范志宏， 王 旭， 胡友邦 ， 朱 燁

(1.中化地質(zhì)礦山總局湖北地質(zhì)勘查院，武漢 430074； 2.湖北工程學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，湖北孝感 432100)

礦山企業(yè)露天采礦活動(dòng)不僅會(huì)造成礦山地形地貌景觀、土地資源以及含水層的破壞，還會(huì)形成不同規(guī)模的巖質(zhì)邊坡，而巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)的結(jié)果是露采礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理方案設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

目前，巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的分析方法包括定性分析法、定量分析法和非確定性分析法[1]。定性分析法包括工程類比法、圖解法等；定量分析法包括極限平衡法、數(shù)值分析法等；非確定性分析法包括可靠性分析、模糊數(shù)學(xué)理論、區(qū)間分析法等[2-7]，其中尤以定性與定量分析相結(jié)合的評(píng)價(jià)手段最為常見(jiàn)[8-12]。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，通過(guò)定性分析來(lái)判斷邊坡的潛在滑塌形式，再通過(guò)FLAC3D、Midas GTS/NX等軟件構(gòu)建合適的分析模型，便可獲取巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，不僅計(jì)算效率得到了提高，還可以使計(jì)算結(jié)果可視化，通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變的分布，還可以獲取邊坡的潛在滑動(dòng)面[13-16]。

筆者以湖北某礦山露采邊坡為例，利用極射赤平投影法判斷邊坡的失穩(wěn)破壞機(jī)制，再通過(guò)Midas GTS/NX構(gòu)建邊坡失穩(wěn)前主剖面模型，將模擬結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，定性判斷模型的可靠性；最后，以失穩(wěn)前的模型為基礎(chǔ)建立現(xiàn)狀剖面模型，根據(jù)模擬結(jié)果給出防治工程設(shè)計(jì)建議。

1 研究區(qū)概況

本次研究對(duì)象為湖北省鐘祥市境內(nèi)的一處建筑石料礦露采邊坡，位于所處山體的東麓。礦山范圍內(nèi)出露的地層較為簡(jiǎn)單，僅出露震旦系上統(tǒng)燈影組，為一套厚層狀細(xì)粒鮞狀白云巖建造，是賦礦層位，與下伏陡山沱組呈整合接觸，巖層產(chǎn)狀80°∠32°。礦區(qū)位于冷水鋪背斜內(nèi)，受地質(zhì)構(gòu)造影響，區(qū)內(nèi)地層發(fā)生倒轉(zhuǎn)，巖礦呈單斜層狀產(chǎn)出，礦山范圍內(nèi)無(wú)大的斷裂和褶皺構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。

1.1 水文地質(zhì)條件

震旦系上統(tǒng)燈影組白云巖屬碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組，基巖巖溶裂隙不發(fā)育，礦區(qū)范圍內(nèi)未見(jiàn)出水點(diǎn)，且采坑內(nèi)常年無(wú)積水，說(shuō)明礦區(qū)地層滲透性好，排泄能力強(qiáng)，大氣降水可以沿山地低凹地帶和溝谷直接排泄至區(qū)外，含水層富水性弱。

礦山整體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上(礦山開(kāi)采最低標(biāo)高+140.5m，當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面位于礦區(qū)外西南側(cè)，標(biāo)高+83.6m)，地形地勢(shì)有利于自然排水，因此，水文地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單類型。

1.2 工程地質(zhì)條件

震旦系上統(tǒng)燈影組主要以白云巖為主，灰?guī)r和生物灰?guī)r次之，主要礦物成分包括方解石、白云石、燧石、綠泥石及少量有機(jī)質(zhì)、赤鐵礦。礦石呈粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀、條帶狀構(gòu)造，厚度大且遇水不易軟化。經(jīng)取樣測(cè)定，巖石抗壓強(qiáng)度為46.28～115.38MPa，平均78.44MPa，力學(xué)強(qiáng)度高，但巖層存在4～10m厚的風(fēng)化層(平均厚度為8m)，風(fēng)化層節(jié)理裂隙發(fā)育，對(duì)露采邊坡的穩(wěn)定性存在一定的不利影響。

綜上結(jié)合礦山地形地貌條件分析，雖然地層巖性單一、地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、巖石強(qiáng)度較高，但開(kāi)采邊坡高陡，風(fēng)化層裂隙發(fā)育，存在失穩(wěn)的可能，因此，工程地質(zhì)條件屬中等類型。

1.3 露采邊坡概況

礦山露采邊坡坡面呈“U”形，按照其處于采坑的方位，可以分為北、西、南三個(gè)部分。

邊坡西部分布有6處開(kāi)采平臺(tái)，典型剖面坡向76°，傾角49°，邊坡掌子面與巖層呈小角度斜交，為一處巖質(zhì)順向坡。邊坡坡肩最高標(biāo)高+217m，坡腳標(biāo)高+114m，最大高差約103m。6處開(kāi)采平臺(tái)寬5～15m，平臺(tái)內(nèi)側(cè)邊坡坡角60°～80°，臺(tái)階高差8～20m。

邊坡巖性為灰色中—厚層狀白云巖，堅(jiān)硬堅(jiān)固巖類，風(fēng)化層平均厚度約8m，巖體整體性好，完整程度為較完整，巖體質(zhì)量等級(jí)Ⅱ級(jí)，巖壁受爆破影響，縱向次生節(jié)理裂隙密度較大，主要見(jiàn)2組節(jié)理裂隙：節(jié)理裂隙組j1,產(chǎn)狀30°∠32°，延伸長(zhǎng)度約8m，穿切長(zhǎng)度較深，為泥質(zhì)充填，裂隙寬3～5cm;節(jié)理裂隙組j2，j1的共軛陡傾裂隙組，產(chǎn)狀350°∠85°，開(kāi)度小，為碎石巖屑充填，見(jiàn)于坡體下部。邊坡巖層層面為碎石及泥質(zhì)充填，結(jié)構(gòu)面較粗糙。

露采邊坡北部和南部有平臺(tái)1個(gè)，為邊坡西部平臺(tái)6的延伸，該兩處邊坡坡向與巖層產(chǎn)狀呈大角度斜交或反向，屬穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，巖層風(fēng)化程度低，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查未見(jiàn)崩滑、掉塊現(xiàn)象，因此判定處于穩(wěn)定或基本穩(wěn)定狀態(tài)。

邊坡西部于2020年6月27—30日，在連續(xù)多次遭遇短時(shí)強(qiáng)降雨過(guò)程后，平臺(tái)4下方巖體發(fā)生滑塌，滑塌方量約500m3。因此，邊坡西部為本次工作的主要研究對(duì)象。

綜上所述，該邊坡屬中型露采邊坡，失穩(wěn)后造成的直接經(jīng)濟(jì)損失小于50萬(wàn)元，危害等級(jí)為Ⅲ級(jí)，安全等級(jí)為Ⅲ級(jí)，依照《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范(GB51016—2014)》[17]，邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.10。

2 露采邊坡穩(wěn)定性定性分析

本次研究采用極射赤平投影法對(duì)邊坡西部穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析，通過(guò)分析結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面組合交棱線的產(chǎn)狀與邊坡產(chǎn)狀的關(guān)系來(lái)定性判斷邊坡結(jié)構(gòu)是否為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。礦山露采邊坡、結(jié)構(gòu)面要素以及赤平投影圖如圖1所示。

編號(hào)邊坡要素傾向/(°)傾角/(°)BP邊坡產(chǎn)狀7649D巖層產(chǎn)狀8032j1節(jié)理裂隙組j13032j2節(jié)理裂隙組j235085編號(hào)組合交棱線傾向/(°)傾角/(°)①BP-D1615②BP-j11831③BP-j27449④D-j15530⑤D-j27732⑥j1-j27823圖1 露采邊坡西部赤平投影分析Figure 1 Polar stereoscopic projection analyses for surface mining slope western part

從圖1可以看出，邊坡坡向與巖層傾向基本一致，且?guī)r層傾角小于邊坡總體坡度，因此，該處邊坡整體上可能發(fā)生的滑動(dòng)類型為平面滑動(dòng)。進(jìn)一步分析，節(jié)理裂隙組1僅發(fā)育于邊坡的下部，位于已塌滑區(qū)域的南側(cè)，與巖層呈小角度斜交，組合交棱線(編號(hào)④、⑤、⑥)外傾，且傾角小于坡度，易對(duì)巖體切割造成局部楔體滑塌，已塌滑區(qū)域即為受節(jié)理裂隙組j1、j2和層面共同控制而引發(fā)的楔體滑塌，但由于節(jié)理裂隙組j1、j2分布范圍有限，因此對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性影響有限。除此之外，邊坡廣泛分布有爆破所產(chǎn)生的次生裂隙組，密度為1～2條/m，雖然坡體均可見(jiàn)同組裂隙，但均為閉裂隙，穿切深度和延伸長(zhǎng)度均較小，對(duì)坡體穩(wěn)定性基本無(wú)影響。

綜上所述，該邊坡結(jié)構(gòu)為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，可能引發(fā)順層滑動(dòng)和局部楔體滑塌，因此，需要進(jìn)一步定量分析計(jì)算。

3 露采邊坡數(shù)值模擬分析

本次研究采用Midas GTS/NX軟件來(lái)對(duì)露采邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，選取的方法為有限元強(qiáng)度折減法(SRM)。

3.1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

由于礦山已處于閉坑階段且當(dāng)?shù)氐卣鹆叶葹棰龆?，因此選取計(jì)算兩種工況：工況一為正常工況，工況二為自重+強(qiáng)降雨。相應(yīng)的巖體物理力學(xué)參數(shù)賦值表1所示。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)賦值Table 1 Rock mass physical and mechanical parameters assignment

說(shuō)明：表中巖體容重為實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，其它根據(jù)巖體實(shí)際情況參照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)賦值。

3.2 失穩(wěn)破壞前模型(模型一)建立與驗(yàn)證

本次研究選取露采邊坡西部的典型剖面進(jìn)行數(shù)值模擬分析，同時(shí)該處剖面也穿切經(jīng)過(guò)塌滑區(qū)，塌滑前剖面如圖2所示。通過(guò)Midas GTS/NX軟件建立邊坡剖面二維分析模型如圖3所示。模型按照巖層的風(fēng)化程度分為兩層，采用矩形剖分，剖分單元時(shí)在中等風(fēng)化層和分層界限附近進(jìn)行了適當(dāng)加密，共剖分出1 747個(gè)節(jié)點(diǎn)和1 671個(gè)矩形單元。對(duì)各層材料屬性進(jìn)行賦值， 模型左側(cè)與下側(cè)邊界約束類型為固定端約束，分析模型為摩爾-庫(kù)倫模型，計(jì)算方法為強(qiáng)度折減法，分別對(duì)兩種工況進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

兩種工況下計(jì)算的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.18和0.93，根據(jù)規(guī)范判斷分別處于穩(wěn)定狀態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài)。即暴雨工況下，邊坡穩(wěn)定性較差。

根據(jù)應(yīng)變?cè)茍D(圖4)進(jìn)行分析，兩種工況下邊坡的破壞形式均主要以X方向位移為主，即巖質(zhì)邊坡的破壞形式主要為滑塌，應(yīng)變集中區(qū)位于坡腳處(平臺(tái)五以下部分)，與本次塌滑區(qū)分布范圍相吻合。結(jié)合主要分布于坡腳處的剪切節(jié)理裂隙組j1、j2考慮，連續(xù)強(qiáng)降雨過(guò)程、結(jié)構(gòu)面的存在(節(jié)理裂隙組j1、j2和巖層層面)是構(gòu)成邊坡坡腳處失穩(wěn)滑塌的主要原因。

綜上所述，正常工況下，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但局部高陡、受層面或?qū)用婧凸?jié)理裂隙面的共同控制處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，可能引發(fā)滑塌、掉塊等地質(zhì)災(zāi)害，即局部處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。暴雨工況下，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，變形破壞區(qū)主要分布于坡體下部風(fēng)化層。模型模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符，即模型參數(shù)選取以及模型構(gòu)建合理。

圖2 典型剖面圖(失穩(wěn)前)Figure 2 Typical section (before unstable)

圖3 典型剖面二維模型(失穩(wěn)前)Figure 3 Typical section 2D model (before unstable)

圖4 模型一輸出結(jié)果Figure 4 Model 1 output result

同理，對(duì)邊坡塌滑區(qū)所處坡段現(xiàn)狀(模型二)條件下數(shù)值模擬分析可知，正常工況下塌滑區(qū)所處的坡段處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，其余坡段處于穩(wěn)定狀態(tài)，但坡體局部高陡，加之受層面、節(jié)理裂隙組j1、j2等多組不利結(jié)構(gòu)面控制，可能引發(fā)滑塌、掉塊等地質(zhì)災(zāi)害；暴雨工況下，邊坡整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)變?cè)茍D，兩種工況下，坡腳處(平臺(tái)四以下坡段)均為應(yīng)變集中區(qū)，在實(shí)施治理工程時(shí)，應(yīng)當(dāng)設(shè)置為防治工程重點(diǎn)實(shí)施區(qū)域，清除臨空危巖體，采取主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)工程、錨固工程等防護(hù)工程措施進(jìn)行綜合治理。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1)通過(guò)野外調(diào)查判定項(xiàng)目區(qū)露采邊坡水文地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單類型、工程地質(zhì)條件屬中等類型，確定露采邊坡安全等級(jí)為Ⅲ級(jí)，設(shè)計(jì)安全系數(shù)Fst為1.10。

2)采用極射赤平投影分析法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了定性分析，結(jié)果表明巖層層面和節(jié)理裂隙組j1、j2的組合結(jié)構(gòu)面致使邊坡結(jié)構(gòu)為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，潛在破壞類型為平面滑動(dòng)和楔體滑塌。

3)借用Midas GTS/NX軟件建立典型剖面滑塌前的分析模型(模型一)，采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果定性判斷參數(shù)選取和模型的可靠性，分析結(jié)果與實(shí)際情況相符，模型參數(shù)和構(gòu)建合理。根據(jù)模型一的參數(shù)設(shè)置和分析方法以及現(xiàn)狀剖面建立了典型剖面現(xiàn)狀二維分析模型，綜合分析結(jié)果表明：正常工況下邊坡整體處于穩(wěn)定或基本穩(wěn)定狀態(tài)，局部處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)；根據(jù)應(yīng)變?cè)茍D分析，邊坡兩種工況下的變形破壞類型均以滑塌為主，應(yīng)變集中分布于坡腳處，其中滑塌區(qū)不穩(wěn)定坡段位于平臺(tái)4與平臺(tái)6之間，其余坡體不穩(wěn)定坡段為平臺(tái)4以下部分。

4.2 防治工程建議

模擬計(jì)算結(jié)果表明露采邊坡局部欠穩(wěn)定且暴雨工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，高差大、坡度陡，具有較大的危險(xiǎn)性，由于邊坡為人工開(kāi)挖所形成，因此，根據(jù)模擬分析結(jié)果，提出如下建議：

1)由于邊坡天然工況下尚存在欠穩(wěn)定的坡段，因此應(yīng)當(dāng)立即實(shí)施監(jiān)測(cè)與安全警示工程，重點(diǎn)針對(duì)露采邊坡西側(cè)設(shè)置形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并在雨季加密監(jiān)測(cè)周期，坡腳處與坡肩應(yīng)當(dāng)設(shè)置安全警示牌。

2)露采邊坡西側(cè)平臺(tái)四以下坡段建議設(shè)置為防治工程重點(diǎn)實(shí)施區(qū)域，清除危巖體，采取主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)工程或錨固工程等防護(hù)工程手段對(duì)坡體進(jìn)行加固防護(hù)，以防結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體切割致使發(fā)生滑塌、掉塊等地質(zhì)災(zāi)害。

3)邊坡由于處于山體的中下部，因此建議在坡體周圍挖設(shè)截排水溝，以防雨水侵蝕巖體，加劇巖體的風(fēng)化程度。

4)治理后的邊坡平臺(tái)建議采取覆土復(fù)綠工程。