某废弃陶瓷矿边坡稳定性分析及治理设计

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(贵州大学 国土资源部喀斯特环境与地质灾害重点实验室，贵阳 550033)

0 引 言

近年来，随着经济等各方面的快速发展，国内外的露天开采技术发展越来越迅速。按现有的矿山生产能力计算，随着露天开采技术的不断发展壮大，露天开采的规模和深度将日益增大，使开采地段的地质条件变得越来越复杂，导致露天边坡的稳定性和安全性也越来越差。有些公路、铁路等交通路线，往往会穿过这些地质条件比较复杂的地段，而且经常受到崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的威胁。由于滑坡等灾害通常会毁坏沿途的交通路线，使路基遭到破坏，造成巨大的生命财产损失。因此，对边坡进行稳定性分析及治理设计就显得尤为重要。

1 研究区地质概况

1.1 自然地理概况

龙南县位于南岭东端北侧，总地势北东低、南西高，周边多山，以低山为大多数。中部则多为丘陵和盆地。废弃陶瓷矿位于江西省赣州市龙南县东江乡，地处龙南县城南部，矿区面积约为0.3 km2，距北西约4 km处为大广高速，交通便利。

1.2 地形地貌与地层岩性

矿区地貌属于低山丘陵，地形南高北低，矿区内由于露天开采而形成不同高度的露天边坡，加之风化作用的影响，沟谷纵横发育。海拔标高一般在240～400 m。

该陶瓷矿内岩浆岩分布广泛，由于风化作用的影响，显示出风化岩石的结构构造、物质成分等在垂直剖面上都存在差异。现综合分析陶瓷矿区岩土和地貌类型，自上而下可划分为表土层、全风化层、半风化层、基岩。

上述各层均没有明显的界线，均呈过渡与渐变的关系。

1.3 水文气象条件

该区为亚热带东南风松散岩类孔隙水季风气候，温暖潮湿，四季分明，雨水充沛，降雨量在时空分布上差异较大，常常出现短时暴雨。矿区内一年中的平均降雨量大约为1 500～1 550 mm，其中最大的降雨量约2 590 mm，最小降雨量约940 mm。除此之外，年降雨量的多少还与地形的高低和地貌有关，地形越高，表现为降水量也越丰富。

1.4 工程地质条件

由于矿区的矿体大都赋存于花岗岩风化壳中，而开采方式为露天开采，因此在矿区内存在的工程地质问题主要是地面的稳定性。全风层不仅厚度大而且结构松散，强风化层的裂隙极为发育，岩体不完整，在进行原地浸矿时，只要形成地下水与地表水积聚边坡，就容易使原地浸矿开采地区边坡失稳，从而发生崩塌滑坡灾害。

2 边坡稳定性分析及评价

2.1 定性分析

主要从水文情况、工程地质两个方面进行分析。

2.1.1 水文情况方面

研究区属于亚热带季风气候，温暖潮湿，雨量充沛，年平均降雨量1 510.8 mm，最大降雨量2 595.5 mm。水是导致边坡失稳的主要外因，对边坡失稳有很大的影响，比较直观的表现是边坡滑坡、坍塌等，尤其是在雨水比较充沛的季节，边坡极易发生失稳破坏。

2.1.2 工程地质方面

该研究区的边坡岩性为岩浆岩类，该类岩石为中粒白云母花岗岩和黑云母花岗岩，上覆很薄的腐植土，夹杂有花岗岩和石英岩碎块，厚1～2 m。由于露天开采形成的露天边坡表面风化严重，强风化层厚2～35 m，厚度较厚，强风化带多呈砂土状，微裂隙甚为发育，裂隙中往往被黏土矿物充填，结构松散，透水性强，凝聚力弱；加之边坡坡度较陡，尤其是在雨水的冲刷下，边坡极不稳定。

2.2 定量分析

根据边坡实际情况，选择刚体极限平衡法中的瑞典条分法来分析。以Ⅳ-段露天边坡为研究对象，选取比较典型的F-F′剖面为计算剖面，见图1、图2。

图1 Ⅳ-段露天边坡平面图

图2 F-F′边坡剖面图

Ⅳ-段露天边坡滑动区域主要发生在全风化区域，而陶瓷矿区花岗岩占大多数，这里以全风化花岗岩的力学参数作为F-F′剖面①区和②区计算参数计算参数，见表1。

对①区用瑞典条分法计算，结果见图3、表2。

表1 参数选取

图3 坡F-F′剖面①区计算剖面图

土条编号土条宽度bi/m土条中心高hi/m土条重度Wi/kNα/(°)WisinαI /kNWicosαI/kN ∧L/M13.31.6899.792712.1699.0523.34.28254.2321252.86248.6833.318.911123.25418347.101068.2843.318.061104.8424.5458.171005.3653.316.901003.8631517.03860.4863.314.94887.43638546.36699.3173.312.21725.27446521.72503.8283.38.52506.08854.5412.01293.8990.482.8024.1926421.7410.61合计2889.154789.4839.15

稳定安全系数K:

对于②区同样可以计算出稳定安全系数K=1.20。

2.3 边坡稳定性综合评价

就研究区而言，其所处的地理位置交通便利，研究区所在陶瓷矿虽已废弃，但若偶有行人路过，或再次在边坡进行作业时，若边坡发生滑动仍会对其生命财产造成危害。综合考虑边坡的实际情况以及在稳定性计算中采用的瑞典条分法，对于研究区，稳定安全系数在1.20～1.35取值。

根据边坡稳定安全系数的大小，就可以确定边坡目前所处的稳定状态。通过稳定系数,将边坡稳定状态进行划分，见表3。

实际研究区边坡岩体风化严重，属于土质边坡，通过综合考虑，其稳定性计算结果见表4。

表3 边坡稳定状态划分

表4 稳定性计算结果

综上所述，通过以上对研究区边坡稳定性的定性分析与定量分析可以看出，研究区路面以上的边坡处于不稳定状态，示意图见图4。

图4 研究区边坡不稳定区域示意图

3 边坡治理设计

3.1 卸载设计

根据对边坡的分析，考虑到边坡上部荷载及较陡坡度的影响，可能由于上部荷载而发生推动式滑坡，对此需要对边坡上部进行卸载设计，改变边坡坡率与形状，以达到治理的目的。研究区易发生滑坡的边坡地段为强风化岩石，矿区所处地理位置交通便利，采用机械开挖。

这里选用边坡处理方式为上部削坡方案，采用后仰放坡的方式削坡，相关参数见表5。

表5 削坡相关参数

考虑到计算中只考虑了边坡的自身重力，而在实际情况中其实还有降雨和地震的影响，所以预计削坡后其稳定安全系数至少达到1.30，边坡才算稳定，边坡削坡设计图见图5。

按设计削坡，削坡后坡度为1∶2.01，削坡后的边坡示意图见图6。

图5 削坡设计图

图6 削坡后剖面示意图

用瑞典条分法可以计算出削坡后的边坡稳定安全系数K=1.40，边坡基本处于稳定状态。因此可知，横向以及竖向的剪应变速率都非常小，几乎可以忽略不计，说明斜坡处于一个稳定的状态。

3.2 回填反脚设计

前面用削坡的方法减少了边坡的下滑力，由研究区边坡的地质概况分析，边坡的坡脚较薄，可以采用回填反脚的方法来提高边坡的抗滑力，从而提高边坡的稳定性。

回填反脚的原理简单，研究区边坡路宽为13～25 m，为了不影响正常通行，将回填起点设在距坡脚3 m处。回填前先挖除回填区域基底原始软弱土层，采用碎石块换填，换填深度为0.5 m，坡度与边坡卸载后的坡度一致，采用分级回填。在距坡底2 m处开始设台阶，共设6级台阶，1～5级台阶宽度为1.5 m，高度为0.8 m，最后一级台阶宽5 m,回填总宽度为14.5 m，高度为6 m，详细设计图见图7。

图7 回填设计图

3.3 排水系统的设计

3.3.1 坡脚排水设计

在滑坡体周围设置排水沟，以排除地表水，对提高研究区边坡的稳定性都是有必要的。

经过查资料可得到研究区暴雨强度公式如下：

式中：p为设计降雨的重现期，年；t为降雨历时，min。

根据调查，p取20年，t取25 min，则：

=102.81 mm/h

地表水汇流可根据中国水利科学学院水文研究所小汇水面积设计流量公式计算(在计算中，由于缺乏对当地流域汇流时间数据的具体收集，这里不予考虑)，公式如下：

Qp=0.278·ψ·F·Sp/τn

式中：Qp为设计地表水汇流量，m3/s；Sp为设计降雨雨强，mm/h；ψ为径流系数；F为汇水面积，km2；τ为流域汇流时间；n为降雨强度衰减系数。

通过计算，研究区汇水面积F=0.006 km2,径流系数ψ取0.6(表6)，设计降雨雨强Sp=102.81 mm/h，代入公式计算为：

Qp=0.278·ψ·F·Sp

=0.278×0.6×0.006×102.81

=0.10 m3/s

表6 径流系数取值参考表

预设排水沟内侧槽宽为0.5 m,高为0.7 m，垂直厚度为0.175 m，底部水平厚度为0.225 m，设计图见图8。

图8 坡脚排水沟设计图

排水沟过水断面为：

A=BH=0.35 m2

水力半径为：

平均流速：

式中：v为流速，m/s；R为水力半径；I为排水沟坡度；N为沟壁的粗糙系数。

通过查表，排水沟坡度取0.01，沟壁的粗糙度系数取0.015，则：

排水沟的泄水能力：

Qc=vA=3.2×0.35=1.12

通过计算可知，排水沟的泄水能力Qc>排水沟的汇水能力Qp，而排水沟采用水泥混凝土，流速v=3.2，在明沟允许的最大流速范围内，符合边坡实际情况。水深为0.4～1.0 m时，明沟最大允许流速参见表7。

表7 明沟最大允许流速 /m·s-1

3.3.2 坡面排水设计

同样按上面的计算方法，可以计算出研究区汇水面积F=0.003 5 km2,径流系数ψ取0.6，设计降雨雨强Sp=102.81 mm/h，代入公式为：

Qp=0.278·ψ·F·Sp

=0.278×0.6×0.0035×102.81

=0.06 m3/s

预设排水沟内侧槽宽为0.4 m,高为0.6 m，垂直厚度为0.15 m，底部水平厚度为0.175 m，设计图见图9。

图9 坡面排水沟设计图

排水沟过水断面为：

A=BH=0.24 m2

水力半径为：

平均流速：

通过查表，排水沟坡度取0.01，沟壁的粗糙度系数取0.015，则：

排水沟的泄水能力：

Qc=vA=1.5×0.24=0.36

同样可得，排水沟的泄水能力Qc>排水沟的汇水能力Qp，而排水沟采用水泥混凝土，流速v=1.5 m/s，在明沟允许的最大流速范围内，符合边坡实际情况。

排水沟布置剖面图见图10。

图10 排水沟布置剖面图

治理设计工程布置平面图见图11。

图11 治理设计工程布置平面图

4 结 论

1) 将研究区边坡分为东段和西段，西段即路面以下的部分目前还处于稳定状态，稳定性比较好。而东段即路面以上的边坡，坡度较陡，坡度在32°～47°之间，而边坡上部分的坡度更是达到80°，极不稳定。通过定性定量分析可以得出，研究区段可能出现的地质灾害为滑坡，定量分析主要选取典型的F-F′边坡，用刚体极限平衡法中的瑞典条分法进行分析计算。

2) 研究区段所处龙南县地区全年降雨集中，一年中的平均降雨量大约为1 500～1 550 mm，在进行边坡治理时还充分考虑降雨的影响。因此，对边坡采用削坡减载、底部回填、设置排水沟的方式进行治理。削坡时按1∶2.01的坡率进行削坡，底部回填前以花岗岩碎石换填原来较为软弱的土质地基，排水沟分为坡面排水沟和坡脚排水沟，最大限度将降雨对边坡稳定的影响程度降到最低。