面的中下部和深部，下限埋深一般為 50 m～70 m，水平埋深一般為 40 m～60 m，立面投影面積占邊坡總立面投影面積的30.4%。不見(jiàn)明顯的卸荷現(xiàn)象，只局部沿溶蝕裂隙發(fā)育小型溶蝕孔洞。巖體完整性受結(jié)構(gòu)面溶蝕風(fēng)化影響輕微，巖體強(qiáng)度降低不明顯。巖體質(zhì)量一般以Ⅲ1類為主。主要分布在礦坑邊坡的下部，

(4)微新巖體帶：位于邊坡中、深部和坡面少數(shù)溶蝕裂隙稀少區(qū)域。大部分裂隙緊密、閉合或?yàn)殁}質(zhì)薄膜充填，僅個(gè)別裂隙面有銹膜浸染或輕微蝕變。立面投影面積占邊坡總立面投影面積的15.3%。

3.2 邊坡巖體綜合分類及其物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)成果和邊坡巖體質(zhì)量分類成果，結(jié)合礦坑工程地質(zhì)條件，類比已有工程經(jīng)驗(yàn)，礦坑邊坡巖體質(zhì)量分類和物理力學(xué)參數(shù)建議值如表2所示。

邊坡巖體質(zhì)量綜合分類及其物理力學(xué)參數(shù) 表2

3.3 巖體結(jié)構(gòu)面及斷層破碎帶直剪試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)采用平推法對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面和斷層破碎帶進(jìn)行了6組抗剪試驗(yàn)(圖11)，結(jié)果如表3所示。

圖11 巖體直剪試驗(yàn)安裝圖(a)及剪切面試面(b) 巖體結(jié)構(gòu)面及斷層破碎帶直剪試驗(yàn)成果表 表3

4 邊坡巖體失穩(wěn)模式與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 邊坡巖體的失穩(wěn)模式與變形機(jī)制分析

本礦坑邊坡失穩(wěn)破壞的主要形式有：崩塌、沿結(jié)構(gòu)面的平面型或結(jié)構(gòu)面組合的楔形體滑動(dòng)以及小型巖溶洞穴塌陷破壞(圖12)，尤以崩塌和平面型滑動(dòng)破壞模式為主。

礦坑呈不規(guī)則類橢圓形，邊坡走向各方向均有，開(kāi)挖后無(wú)支護(hù)，暴露超過(guò)40年。巖體在長(zhǎng)期應(yīng)力釋放及重力等因素作用下，向臨空方向卸荷回彈變形，使得節(jié)理、裂隙拉裂，邊坡開(kāi)挖切斷了以層間結(jié)構(gòu)面為主的中、緩傾角結(jié)構(gòu)面，變形逐步加大，溶蝕、地下水降低了節(jié)理、溶蝕裂隙的抗剪強(qiáng)度，這些均構(gòu)成邊坡巖體變形的內(nèi)、外部環(huán)境條件。

圖12 礦坑邊坡巖體典型失穩(wěn)模式

4.2 邊坡巖體整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

礦坑邊坡基巖裸露，為薄層～厚層狀灰?guī)r夾泥灰?guī)r，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)。邊坡強(qiáng)烈溶蝕風(fēng)化巖體較薄，無(wú)區(qū)域性大斷層通過(guò)，完整性較好。巖層傾角平緩，傾角多在5°～15°間，為近于層狀平疊狀結(jié)構(gòu)邊坡，巖層產(chǎn)狀對(duì)邊坡穩(wěn)定影響不大。三個(gè)支座區(qū)邊坡裂隙發(fā)育4～5組，與層理、坡向的赤平投影結(jié)果如圖13所示，礦坑邊坡整體上基本穩(wěn)定。

圖13 各支座區(qū)邊坡裂隙赤平投影圖

經(jīng)調(diào)查，礦坑邊坡整體變形跡象不明顯，礦坑邊坡未見(jiàn)發(fā)生過(guò)大面積垮塌跡象，礦坑周邊也未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫，礦坑邊坡整體穩(wěn)定性較好，基至未進(jìn)行任何支護(hù)，長(zhǎng)時(shí)間暴露、遭受地表、地下水浸沒(méi)或后期沖蝕邊坡，礦坑邊坡也仍安全無(wú)恙。

綜上，礦坑邊坡整體穩(wěn)定性較好。

4.3 邊坡巖體局部穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

礦坑邊坡陡峻，高差大，未支護(hù)暴露長(zhǎng)，坡面局部發(fā)育斷層破碎帶及其影響帶、節(jié)理密集帶。順溶蝕裂隙發(fā)育溶穴、溶溝、溶槽，局部有小規(guī)模巖溶塌陷，巖體質(zhì)量差，穩(wěn)定性差。部分地段邊坡順斷層或節(jié)理密集帶走向開(kāi)挖，邊坡尤其是開(kāi)口線以下 10 m～20 m卸荷明顯，易形成拉張裂縫、溶蝕裂縫，產(chǎn)生局部崩塌、滑動(dòng)，形成危巖體。必須對(duì)邊坡淺層巖體進(jìn)行局部加固和防護(hù)。

4.4 拱角區(qū)三維穩(wěn)定性分析——以A拱角區(qū)為例

為模擬拱角加載后坡體的穩(wěn)定情況，選擇受F1斷層影響、地質(zhì)條件最為復(fù)雜的A支座區(qū)域進(jìn)行三維穩(wěn)定性分析。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，A支座荷載作用力標(biāo)高絕對(duì) 18 m，X向作用力 641 184 kN、Y向作用力 282 135 kN、Z向(重力方向)作用力 306 240 kN。A拱腳數(shù)值計(jì)算模型如圖14所示。

圖14 A拱腳模型圖

設(shè)置了兩種方案，方案一包含所有巖土層(含破碎帶)建立數(shù)值模型，進(jìn)行三維穩(wěn)定性數(shù)值分析；方案二僅考慮灰?guī)r為主要承重巖體，模型中挖除上部土層，僅分析灰?guī)r承載穩(wěn)定性的方案二。通過(guò)FLAC3D強(qiáng)度折減法計(jì)算A拱腳各方案的安全系數(shù)，A拱腳未施加荷載時(shí)，處于穩(wěn)定狀態(tài)，安全系數(shù)達(dá)到1.65(方案一)和1.85(方案二)(只有灰?guī)r情況)；施加荷載后，安全系數(shù)明顯降低，分別為0.51(方案一)和0.50(方案二)，A拱腳區(qū)域在荷載作用下巖土體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

施加荷載后拱腳巖體在荷載作用下的位移趨勢(shì)圖見(jiàn)圖15，破壞范圍圖如圖16。結(jié)果表明，在拱腳荷載作用下，A區(qū)突出巖體將發(fā)生破壞，位移趨勢(shì)大致方向?yàn)楹奢d作用方向，并在荷載作用下產(chǎn)生向上滑動(dòng)位移趨勢(shì)。突出巖體大部分將發(fā)生拉剪破壞，破壞區(qū)域從坡頂往內(nèi)大約 25 m范圍，巖體發(fā)生整體側(cè)向推移破壞。

圖15 A拱腳巖體位移趨勢(shì)

圖16 A拱腳破壞區(qū)域分布圖

4.5 邊坡巖體處理措施建議

主要措施建議如下：

(1)建筑物地基避開(kāi)斷層破碎帶和Ⅳ類巖體，或做專門(mén)處理；

(2)對(duì)邊坡松動(dòng)、懸空等危巖體進(jìn)行清除；

(3)對(duì)Ⅳ類巖體進(jìn)行錨桿+防護(hù)網(wǎng)支護(hù)或系統(tǒng)噴錨+排水支護(hù)；

(4)對(duì)影響邊坡穩(wěn)定的溶蝕裂隙進(jìn)行隨機(jī)錨桿支護(hù)；

(5)對(duì)各拱角處邊坡，應(yīng)針對(duì)其荷載作用下的影響范圍和變形特征，進(jìn)行專項(xiàng)支護(hù)設(shè)計(jì)。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)長(zhǎng)沙冰雪世界地基為水泥廠開(kāi)采形成的高陡邊坡，坑壁基巖裸露，巖層傾角平緩，傾角在5°～15°之間，表現(xiàn)為近于水層的平疊狀結(jié)構(gòu)邊坡，坡體總體穩(wěn)定。

(2)礦坑邊坡巖體具有溶蝕風(fēng)化特點(diǎn)，自上而下分為表層強(qiáng)烈溶蝕風(fēng)化帶、裂隙性溶蝕風(fēng)化上帶、裂隙性溶蝕風(fēng)化下帶、微新巖體帶。表層強(qiáng)烈溶蝕風(fēng)化帶巖體質(zhì)量為Ⅳ類或更差，對(duì)邊坡穩(wěn)定影響很大。

(3)受近場(chǎng)區(qū)區(qū)域斷裂影響，礦坑發(fā)育4條斷層及多組陡傾角溶蝕裂隙帶。礦坑邊坡的主要破壞為局部破壞，其形式表現(xiàn)為崩塌、沿結(jié)構(gòu)面平面滑動(dòng)或結(jié)構(gòu)面組合的楔形體滑動(dòng)以及小型巖溶洞穴塌陷。

(4)根據(jù)邊坡巖體地質(zhì)條件最為復(fù)雜的A支座的三維數(shù)字模擬表明：施加拱腳荷載后，安全系數(shù)明顯降低，分別為0.51(方案一)和0.50(方案二)，A拱腳區(qū)域在荷載作用下巖土體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

(5)應(yīng)用數(shù)字?jǐn)z影地質(zhì)編錄技術(shù)有效解決了人工無(wú)法直接開(kāi)展高陡邊坡地質(zhì)勘察調(diào)繪編錄的難題，降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和危險(xiǎn)性，保證了成果質(zhì)量。

長(zhǎng)沙冰雪世界營(yíng)業(yè)近2年，各種觀測(cè)數(shù)據(jù)表明良好。該項(xiàng)目已成為老工業(yè)基地向綠色新城轉(zhuǎn)化的代表，被視為國(guó)內(nèi)城市生態(tài)修復(fù)的經(jīng)典項(xiàng)目之一。