周 勇

（四川鑄創(chuàng)安全科技有限公司，四川 成都 610000）

露天采場邊坡的穩(wěn)定性受多種因素影響，例如：邊坡高度、邊坡角、巖土力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)面等等。邊坡體中賦存的結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，且賦存有軟弱夾層介質(zhì)，邊坡穩(wěn)定性會(huì)受到影響，可能會(huì)造成邊坡局部垮塌、滑坡等災(zāi)害[1-3]。

在露天采場邊坡穩(wěn)定性研究方面，多位學(xué)者開展了相關(guān)研究工作。余正方等[4]利用2 種方法，對場邊坡進(jìn)行了極限平衡分析與數(shù)值模擬分析，得到了邊坡穩(wěn)定性結(jié)果；習(xí)泳等[5]采用多種分析方式對礦山邊坡分析了穩(wěn)定性問題，進(jìn)一步解決了礦山生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的采剝不協(xié)調(diào)的問題；李琪琪等[6]利用多種方法，開展了邊坡穩(wěn)定性分析工作，評價(jià)了邊坡的安全性；尤耿明等[7]以含軟弱夾層的邊坡體作為研究對象，研究了軟弱夾層巖土體致使邊坡滑坡的機(jī)理；楊天寶[8]依據(jù)具體的工程地質(zhì)條件，將露天采場劃分為多個(gè)分區(qū)，采用極限平衡分析方法對分區(qū)進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性分析，得到了最危險(xiǎn)的區(qū)域。

龍頭－硐底石灰石礦位于四川省境內(nèi)，根據(jù)礦山地形、地質(zhì)條件及礦山開采規(guī)模，采用自上而下、水平分層的露天采礦方法，其設(shè)計(jì)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為：生產(chǎn)臺(tái)階高度15 m；工作臺(tái)階坡面角75°；最小工作平臺(tái)寬度45 m；最小工作線長度150 m（單臺(tái)采裝設(shè)備）。該石灰石礦露天采場巖體結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，并存在軟弱夾層，對露天邊坡的穩(wěn)定性十分不利。因此，為論證該石灰石礦設(shè)計(jì)邊坡的安全穩(wěn)定狀況，采用有限元和極限平衡方法對該露天邊坡開展了穩(wěn)定性分析。

1 礦山地質(zhì)

礦區(qū)出露志留系中統(tǒng)及上統(tǒng)、二疊系下統(tǒng)分布。

1）志留系中。統(tǒng)分布于礦區(qū)南部，巖性以砂、頁巖夾泥灰?guī)r為主，與下伏地層呈整合接觸，厚約426 m。

2）志留系上統(tǒng)。上志留統(tǒng)：分布于礦區(qū)南部，巖性主要為紫紅色頁巖及紫紅色泥巖。與下伏地層呈整合接觸，厚約134 m。

3）二疊系下統(tǒng)。①棲霞組：分布于礦區(qū)中部，巖性主要為淺灰－灰色微晶灰?guī)r夾生物碎屑灰?guī)r，為礦區(qū)內(nèi)石灰?guī)r礦體，與下伏上志留統(tǒng)地層呈假整合接觸，厚約129 m；②茅口組：分布于礦區(qū)北部，巖性主要為淺灰色至深灰色生物碎屑灰?guī)r夾灰?guī)r，為礦區(qū)內(nèi)石灰?guī)r礦體，與下伏棲霞組地層呈整合接觸，厚約390 m；③第四系：礦區(qū)內(nèi)第四系分布較為廣泛，總體覆蓋率約85%，但厚度較薄。除礦區(qū)北部臨近公路一側(cè)因地勢相對低洼而厚度較大外，其余分布于棲霞、茅口組表面的第四系沉積物厚度均很小，一般厚約0.30～1.30 m，局部漏斗處可達(dá)1.50～2.00 m，但漏斗規(guī)模極小，第四系覆蓋地段亦即礦區(qū)耕作土或竹林，覆蓋物成分主要為石灰?guī)r風(fēng)化后形成的殘積物及坡積物，由黃灰色粉質(zhì)黏土及少量碎石組成。

礦區(qū)位于珙長背斜西段北翼，地層呈單斜層產(chǎn)出，未見破壞礦層和地層的斷裂構(gòu)造。地層總體呈北西西-南東東向展布，傾向約12°～18°，傾角59°～73°。區(qū)內(nèi)發(fā)育有2 組裂隙，1 組為順層裂隙（層間裂隙），另1 組為垂直裂隙。在地表水和地下水的作用下，灰?guī)r中的這2 組裂隙演變?yōu)閹r溶裂隙。

巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2 極限平衡分析

2.1 許用安全系數(shù)

采用slide 極限平衡分析軟件開展了龍頭－硐底石灰石礦邊坡的安全系數(shù)分析。依據(jù)規(guī)范要求，邊坡需要開展4 種工況的分析：①工況Ⅰ：自重加地下水條件；②工況Ⅱ：自重與地下水、爆破振動(dòng)力組合條件；③工況Ⅲ：自重與地下水、地震力組合條件；④工況Ⅳ：自重與地下水、降雨組合條件[3-9]。4 種工況下的許用安全系數(shù)分別為[10]1.20、1.15、1.10、1.10。

若剖面極限平衡分析得到的安全系數(shù)結(jié)果大于許用安全系數(shù)時(shí)就屬于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)安全系數(shù)結(jié)果大于1 且小于許用安全系數(shù)時(shí)就屬于基本穩(wěn)定；當(dāng)安全系數(shù)結(jié)果小于1 時(shí)就屬于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 分析結(jié)果

3 個(gè)邊坡剖面的安全系數(shù)見表2。

表2 邊坡剖面安全系數(shù)

由表2 已知，各邊坡穩(wěn)定性工程地質(zhì)分區(qū)在4種工況條件下，計(jì)算所得邊坡整體安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的安全系數(shù)。分析結(jié)果說明了設(shè)計(jì)的邊坡角的角度能夠保證邊坡穩(wěn)定性。

分析軟件采用了Bishop、Spencer 與M－P 計(jì)算方法，最終得到的安全系數(shù)大小差異較小。因此，可以說明本次采用的3 種計(jì)算方法對邊坡安全系數(shù)影響較小，分析方法對邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果影響可以忽略不計(jì)。通過計(jì)算結(jié)果可知，在同一個(gè)邊坡角前提下，邊坡高度越高，安全系數(shù)越小。邊坡角大小是影響邊坡安全系數(shù)大小的重要因素之一，其中剖面3 是3 個(gè)計(jì)算剖面中安全系數(shù)最小，主要是因?yàn)槠拭? 處設(shè)計(jì)的整體邊坡角為51.15°，邊坡角比其他區(qū)域的要大。由表2 可得到，剖面3 的安全系數(shù)在工況Ⅰ條件下為1.203，比較接近規(guī)范要求的1.20；在工況Ⅱ條件下的安全系數(shù)為1.163，比較接近規(guī)范要求的1.15；在工況Ⅲ條件下的安全系數(shù)為1.117，比較接近規(guī)范要求的1.10；在工況IV 條件下的安全系數(shù)為1.110，比較接近規(guī)范要求的1.10。因此，可以判定剖面3 處邊坡的邊坡角已經(jīng)達(dá)到優(yōu)化結(jié)果最大化程度了。

在4 種工況條件下，工況IV 與工況III 的安全系數(shù)接近，總體工況IV 比工況III 的安全系數(shù)要小。在相同許用安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)下，需要使邊坡安全系數(shù)較小的工況滿足要求。

3 二維有限元分析

采用phase 有限元模擬軟件，開展了石灰礦邊坡穩(wěn)定性二維模型計(jì)算分析。

3.1 剖面1 結(jié)果

剖面1 剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖如圖1，剖面1 位移計(jì)算結(jié)果云圖如圖2。

圖1 剖面1 剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖

圖2 剖面1 位移計(jì)算結(jié)果云圖

由圖1 已知，剖面1 模型坡體的破壞區(qū)主要為拉剪破壞區(qū)，拉破壞區(qū)主要分布在臺(tái)階坡面及坡面底部與平臺(tái)交接區(qū)域，整體分布在邊坡中部區(qū)域。

剪切破壞區(qū)主要分布在坡體深部巖體和坡腳。主要表現(xiàn)為從邊坡坡頂后部往坡體巖體內(nèi)部發(fā)展變化，貫穿到坡腳，類似圓弧形滑動(dòng)的潛滑面。強(qiáng)度折減法計(jì)算的安全系數(shù)為F＝1.79。

由圖2 已知，剖面1 模型開挖坡體的位移主要是向采場移動(dòng)，位移較大處為坡體中部范圍，最大值為0.30 m。

3.2 剖面2 結(jié)果

剖面2 剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖如圖3，剖面2 的剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖如圖4。

圖3 剖面2 的剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖

圖4 剖面2 位移計(jì)算結(jié)果云圖

由圖3 已知，剖面2 模型坡體的破壞區(qū)主要為拉應(yīng)力破壞區(qū)和剪切破壞區(qū)。拉破壞區(qū)主要分布在臺(tái)階坡面及坡面底部與平臺(tái)交接區(qū)域，整體分布在邊坡中部區(qū)域。剪切破壞區(qū)主要分布在坡體深部巖體和坡腳。主要表現(xiàn)為從邊坡坡頂后部往坡體巖體內(nèi)部發(fā)展變化，貫穿到坡腳，類似圓弧形滑動(dòng)的潛滑面。強(qiáng)度折減法計(jì)算的安全系數(shù)為F＝1.33。

由圖4 已知，剖面2 模型開挖坡體的位移主要是向采場移動(dòng)變化，位移較大處為坡體中部范圍，最大值為0.10 m。

3.3 剖面3 結(jié)果

剖面3 剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖如圖5。剖面3 位移計(jì)算結(jié)果云圖如圖6。

圖5 剖面3 剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖

圖6 剖面3 位移計(jì)算結(jié)果云圖

由圖5 已知，剖面3 模型坡體的破壞區(qū)主要為拉應(yīng)力破壞區(qū)和剪切破壞區(qū)，拉破壞區(qū)主要分布在臺(tái)階坡面及坡面底部與平臺(tái)交接區(qū)域，整體分布在邊坡中部區(qū)域。剪切破壞區(qū)主要分布在坡體深部巖體和坡腳。主要表現(xiàn)為從邊坡坡頂后部往坡體巖體內(nèi)部發(fā)展變化，貫穿到坡腳，類似圓弧形滑動(dòng)的潛滑面。強(qiáng)度折減法計(jì)算的安全系數(shù)為F＝1.27。

由圖6 已知，剖面3 模型開挖坡體的位移主要是向采場移動(dòng)變化，位移較大處為坡體中部范圍巖體，最大值為0.119 m。

4 結(jié)語

石灰石礦邊坡體中的結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，且賦存有軟弱夾層，影響邊坡穩(wěn)定性。采用phase 和slide分析軟件開展了邊坡穩(wěn)定性安全論證。

1）各邊坡剖面在4 種工況條件下，計(jì)算所得邊坡整體安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的安全系數(shù)，設(shè)計(jì)的邊坡角情況下，邊坡整體是安全穩(wěn)定的。

2）坡體的破壞區(qū)主要為拉應(yīng)力破壞區(qū)和剪切破壞區(qū)。拉破壞主要分布在臺(tái)階坡面及坡面底部與平臺(tái)交接區(qū)域，整體分布在邊坡中部區(qū)域。坡體中部以上坡面處也存在少量拉應(yīng)力破壞區(qū)，最大深度約為12～15 m。

3）剪切破壞區(qū)主要分布在坡體深部巖體和坡腳。主要表現(xiàn)為從邊坡坡頂后部往坡體巖體內(nèi)部發(fā)展變化，貫穿到坡腳，類似圓弧形滑動(dòng)的潛滑面。

4）邊坡最大位移值出現(xiàn)在坡體中部范圍，最大值為0.30 m。