中等倾角顺层高边坡结构优化与稳定性研究

韩新平 卢晨怡

(1.中冶华天工程技术有限公司；2.安庆职业技术学院)

露天矿山开采形成了很多的人工开挖边坡。由于边坡地质条件与结构参数的不同，边坡的结构形式也多种多样。在露天开采边坡中，顺层边坡是一种不利于稳定的边坡结构形式，因此，对顺层边坡的变形、稳定和结构优化显得尤为重要，直接关系到矿山的安全生产与经济效益。

顺层边坡的滑坡机理及稳定性一直是工程界较为关注的问题，已有研究人员进行了相关研究。王辉[1]在合理划分顺层边坡类型的基础上，系统研究了岩层厚度对顺层岩质边坡失稳机理，得出了厚层夹薄层边坡稳定性系数与岩体厚度成反比，薄层边坡临界坡长与层面倾角成反比，厚度小的边坡更易发生溃屈破坏。李亮辉[2]在原位软弱结构面剪切试验的基础上，采用力学分析和数值模拟相结合的手段对顺层岩质边坡的变形破坏机制和稳定性进行研究。牛双建等[3]基于正交试验设计方法，采用极限平衡法分析了边坡高度、结构面倾角、结构面黏聚力、结构面摩擦角等多种因素对顺层岩质边坡稳定性的影响。张敏[4]采用地质成因分析的手段对边坡的形成演化机理进行了分析研究，并在此基础上建立边坡变形破坏机制的概念模型，最后提出了采用抗滑桩或者锚拉抗滑桩的边坡治理方案。毛明等[5]在查明边坡结构特征以及地层岩性特征的前提下，对一顺层边坡破坏机理和稳定性进行研究分析，最后通过预应力锚杆对边坡进行加固。朱晗迓等[6]根据多层层状岩质边坡的溃屈破坏模式，采用特殊函数理论进行分析，得出各层岩体溃屈曲线的理论公式，并对边坡溃屈破坏的临界坡长和破坏位置进行了求解。上述研究基本都从顺层边坡的破坏机理、影响因素和破坏模式上进行了研究，而对于露天矿山顺层边坡结构如何优化，尤其是中等倾角顺层边坡的研究较少。

本文以某露天矿顺层高边坡为研究对象，通过现场地质调查、勘察和试验等对采场边坡结构、层面结构、地层特征和物理力学特征进行研究，基于边坡安全稳定和经济合理，对边坡结构进行优化及稳定性分析。

1 边坡概况

1.1 边坡现状

某露天开采磷矿设计采场顶部周界为2 200 m×740 m(长×宽)，底部周界为1 820 m×20 m(长×宽)，形成一个高300 m的底板边坡。底板边坡段高10 m，沿矿体底板。目前边坡高度为250 m，边坡台阶高10～15 m，宽5～10 m，台阶边坡倾角为30°～35°，整体边坡倾角为23.5°，边坡倾向NE77°，层面倾角为25.7°～29°，层面倾向NE72.3°～84.8°，为典型的顺层边坡。边坡岩体裂隙发育，张裂缝宽0.1～0.3 cm，缝间充填物以泥质及岩屑为主，平均间距为0.2～0.4 m，结合差，岩体破碎，强风化～全风化，雨水侵蚀后多呈砂状或黏土状。边坡坡面现状见图1。

图1 边坡坡面现状

1.2 边坡工程地质

该顺层边坡为一背斜东翼，边坡岩体结构除层面外，另外有2组节理面，产状分别为210°～227°∠65°～80°、291°～319°∠71°～82°。边坡面受2组节理切割，在边坡后缘易形成拉裂缝破坏。雨水通过裂隙渗入边坡内，造成边坡岩体抗剪强度降低，边坡前缘临空，易产生顺层滑动。边坡工程地质典型剖面见图2。

边坡岩体主要地层：

(1)梅树村组第二段(∈1m2)为构成晋宁磷矿东采区西侧边坡主要地层，强风化，灰～深灰色，含云母粉砂质白云岩，层纹厚0.1～4cm，由深浅两色相间构成，深色为粒状胶磷矿及粉砂，浅色为白云石及泥质成分，一般厚10～15 m，与黏土岩、砂页岩呈厚度不一的互层。

图2 边坡工程地质典型剖面

(2)梅树村组第一段(∈1m1)为灰、灰白色薄-中层状白云岩，厚7～25 m，夹黑色薄层状(0.5～8 cm)燧石层，燧石常呈脉状及波状层理，有时呈透镜状层理，该段夹有20余层燧石层，其频率约8.5条/m。白云岩层厚5～10 cm，燧石层厚3～7 cm，强风化。

(3)上震旦统灯影组(Zbdn)为勘察区内最古老地层，厚度大于300 m，浅灰色厚层状隐晶～细晶白云岩，全～强风化，稍湿，碎块状。

1.3 边坡岩体物理力学性质

通过对边坡进行勘察与试验，得出边坡岩体物理力学参数，见表1。

表1 岩体物理力学参数

从上述边坡地质条件可以看出，边坡稳定性除了受降雨和岩体物理力学性质影响外，对该边坡影响较大的因素是边坡结构，边坡前缘由于开挖造成临空，后缘受节理裂隙切割，造成边坡在不利外因作用下的顺层滑动。

2 边坡结构优化

根据上述边坡结构现状，为了提高边坡结构自身的稳定性，应放缓台阶坡面角，使其不大于层面倾角，但由此造成整体边坡趋缓。因此,采用提高台阶高度、减少台阶来满足原先设计的整体边坡角，甚至超过原先设计的整体边坡角，以减少矿山废石剥离。

2.1 台阶坡面倾角

台阶剖面倾角可根据顺层边坡层面倾角α与边坡角β的关系来确定。当α>β时，边坡虽然是稳定的，但边坡过缓，剥离量增大，不够经济；当α<β时，边坡处于不稳定状态；当α=β时，边坡是稳定的。通过对边坡岩体结构面产状调查分析，得出边坡岩体层面倾角总体在25.7°～29°，因此，台阶边坡角总体按26°～29°确定。

2.2 台阶高度

矿区所处位置雨季降雨量大，持续时间长，加上边坡岩体比较破碎，在发生溃屈破坏之前就已经产生沿软弱面的滑动破坏，因此，台阶边坡的高度可按单台阶边坡的稳定性计算确定。地震基本烈度按8度计，采用Morgenstern-Price法分别计算20，24和30 m高度下台阶边坡稳定性，结果见表2。

表2 不同高度台阶边坡安全系数

从表2看出，台阶高度为30 m时，台阶边坡基本处于极限平衡或失稳状态，对安全生产不利；台阶高度为24 m时，台阶边坡稳定性仅能满足要求，基本无富余；台阶高度20 m时，安全系数稍高，具有一定的安全储备，保证台阶边坡稳定性的同时，对整体边坡稳定性起到积极作用，最终取台阶边坡高度为20 m，大于现状边坡台阶高度。

2.3 平台宽度

在确定台阶边坡倾角与台阶边坡高度的基础上，根据安全和生产需要合理确定平台宽度。该顺层边坡无运输道路，在此仅考虑滚石的阻挡，因而确定平台宽度可用滚石理论来计算。采用Rocscience RocFall[7]对边坡滚石进行计算，该方法采用集中质量法对滚石进行简化，即认为滚石形状为一具有质量的质点，以保证某一级台阶上的所有滚石运动终点落在该级平台上为标准，确定平台宽度。滚石运动计算的轨迹见图3。

图3 滚石运动轨迹计算示意

为减小剥离量，提高台阶边坡角，通过对不同台阶高度、不同台阶坡面倾角组合下滚石运动的计算，得出平台最小宽度的计算结果，见表3。

表3 不同台阶高度与不同台阶倾角情况下的平台宽度

根据边坡已有的结构参数，对应取台阶高度20 m，台阶边坡倾角30°,平台宽度计算结果为2.2 m。实际的平台宽度应在上述计算的基础上适当增加安全距离，一般取0～3 m，此处安全距离取2 m。因此，在确定边坡结构时，取平台宽度不小于4.2 m。

3 稳定性分析

根据上述边坡结构优化方案，采用Morgenstern-Price法对现状边坡、边坡结构优化前和优化后的边坡稳定性进行分析，计算结果见图4、表4。可以看出，现状边坡在地震情况下不稳定；优化前终了边坡在无地震与地震2种情况下，边坡都不稳定；而通过优化的终了边坡在任何情况下都是稳定的。因此，在不放缓整体边坡角的前提下，通过对边坡结构进行优化，边坡稳定性明显提高，对露天矿山开采的安全性和经济性具有重要意义。

图4 边坡稳定性计算滑面

4 结 论

(1)由于现状边坡边坡层面倾角α小于台阶边坡角β，造成边坡前缘被开挖形成临空面，后缘受节理裂隙切割，从而导致边坡自身结构不稳定滑动。

表4 边坡稳定性计算结果

(2)针对现状边坡的结构特点，放缓台阶坡面倾角，使台阶坡面倾角等于层面倾角；增大台阶高度，减少平台数量，合理确定平台宽度，尽可能提高整体边坡角以减少矿山废石剥离，保证了露天矿山开采的安全性与经济性。

(3)通过对边坡结构优化前、后的边坡稳定性分析，该边坡结构优化方案能明显提高边坡稳定性，为类似露天矿山边坡的设计提供借鉴与参考。

[1] 王 辉.岩层厚度对顺层岩质边坡失稳机理的影响[D].贵阳：贵州大学,2009.

[2] 李良辉.顺层岩质边坡软弱结构面原位剪切试验及其稳定性分析研究[D].武汉：华中科技大学,2004.

[3] 牛双建,东兆星,李顺波,等.顺层岩质边坡稳定性影响因素综合分析[J].四川建筑,2008,28(5):81-85.

[4] 张 敏.缓倾角顺层岩质边坡稳定性分析与支护效果评价[D].成都：成都理工大学,2009.

[5] 毛 明,周晓宇,周治平,等.缓倾顺层岩质边坡变形破坏及处治技术研究[J].路基工程,2015(6):178-182.

[6] 朱晗迓,马美玲,尚岳全.顺倾向层状岩质边坡溃屈破坏分析[J].浙江大学学报(工学版),2004,38(9):1144-1149.

[7] L R Alejano,B Pons,F G Bastante,et al.Slope geometry design as a means for controlling rockfalls in quarries[J].International Journal of Rock Mechanics&Mining Sciences,2007(44):903-921.