矿坑生态修复工程边坡加固稳定性分析研究*

何昌杰，李建新，粟元甲，田湖南，陈洪涛

(1.中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004； 2.中建五局第三建设有限公司，湖南 长沙 410004； 3.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430000)

对废弃矿坑进行生态修复，进行开发再利用是国家绿色发展的战略目标。在对废弃矿坑生态修复和开发再利用的过程中，首先要解决矿坑边坡稳定性问题。为准确了解边坡稳定性问题，做出最合理的加固方案，确保边坡稳定，前期的边坡稳定性分析尤为重要。特别是地质复杂的矿坑边坡更加需要使用合理的方法和工具，准确计算出各类边坡稳定性安全系数来进行边坡稳定性分析，制订合理有效的加固方案，确保边坡安全。

1 地质概况

长沙冰雪世界项目上层村落场地位于湘江西岸。场地原始地貌单元为湘江河流冲积Ⅱ级堆积阶地。场地地势起伏较大，区域地形高差16m。

1.1 地质构造

长沙位于东南地洼区雪峰地穹系湘江地洼列幕阜地穹西南端的乌山洼凸区，经历了槽、台、洼三大构造演化阶段，现已进入余动期。中生代以降，形成了NE-NNE向展布的断隆、断陷。第四系构造运动以差异性升降运动为主，在场地内形成了多级阶地。

1.2 地层岩性

1.3 不良地质作用

1)岩溶 整个冰雪世界场地岩溶很发育，大部分均有充填物，为浅埋型岩溶，岩溶形态以溶洞或溶隙为主，其次为溶蚀小孔，基岩顶部发育有溶沟(槽)。

2)高边坡 场地西北高、东南低，高差近16m，存在多级不规则边坡，且边坡仅局部做临时喷混凝土处理，经雨水冲刷、掏空，边坡多处出现小范围坍塌现象。施工时，应采取必要措施对高边坡进行支护处理。

1.4 场地稳定性评价

勘察过程中除岩溶外未发现有其他影响场地稳定性的滑坡、塌陷及全新断层等不良地质作用，场地处于基本稳定状态。

2 边坡加固设计参数

项目边坡三维形态及分区如图1所示。

图1 边坡形态三维示意

2.1 设计计算参数

根据《长沙冰雪世界项目岩土工程详细勘察报告》《桐溪湖矿坑生态修复利用工程现场直剪试验报告》，得到岩土层设计计算参数，如表1所示。

表1 各岩(土)层设计参数

2.2 主要荷载参数

项目岩壁与建筑物关系复杂，不同区段和标高的荷载情况各异。设计计算的荷载根据冰雪世界主体设计单位提资确定。与坑壁边坡有关的荷载自上而下主要如下。

1)A，B区地下室单根桩荷载均值约7 000kN，最大达到10 206kN，桩荷载作用于微风化岩体，作用标高为41.000m或43.000m。

2)挡土墙及墙后填土荷载约200kPa，作用标高在30.000m左右。

3)坡面马道地下室柱荷载为1 000kPa左右，作用标高范围为16.000～30.000m。

4)16.000m标高平台柱采用独立基础，荷载719～2 437.5kPa；环梁竖向荷载800kN/m，水平荷载200kN/m。

5)-17.000m标高坑壁的连梁梁端嵌入坑壁，竖向荷载约700kN，水平荷载200kN/m。

3 临时边坡稳定性分析

本工程边坡为一级边坡，临时边坡安全系数取1.25。

根据勘察报告，钻孔揭露土层未见地下水，本次计算分析仅考虑暴雨条件下岩土物理力学参数(黏聚力和内摩擦角)的弱化折减。根据 GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》第4.3.3条规定，考虑岩体完整程度，折减系数取0.85。

3.1 土质边坡临时稳定性计算

土质边坡临时稳定性计算考虑3种工况：①削坡； ②削坡施加临时荷载；③削坡施加临时荷载加地震力。

各区受力情况根据《长沙冰雪世界坡面施工荷载情况》确定。其中各区坡顶承受临时荷载52kPa，作用范围为坡顶外2～9m，共7m宽度。各级马道承受临时荷载26kPa(见图2)。

图2 计算剖面荷载(单位：kN·m-2)

3.1.1A区土质边坡临时稳定性分析

A区域取3个剖面进行稳定性安全系数计算和加固设计，工况取削坡、削坡加载及削坡加载加地震3种，3种工况按暴雨情况考虑。各剖面安全系数及加固力计算结果如表2所示。

表2 A区土质边坡临时稳定性计算结果

由计算结果得出：计算剖面在削坡、削坡加载及削坡加载加地震3种工况下，边坡安全系数均大于1.25，边坡处于稳定状态。

3.1.2B区土质边坡临时稳定性分析

B区域取7个剖面进行稳定性安全系数计算和加固设计，工况取削坡、削坡加载及削坡加载加地震3种，3种工况按暴雨情况考虑。各剖面安全系数及加固力计算结果如表3所示。

表3 B区土质边坡临时稳定性计算结果

根据计算结果，坡面较为稳定，临时荷载作用下基本满足临时边坡稳定性要求。B3-3′，B5-5′剖面达不到安全性要求，根据滑动面情况判别为浅表层局部滑动。设计采用土钉与喷锚组合支护方式可有效控制滑坡情况。

3.2 岩质边坡临时稳定性计算

选取A区3个剖面和B区7个剖面进行稳定性安全系数计算和加固设计，取削坡暴雨工况。考虑岩质边坡与土质边坡破坏面的不同，将土体自重荷载施加于岩土界面上单独计算岩质边坡稳定性。

根据GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》，项目岩质边坡高度>30m，坡面形态复杂，荷载情况各异，综合考虑采用数值极限分析方法计算。

边坡稳定性和加固力计算采用Slide软件。岩质边坡稳定性安全系数采用Morgenstern-Price法进行计算，并综合不同计算方法确定加固力。

根据勘察报告，边坡岩质主要为III级围岩，岩壁表层岩体为IV级，深部岩体为II级。岩体结构面呈水平状。

考虑卸荷及长期风化侵蚀对表面岩体的作用，对外露岩壁表层10m范围内岩体取IV级围岩参数。考虑岩石边坡爆破开挖并未严格控制爆破振动及岩石卸荷扰动，开挖岩体表层10m范围内岩体取IV级围岩参数。考虑本区岩溶发育，内部岩体取III级围岩参数。

根据勘察报告中关于岩体的测试及现场揭露的岩体情况，结合GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》中给出的不同级别岩体物理力学参数表D.0.1，综合考虑得到本工程III级、IV级围岩参数，如表4所示。

表4 岩体参数

各剖面安全系数及加固力计算如表5，6所示。B2-2′剖面削坡暴雨工况如图3所示。

表5 A区岩质边坡临时稳定性计算结果

根据计算结果，坡面较为稳定，安全系数达到3左右，在临时荷载作用下均满足临时边坡稳定性要求。实际处理时应以危岩、临边滚石等为主。

表6 B区岩质边坡临时稳定性计算结果统计

图3 B2-2′剖面临时边坡削坡暴雨工况

4 永久边坡稳定性分析

永久边坡稳定性分为土质边坡永久稳定性和岩质边坡永久稳定性，其中土质边坡根据土质条件和场地规划布置的不同情况又分为 A，B区锚杆(索)扶壁式挡土墙方案设计计算。

4.1 土质边坡永久稳定性计算

采用理正岩土工程计算分析软件6.0PB1版和理正深基坑支护结构设计软件7.0PB1版计算土质边坡永久稳定性。

A，B区永久土质边坡采用锚杆(索)挡土墙方案支护土体，典型剖面如图4所示。

图4 挡土墙示意

挡土墙支护土体高度在5～12m，根据GB 50330—2013 《建筑边坡工程技术规范》要求，基础距离边坡小于0.5倍的坡高时，为静止土压力，采用理正岩土工程计算分析软件对9，10，11，12m 4种不同高度的挡土墙以及岩石地基和改良土层地基进行计算，挡土墙侧向土压力均为按照规范要求计算的静止土压力。

通过各种最不利的条件组合计算，满足稳定验算要求的挡土墙主要几何参数如表7所示。

表7 扶壁式挡土墙几何参数

对于挡土墙基础下方有软弱下卧层的情况，需进行地基承载力验算。验算结果表明：对挡土墙基础下方软弱下卧层采用抛石置换或C20混凝土置换，置换深度为2m，置换层地基承载力标准值为400kPa，经过压力扩散后软弱下卧层顶部的附加应力值为168kPa，小于粉质黏土的承载力特征值180kPa。对软弱下卧层的处理满足挡土墙地基承载力验算要求。

4.2 岩质边坡永久稳定性计算

选取A区3个剖面和B区7个剖面进行稳定性安全系数计算和加固设计，取削坡加永久荷载暴雨工况。考虑到岩质边坡破坏与土质边坡破坏面的不同，将土体自重施加于岩土界面上单独计算岩质边坡稳定性。

根据GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》，项目岩质边坡高度>30m，坡面形态复杂，荷载情况各异，综合考虑采用数值极限分析方法计算。

边坡稳定性和加固力计算采用Slide软件。岩质边坡稳定性安全系数采用GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》Morgenstern-Price法进行计算，并综合不同计算方法确定加固力。

根据勘察报告，边坡岩质主要为III级围岩，岩壁表层岩体为IV级，深部岩体为II级。岩体结构面呈水平状。

考虑卸荷及长期风化侵蚀对表面岩体的作用，对外露岩壁表层10m范围内岩体取IV级围岩参数。考虑岩石边坡爆破开挖并未严格控制爆破振动及岩石卸荷扰动，开挖岩体表层10m范围内岩体取IV级围岩参数。考虑本区岩溶发育，内部岩体取III级围岩参数。各剖面安全系数及加固力计算结果如表8，9所示。B6-6′剖面削坡暴雨工况如图5所示。

表8 A区岩质边坡永久稳定性计算结果

根据计算结果，坡面较为稳定，多数剖面安全系数达到1.4以上，永久荷载作用下基本达到永久边坡稳定性要求，A4-4′、B2-2′两个剖面不满足永久边坡安全系数1.35要求，加固力较小。根据滑动面情况，为浅表层弱化区滑动。

表9 B区岩质边坡永久稳定性计算结果

图5 B6-6′剖面永久边坡削坡暴雨工况

由于项目16.000m标高平台受到结构水平拉力200kN/m，为确保边坡岩体不受到拉力，在受拉区范围设置预应力锚索。考虑该区岩溶发育，坡顶荷载大，为避免边坡发生倾倒破坏，边坡施加锚杆提高岩体整体性。

5 结语

通过采用Slide软件计算边坡稳定性和加固力，并基于GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》的Morgenstern-Price法计算岩质边坡稳定性安全系数和加固力，且采用理正岩土工程计算软件和理正深基坑支护结构设计软件计算土质边坡永久稳定性。经计算分析得出如下结论。

1)土质边坡临时稳定性分析 在削坡、削坡加载及削坡加载加地震3种工况下，A区选取的3个剖面边坡安全系数均大于1.25，边坡处于稳定状态；B区选取的7个剖面中B3-3′，B5-5′剖面达不到安全性要求，根据滑动面情况判别为浅表层局部滑动。设计采用土钉与喷锚组合支护方式可有效控制滑坡情况。

2)岩质边坡临时稳定性分析 根据A区选取的3个剖面和B区选取的7个剖面计算结果，剖面较为稳定，安全系数达到3左右，临时荷载作用下均满足临时边坡稳定性要求。

3)土质边坡永久稳定性分析 根据GB 50330—2013 《建筑边坡工程技术规范》要求，采用理正岩土工程计算软件对各种最不利条件组合下9，10，11，12m 4种不同高度的挡土墙及岩石地基和改良土层地基进行计算，得出满足稳定性验算要求的挡土墙主要几何参数。计算验证对挡土墙基础下方软弱下卧层采用抛石或C20混凝土置换处理2m厚，能够满足挡土墙地基承载力要求。

4)岩质边坡永久稳定性分析 在削坡加永久荷载暴雨工况下，A区选取的3个剖面和B区选取的7个剖面基本达到永久边坡稳定性要求，其中A4-4′，B2-2′两个剖面未能满足永久边坡安全系数1.35的要求，根据滑动面情况，为浅表层弱化区滑动。考虑项目16.000m标高平台受到结构水平拉力200kN/m，为确保边坡岩体不受到拉力，在受拉区范围设置预应力锚索。考虑到该区岩溶发育，坡顶荷载大，为避免边坡发生倾倒破坏，边坡均施加锚杆以提高岩体整体性。

综上所述，边坡整体基本处于稳定状态，局部不稳定坡面采取加固措施后，也可达到稳定状态，保障基坑安全。