某厚大风化层高陡边坡稳定性分析及治理方案研究

武 飞 胡 崴

（1.中钢集团马鞍山资产管理有限公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司）

边坡是指具有侧向临空面的地质体，可分为自然边坡和人工边坡。前者是通过自然地质作用形成，后者是通过人工开挖、改造形成。露天矿山边坡往往具有高度大、坡度陡、失稳危害大等特点，且受矿山开采过程中岩体位移和应力变化、爆破振动、雨水冲刷及岩体风化等因素影响，导致边坡稳定性问题对露天矿山生产安全和生产效益的影响日益凸显［1-4］。开展露天矿山边坡稳定性分析，一方面可以准确掌握边坡稳定性现状，另一方面可以为矿山边坡优化设计或边坡治理方案设计提供依据，对防止产生滑坡、崩塌等地质灾害以及保障矿山生产安全具有重要意义［5-6］。目前常用的边坡稳定性分析方法主要有工程类比法、极限平衡法和数值分析法等，极限平衡法具有计算便捷、目标明确等优点，在边坡工程中应用最为广泛。本文针对矿山高陡边坡特点，采用极限平衡法对现状边坡和治理后边坡的稳定性进行分析，为确定科学、合理的边坡治理方案提供依据。

1 工程概况

某建筑石料矿采用露天开采方式，经过多年的开采，在地表形成了南北向长约450 m、东西向宽约430 m的露天采坑。共形成了12个安全平台，最低平台标高为+110 m，最高平台标高为+290 m，台阶高度10～20 m，台阶坡面角45°～75°，整体边坡最大高度约196 m，整体边坡角39.5°～49.5°。

矿区工程地质条件为中等类型，组成边坡的岩体主要为第四系残坡积层、较坚硬的风化花岗岩及坚硬的花岗岩，其中残坡积层及风化花岗岩厚度35～55 m。矿区内无断裂构造，矿区及周边未发现明显的断裂痕迹，但受区域构造运动的影响，岩矿体节理裂隙发育。主要发育3组节理：节理1产状150°∠65°、节理2产状280°∠70°、节理3产状95°∠45°。矿区水文地质条件为简单类型，地下水主要为松散岩类孔隙水和块状岩类裂隙水，基岩裂隙含水层富水性较弱。地下水对矿坑充水条件弱，矿坑充水的主要来源为大气降水。

由于矿山开采过程中部分台阶边坡高度和坡度留设过大，加上矿山生产过程中频繁的爆破振动等因素影响，露天采场边坡上部风化层已产生了多处小型滑坡。由于东侧和南侧边坡整体边坡角已超过设计值（45°），且上部风化层厚度较大，预测边坡产生进一步滑坡的可能性大，对矿山生产安全造成了严重威胁。

2 现状边坡稳定性分析

2.1 边坡工程分区

根据现场调查情况，矿山露天采场东侧边坡整体坡度最大，组成边坡岩体主要为坚硬花岗岩和风化花岗岩，风化层厚度较大；南侧边坡整体高度最大，组成边坡岩体主要为坚硬花岗岩和风化花岗岩；西侧边坡整体高度和坡度均不大，组成边坡岩体以风化花岗岩为主。综合考虑露天采场边坡位置、边坡整体高度及边坡角、工程地质岩组等多种因素，将矿山边坡共分为3个区，编号分别为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。各分区情况见图1。

2.2 边坡潜在破坏模式分析

岩质边坡的稳定性主要受到岩体内结构面的控制，结构面之间相互的空间位置、组合关系及其物理力学性质等，对边坡稳定性起到至关重要的作用。岩体边坡常见的破坏模式主要包括圆弧形破坏、简单平面破坏、楔形破坏和复合型破坏等［7］。通过结构面赤平投影分析，节理1和节理3与Ⅰ区、Ⅱ区边坡反交，与Ⅲ区边坡正交，倾角大于Ⅲ区边坡整体边坡角；节理2与Ⅲ区边坡反交，与Ⅰ区、Ⅱ区边坡正交，倾角大于Ⅰ区、Ⅱ区边坡整体边坡角（图2）。故3组节理对矿区整体边坡稳定性的影响均不大，判断整体边坡潜在破坏模式主要为圆弧形破坏。

2.3 现状边坡稳定性分析

在对研究范围内的边坡进行详细的现场踏勘和地质调查，结合以往矿区地质资料，建立了与实际相符的地质模型。采用基于极限平衡法的GEO Studio Slope软件，对3种荷载组合（荷载组合Ⅰ为自重+地下水，荷载组合Ⅱ为自重+地下水+爆破震动力，荷载组合Ⅲ为自重+地下水+地震力）下的边坡的安全稳定性进行了计算。

在岩石力学试验和岩体质量分级的基础上，采用Hoek-Brown强度准则换算法和经验折减法等对岩石力学参数进行折减后，得到了岩体物理力学指标推荐值，详见表1。

矿区属抗震设防烈度Ⅵ度区，基本地震加速度值为0.05g，地震力影响系数为0.012 5。根据矿山开采爆破参数及采场地质条件等，采用拟静力法计算得出爆破振动力水平影响系数为0.006。

根据钻孔勘察确定的地下水位，采用有限元方法计算得到边坡地下水渗流场，并在此基础上进行边坡稳定性计算分析。

根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016—2014），确定边坡安全等级为Ⅰ级，选取3种荷载组合条件下的边坡最小允许安全系数分别为1.20、1.18和1.15。

在每个分区选取了1个典型剖面（编号分别为A—A、B—B、C—C），计算结果表明，现状Ⅰ区和Ⅱ区边坡安全系数不满足规范要求，边坡处于欠稳定状态，Ⅲ区边坡在上述3种工况下的安全系数均满足规范要求，边坡处于稳定状态。Ⅰ区边坡整体稳定性较差，潜在最危险滑动面深度较大，且滑动面从整个边坡各层岩体中穿过；Ⅱ区边坡上部风化层稳定性较差，潜在最危险滑动面深度相对较小，位于上部风化层岩体中。荷载组合Ⅲ条件下计算结果详见图3，各工况下安全系数计算结果见表2。

3 边坡治理方案

3.1 方案推荐

边坡治理常用的方法主要包括削坡减载、回填压脚以及边坡加固3类。由于矿山露天采场底部还存在部分矿石资源，回填压脚将造成矿山剩余资源无法开采，故不适宜采用回填压脚的方式进行治理。根据现状边坡稳定性分析结果，由于Ⅰ区边坡整体稳定性较差，且潜在滑动面深度大，采用加固方式或削坡减载方式进行治理，存在工程量大、工期长、工程造价高以及施工工艺复杂等的缺点。因此，推荐Ⅰ区边坡采用削坡减载方式进行治理。Ⅱ区边坡仅上部风化层稳定性较差，潜在滑动面深度较小，对于局部不稳定边坡，由于边坡削坡厚度较小，施工作业面狭小，削坡所需采用的挖掘机等大型机械施工作业困难且安全性难以保障；由于潜在滑动面深度较小，更适合采用加固方式进行治理，故推荐Ⅱ区边坡采用锚杆加固方式进行治理［8-9］。

Ⅰ区边坡削坡减载方案首先考虑采用矿山开采设计台阶边坡参数，但由于现状边坡与矿山前期设计时的边坡相比已发生了较大变化，按照矿山开采设计参数对现状边坡进行削坡减载后，形成的最终边坡整体边坡角为45.6°，将大于原设计值45°，且经边坡稳定性计算分析，其安全系数也不能满足规范要求，因此需要对边坡参数进行进一步优化。考虑到矿区风化层厚度较大，建议将风化层岩体的台阶坡面角由65°降低至60°，总体边坡角相应降低至44.5°，最终推荐边坡削坡减载方案如表3所示。

根据边坡稳定性分析的得到的潜在滑动面分布情况，推荐对Ⅱ区边坡+220 m以上不稳定地段的风化层岩体采用普通水泥砂浆锚杆进行加固。通过边坡滑坡推力和锚杆支护结构计算，确定锚杆直径32 mm，锚杆长度20 m，锚固长度不小于5 m，间距4.5 m×4.5 m，入射角25°，钻孔直径110 mm，采用强度等级为M30的水泥砂浆进行注浆。

3.2 边坡治理方案稳定性校核结果

根据推荐的边坡治理方案，对治理后的边坡进行了稳定性计算校核。计算结果表明，采用推荐参数进行锚杆加固后，边坡安全系数均可以满足规范要求。计算结果见表4和图4所示。

4 结论

（1）采用极限平衡法对某矿山3个分区的厚大风化层高陡边坡稳定性进行了分析，分析结果表明该矿山Ⅰ区和Ⅱ区边坡处于欠稳定状态，Ⅲ区边坡处于稳定状态。受不同整体边坡角和风化层厚度等因素影响，矿山Ⅰ区和Ⅱ区欠稳定边坡的滑坡破坏类型分别为整体深层圆弧型破坏和局部浅层圆弧型破坏。

（2）根据不同潜在滑坡破坏类型，考虑治理方案经济性和施工安全性等因素，对Ⅰ区和Ⅱ区欠稳定边坡分别提出了分台阶削坡减载和锚杆加固的治理方案，并确定了合理的削坡减载和锚杆加固参数。边坡稳定性校核分析结果表明，Ⅰ区和Ⅱ区治理后边坡的安全系数均得到了较大幅度提高，能够满足规范要求。研究推荐的治理方案具有经济合理、安全可靠以及施工工艺与矿山现状边坡相适应等优点，为矿山后续开展边坡治理设计提供了可靠依据。