李小武，施雄斌，馮 娟，羅春生

(1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.紫金(廈門)工程設(shè)計(jì)有限公司，福建 廈門 361000)

0 引 言

邊坡穩(wěn)定性一直是露天礦山面臨的重要安全隱患，陸衛(wèi)國認(rèn)為大南湖露天礦非工作幫邊坡破壞主要沿基底巖層滑動，而工作幫邊坡則以豎直方向變形為主；馬明康等采用極限平衡法與數(shù)值模擬方法得出：削坡后黑山露天礦邊坡穩(wěn)定性大于安全儲備系數(shù)；梅開品和武尚榮的研究表明：當(dāng)邊坡開采至一定高度后，斷層對邊坡位移產(chǎn)生巨大影響；金愛兵等實(shí)現(xiàn)從無人機(jī)測量到三維數(shù)值模型的快速建立，以便獲得更好數(shù)值模擬結(jié)果；周子涵等利用能量突變判據(jù)評價露天礦邊坡開挖過程中的穩(wěn)定性；李梅華研究了礦山邊坡滑坡段土石混合體力學(xué)特性，為滑坡體穩(wěn)定性計(jì)算提供有效原位力學(xué)參數(shù)。潘祖瑛和李二寶使用GEO-SLOPE軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得出礦山總體邊坡穩(wěn)定性最小安全系數(shù)；楊宇江和路增祥認(rèn)為覆蓋層散體能吸收、轉(zhuǎn)移露天礦殘余邊坡應(yīng)力，對能量釋放有緩沖作用，進(jìn)而能夠支撐邊坡及圍巖。此外，露天礦邊坡問題還有諸多其他研究成果，為該文研究工作提供了參考。

邊坡穩(wěn)定分析有2種不同方法，即：利用彈塑性理論分析應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，或假設(shè)巖、土體沿一定滑移面滑動，可作極限平衡分析。隨著數(shù)值計(jì)算軟件迅猛發(fā)展，前者可將復(fù)雜的彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系納入到變形和穩(wěn)定計(jì)算中，并給出精確數(shù)值解。后者則必須通過對許多可能的滑移面試算，以求出最小安全系數(shù)，使得到的可動解盡量接近實(shí)際情況，我國工程單位在驗(yàn)算坡岸穩(wěn)定時，大多沿用這種方法。因此，對于相對簡易的極限平衡法，仍應(yīng)予以足夠重視。該文將利用不同極限平衡法，計(jì)算安全系數(shù)，評價邊坡整體穩(wěn)定性。

該露天采場邊坡主要由粉砂巖、砂巖、泥巖和灰?guī)r等組成，巖體結(jié)構(gòu)為碎塊狀、層狀破碎結(jié)構(gòu)，節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，其中巖體結(jié)構(gòu)中軟弱夾層對邊坡穩(wěn)定影響較大。該次分析由于缺乏采礦場內(nèi)賦存地下水、巖組結(jié)構(gòu)特征和巖土體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，因此，邊坡穩(wěn)定性評價不考慮地下水滲透壓力和結(jié)構(gòu)面(斷層、節(jié)理裂隙等)影響。

1 極限平衡法簡介

極限平衡法是邊坡穩(wěn)定性分析的重要方法，它是建立在靜力平衡基礎(chǔ)上，結(jié)合各種邊坡潛在破壞方式及受力狀態(tài)，以抗滑力與下滑力比值定義邊坡安全系數(shù)來評價邊坡穩(wěn)定性。采用極限平衡法評價邊坡穩(wěn)定性，首先需要對滑動面位置及形狀進(jìn)行必要假設(shè)，該工作需要工程技術(shù)人員具有較好工程經(jīng)驗(yàn)。與其他方法相比，極限平衡法無法提供邊坡變形過程中應(yīng)力、位移值等演化規(guī)律，它能給出評價邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)及破壞面形態(tài)，具有較好工程物理意義，因此，極限平衡法對邊坡穩(wěn)定性評價具有較好應(yīng)用價值。常用極限平衡方法及對應(yīng)假設(shè)條件見表1。

2 邊坡穩(wěn)定性主要影響因素

露天礦邊坡決定了礦山生產(chǎn)安全邊界，同時也是經(jīng)濟(jì)合理邊界，它是礦區(qū)生產(chǎn)作業(yè)直接對象。邊坡穩(wěn)定性往往由多種因素綜合決定，是外部和內(nèi)部因素共同作用結(jié)果，以下3類是主要決定因素：

表1 常用極限平衡法及相關(guān)假設(shè)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Common limit equilibrium methods and assumptions concerned

首先，巖體自身物理力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征。不同巖性的物理力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征存在差異，眾所周知，巖體由巖石和結(jié)構(gòu)面組成，結(jié)構(gòu)面決定巖體力學(xué)性質(zhì)，而結(jié)構(gòu)面3要素：傾角、傾向和走向，以及裂隙巖體受力分布情況決定巖體強(qiáng)度。其次，巖體賦存工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，決定巖體性能及巖體穩(wěn)定性，包括地應(yīng)力、地下水位及滲透壓力等。最后，外在因素也是促使礦山邊坡失穩(wěn)的重要因素，比如：地震、爆破振動、大氣降雨等；這些外在因素會進(jìn)一步惡化邊坡巖體性能，最終誘發(fā)邊坡失穩(wěn)事故。

上述3類主要影響因素，前2類屬于內(nèi)在因素，主要由巖體自身地質(zhì)條件決定，是礦山邊坡失穩(wěn)破壞的基礎(chǔ)性條件。第3類因素與礦山巖體自身?xiàng)l件無關(guān)，屬于外界觸發(fā)因素，而邊坡失穩(wěn)，往往由觸發(fā)因素引起，因此，礦山開采中應(yīng)特別引起重視。

對于該區(qū)域露天采場邊坡，分析邊坡巖體性質(zhì)及結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀后發(fā)現(xiàn)：該采場邊坡主要受軟弱巖組控制，巖體結(jié)構(gòu)面對其穩(wěn)定影響較為有限。因此，礦區(qū)開采過程中應(yīng)對軟弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，對于潛在危險區(qū)域，可以考慮采取加固措施，提高軟弱結(jié)構(gòu)面區(qū)域抗滑能力，保證邊坡穩(wěn)定。

該礦區(qū)邊坡賦存地質(zhì)環(huán)境和外在觸發(fā)因素，必須引起高度重視。以地下水、降雨為例，它們對該露天采場邊坡穩(wěn)定性弱化主要表現(xiàn)為3方面：①降雨使礦區(qū)邊坡頂部第四系表層基巖風(fēng)化帶被沖刷；②降雨滲入軟弱結(jié)構(gòu)巖體內(nèi)部，地下水作用導(dǎo)致軟弱巖層軟化、泥化，從而使其力學(xué)性能急劇下滑，例如，結(jié)構(gòu)面之間摩擦力和內(nèi)聚力快速降低；③在邊坡孔隙水壓力影響下，降落漏斗以下邊坡將受地下水浮力及動水壓力，引起抗滑能力降低。

3 邊坡安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)中規(guī)定了邊坡工程穩(wěn)定安全系數(shù)，見表2。如果各級邊坡安全系數(shù)>對應(yīng)值，邊坡處于安全狀態(tài)，否則，邊坡將具有潛在失穩(wěn)風(fēng)險，必須對邊坡進(jìn)行加固處理。

表2 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Tab.2 Safety factors of slope stability

根據(jù)非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范(GB 51016—2014)，在不同荷載組合作用下，露天礦總體邊坡應(yīng)滿足表3規(guī)定的設(shè)計(jì)安全系數(shù)值。

表3 不同荷載組合下總體邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)Tab.3 Overall slope design safety factors at different Loads

對于各臺階邊坡和臨時工作邊幫，根據(jù)規(guī)范允許一定程度破壞，因此，邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)可適當(dāng)調(diào)低。此外，在有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50771—2012)中，主要以邊坡重要程度、礦山服務(wù)年限為指標(biāo)，來規(guī)定邊坡合理安全系數(shù)，見表4。

表4 邊坡穩(wěn)定系數(shù)KTab.4 Slope stability factor K

結(jié)合上述不同規(guī)范對露天礦邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)的要求，按照礦山允許露采邊坡部分破壞的思想理念，考慮礦山經(jīng)濟(jì)和安全生產(chǎn)兼顧需求，以及采場邊坡穩(wěn)定性內(nèi)在影響因素(如：軟弱結(jié)構(gòu)面、斷層、節(jié)理裂隙、地下水、巖體力學(xué)性能等)難以全面、詳細(xì)掌握，因此，該文主要以邊坡高度為依據(jù)，劃分邊坡危害等級。結(jié)合規(guī)范規(guī)定后最終確認(rèn)：在自重工況下某礦采場邊坡安全系數(shù)[FS]≥1.20，在自重+降雨和自重+地震工況下[FS]≥1.10，否則邊坡將存在失穩(wěn)風(fēng)險。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

建立二維邊坡模型，采用極限平衡方法研究典型區(qū)段露天采場邊坡穩(wěn)定性?？紤]極限平衡計(jì)算方法，以及礦區(qū)賦存工程地質(zhì)條件，該節(jié)決定采用Janbu法、Spencer法和Morgenstern-Price法進(jìn)行計(jì)算，并對比各方法結(jié)果。

4.1 計(jì)算參數(shù)選取及模型建立

由于缺乏某礦巖體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，因此，結(jié)合采場賦存工程地質(zhì)巖組特征和現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，該數(shù)值計(jì)算以蘭坪鉛鋅礦地區(qū)巖體物理力學(xué)性質(zhì)為參考，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，最終確定合適計(jì)算參數(shù)，見表5。

表5 主要巖體物理力學(xué)參數(shù)Tab.5 Physical and mechanical parameters of main rock mass

目前該礦山缺乏相關(guān)地質(zhì)構(gòu)造資料，因此，該次數(shù)值計(jì)算僅考慮露天邊坡結(jié)構(gòu)特征對其穩(wěn)定性影響。參考露天礦采場境界最新設(shè)計(jì)，選取典型的、位于采場邊坡不同位置的剖面，建立計(jì)算模型，主要剖面包括：I-I、II-II、III-III和IV-IV，最終用于露采邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，剖面截取的具體位置見圖1，剖面形狀見圖2-5。

圖1 采場邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算剖面截取位置Fig.1 Selected profile locations for the slope stability checking

圖2 北幫驗(yàn)算剖面圖III-IIIFig.2 Profile III-III of northern slope stability checking

圖3 南幫驗(yàn)算剖面圖I-IFig.3 Profile I-I of southern slope stability checking

圖4 東幫驗(yàn)算剖面圖IV-IVFig.4 Profile IV-IV of eastern slope stability checking

圖5 西幫驗(yàn)算剖面圖II-IIFig.5 Profile II-II of western slope stability checking

以某礦露天采場各剖面為研究對象，首先需要對模型施加邊界約束，然后對各典型巖層進(jìn)行物理力學(xué)參數(shù)賦值，建立的典型2D仿真數(shù)值模型見圖6。

圖6 露天礦邊坡典型2D模型(北幫III-III)Fig.6 Typical 2D model of open-pit slope

4.2 計(jì)算結(jié)果分析與評價

在數(shù)值計(jì)算中，考慮3種工況，分別為：自重、自重+降雨、自重+地震(7 度，0.15 g)，各工況采用的計(jì)算方法一樣，均為極限平衡法，最終計(jì)算獲得設(shè)計(jì)露天采場邊坡最小安全系數(shù)。部分典型計(jì)算云圖見圖7-15，表5-7分別為3種不同工況下露天采場邊坡各剖面穩(wěn)定系數(shù)列表。

表6 Janbu法計(jì)算結(jié)果Tab.6 Results of Janbu method

表7 Spencer法計(jì)算結(jié)果Tab.7 Results of Spencer method

表8 Morgenstern-Price法計(jì)算結(jié)果Tab.8 Results of Morgenstern-Price method

根據(jù)表5-7和各邊坡典型計(jì)算云圖，可得如下結(jié)論：

(1)在不同工況下，3種計(jì)算方法獲取的該礦段露天采場邊坡安全系數(shù)均分布于1.10～1.30之間，符合安全規(guī)程規(guī)定的安全系數(shù)要求，但是邊坡安全儲備不足；此外，南、北幫安全系數(shù)總體比東、西幫偏小，說明南、北幫邊坡安全穩(wěn)定性總體比東、西幫差，地質(zhì)資料和現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果也表明：這主要由于南、北幫存在軟弱結(jié)構(gòu)面，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度以及邊坡穩(wěn)定性偏低。

(2)從表5-7可見：在相同工況下，同一邊幫的安全系數(shù)較為接近，其值差異很??；此外，圖7-9可見：在相同工況下，Morgenstern-Price法、Spencer法和Janbu法得到的潛在危險滑移面位置相似。

圖7 自重工況-Janbu(北幫，F(xiàn)S=1.230)Fig.7 Condition of deadweight-Janbu(northern slope，F(xiàn)S=1.230)

圖8 自重工況-Spencer(北幫，F(xiàn)S=1.237)Fig.8 Condition of deadweight-Spencer(northern slope，F(xiàn)S=1.237)

圖9 自重工況-MP(北幫，F(xiàn)S=1.230)Fig.9 Condition of deadweight-MP(northern slope，F(xiàn)S=1.230)

圖10 自重工況-Janbu(東幫，F(xiàn)S=1.249)Fig.10 Condition of deadweight-Janbu(eastern slope，F(xiàn)S=1.249)

圖11 自重+降雨工況-Janbu(東幫，F(xiàn)S=1.149)Fig.11 Condition of deadweight and rainfall-Janbu(eastern slope，F(xiàn)S=1.149)

圖12 自重+地震工況-Janbu(東幫，F(xiàn)S=1.101)Fig.12 Condition of deadweight and earthquake-Janbu(eastern slope，F(xiàn)S=1.101)

圖13 自重工況-MP(南幫，F(xiàn)S=1.209)Fig.13 Condition of deadweight-MP(southern slope，F(xiàn)S=1.209)

圖14 自重+降雨工況-MP(南幫，F(xiàn)S=1.107)Fig.14 Condition of deadweight and rainfall-MP(southern slope，F(xiàn)S=1.107)

圖15 自重+地震工況-MP(南幫，F(xiàn)S=1.118)Fig.15 Condition of deadweight and earthquake-MP(southern slope，F(xiàn)S=1.118)

(3)對比圖7-15可見：在3種工況下，除了南幫，各位置最危險滑移面均從坡頂T3w層泥質(zhì)粉砂巖和T3s1-2層白云質(zhì)灰?guī)r剪入，再從中間位置J2h層泥質(zhì)粉砂巖剪出；對于南幫，由于其為順層邊坡，且順層方位接近整體邊坡角，因此，滑移面沿表層(Eyb-1層)角礫狀灰?guī)r剪出。總之，該露天礦均表現(xiàn)出局部區(qū)域的邊坡整體穩(wěn)定問題。

5 結(jié) 語

(1)該次數(shù)值計(jì)算只考慮了賦存巖組結(jié)構(gòu)因素，由于礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水、節(jié)理裂隙、爆破振動等不利因素對邊坡穩(wěn)定的弱化影響，因此，邊坡實(shí)際安全系數(shù)比計(jì)算結(jié)果小。

(2)由于南、北幫順層邊坡安全系數(shù)相對較低，后期開采過程中應(yīng)予以重視。因此，為了確保該處邊坡穩(wěn)定，避免安全事故發(fā)生，應(yīng)采取適當(dāng)主動加固及護(hù)坡措施，避免不利因素觸發(fā)邊坡巖體滑坡。在生產(chǎn)過程中，應(yīng)加強(qiáng)邊坡維護(hù)和治理，定期清掃邊坡，防止浮石掉落造成安全事故；此外，還應(yīng)加強(qiáng)邊坡防排水工作，避免積水涌入邊坡區(qū)域，造成巖石軟化及結(jié)構(gòu)面弱化。