惠州华茂石场花岗岩边坡稳定性评价及监测治理

2024-01-18江福建陆宝宇

云南地质 2023年4期

江福建，陆宝宇

(广东省地质局第四地质大队(广东省湛江地质灾害应急抢险技术中心) 广东湛江 524000)

华茂石场位于广东惠州市惠阳区新圩镇南坑水径村，面积0.3107km2；开采标高+275m～+20m，一期设计开采面积0.1686km2；开采标高+190～+20m。本文拟根据现状开采边坡情况，对边坡稳定性分析，提出相应的监测和治理措施，为矿山安全生产提供可靠依据。

1 石场开采现状

一期开采范围位于矿区东侧，目前采场已形成近似椭圆形采坑，南北长约640m，东西宽约450m，最大开采标高约+217.27m，最低开采标高+20.05m，最大相对高差约197.22m。开采范围内北侧自上而下已形成+217m、+211m、+204m、+195m、+190m、+180m、+165m、+150m、+135m、+120m、+105m、+92m、+82m、+70m、+60m、+50m、+37m、+27m、+20m等标高台阶，台阶高5m～15m，坡面角65～70°，安全平台宽5m以上，清扫平台宽约8m。现开采区位于一期范围南西侧，自上而下已形成+75m、+63m、+50m、+40m、+30m、+20m共6级台阶，台阶高10m～13m，坡面角65～70°。采场目前开采台阶为+75m～+63m、+63m～+50m两级工作台阶，台阶分别高12m、13m，台阶坡面角65°～70°。+75m、+63m平台为凿岩平台，宽15m～25m；+50m平台为工作平台，宽约30m，开采工作线长120m，开采由东向西推进。

矿山采用公路开拓-汽车运输方式，由矿区南侧进入场区，经综合服务区、工业场地向北进入采场南部+78m平台，从采场南部+78m螺旋式开拓运输道路至采场各开采水平及凹陷采坑底部，开拓运输系统较简单。采场+80m以上已形成终了边坡，从采场南部修筑有简易道路至各分层平台，用于边坡日常巡查[1]。

2 边坡工程地质条件

2.1 地形地貌

工程区经人类工程建设现已发展成城市建成区，勘察场地为市政道路及绿化带，场地整体地势相对平坦，北高南低，一般地面高程1.2m～25.0m。以新洲路-深南大道-福田路为界限，南侧工程区为海积冲积平原为主，北侧为低台地接合冲洪积平原地貌单元。

2.2 矿体及边坡岩性特征

矿体为新鲜坚硬的中-细粒黑云母花岗岩，呈完整块体状近东西向展布，矿区矿体控制长621m～676m，宽408m～547m，厚255m。出露标高+245.00m～+70.50m，赋存标高+245.00m～+20m。根据地质勘查结果，按覆盖层及岩石风化程度自上而下共分四层：

(1)第四系残坡积土：厚6m～10m，平均8.0m。分布于矿山四周及地面表层，主要由浅黄色砂质黏性土组成，开采时作为覆盖层需剥离。

(2)强风化花岗岩：灰黄色，已强烈风化呈半岩半土状，云母、长石类矿物已风化为黏土矿物，厚7.60m～8.00m，平均7.80m。开采时作为覆盖层需剥离。

(3)中风化花岗岩：灰黄色，风化较强烈，岩体稍破碎，节理裂隙稍发育，花岗结构，块状构造；厚13.20m～14.90m，平均14.00m。开采时作为覆盖层需剥离。

(4)微风化-未风化黑云母花岗岩：深灰-灰白色，花岗结构，块状构造。主要由钾长石、石英及黑云母组成，含很少量的斜长石和白云母。矿体即赋存于该岩体中。

2.3 水文地质条件

矿区内及附近地表水系不发育，开采影响范围之内无大的河流、水库等地表水体，仅于矿区局部有水坑分布，水量与降雨相关，旱季基本无水，水流方向依地势四周排泄[2]。

按赋存条件和含水介质性质，矿区地下水主要为松散岩类孔隙水、强风化岩类裂隙水和块状岩类裂隙水。含水量小，属弱含水层，水量贫乏。

矿山开采底界位于当地侵蚀基准面以上，未见地下水出露，矿区附近也未见地表水出露，洪雨季节汇集谷底的地表水沿沟谷排向附近小河，地表水/地下水对矿石开采影响较小。

2.4 矿体及边坡结构

矿山今后开采的岩质边坡主要为中风化-未风化花岗岩边坡，矿床岩体结构类型为块状结构，块状细中粒斑状黑云母二长花岗岩.以贯穿性较好的节理结构面发育为主，一般有2组节理：①140°∠75°，间距0.40m～0.50m；②268°∠84°，间距0.30m～0.80m。矿区内未见褶皱及断裂构造。

3 边坡稳定性分析评价

3.1 安全系统确定

允许安全系数的确定是评价边坡稳定性的主要指标，与边坡稳定性研究的工作内容、方案方法手段、代表性、可靠性以及各项定量参数取用和定性分析评价、矿山服务年限、边坡区段重要性等因素有关。允许安全系数经常采用工程类比法和有关设计规范来确定[3]。

不同荷载组合下总体边坡的设计安全系数满足《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB51016-2014)中表3.0.9规定的安全系数要求[3]，见表1。在边坡极限平衡稳定性分析中，安全系数K=1时，边坡处于极限平衡状态。理论上K稍大于1，边坡就是稳定的，反之边坡就失稳。在具体稳定性分析计算时，常选取安全系数K>1。矿山边坡一般情况下取K=1.2～1.3。目前矿山现状边坡高度197.22m。根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》GB51016-2014划分标准，露天边坡属中边坡，边坡危害等级为Ⅲ级-Ⅱ级，确定边坡安全等级划分为Ⅱ级[4]，最终确定边坡安全系数K=1.20、1.18、1.15。

表1 不同组合下总体边坡的设计安全系数Tab 1.Design Safety Factor of Overall Slope Under Different Load Combinations

3.2 现状稳定性分析

根据现场调查，开采边坡未发生过地质灾害，局部发现岩体掉块。

(1)采坑东侧边坡：此边坡产状与一组节理268°∠84°倾向交角较小，现场开采台阶边坡角70°，但该边坡岩体不排除有顺层和顺向的风化裂隙或构造裂隙，在爆破震动破坏等条件下，潜在局部变形或崩塌、滑动破坏的可能，但边坡岩石工程地质条件较好，未发现复杂和明显不利的裂隙组合，边坡现状稳定性较好[4]。

(2)采坑南侧、北侧及西侧边坡：边坡坡向与地层倾向交角较大，且边坡岩石工程地质条件较好，边坡稳定性好，不易发生大面积边坡失稳地质灾害，局部破碎岩段边坡潜在失稳可能，其危害性小，危险性小。

3.3 稳定性定性分析

边坡为早期矿区开采形成，上部主要残积砂质黏性土，下部全-微风化花岗岩，岩石风化强烈，节理裂隙发育，岩体饱水易崩解软化，边坡岩体受节理裂隙切割，岩体完整性差。

边坡上部自然斜坡面植被较发育，根据对现状边坡坡面、截水沟调查，均未发现破坏变形，边坡现状稳定性较好。但下部岩质边坡受区域构造影响，岩体节理裂隙较发育，局部剪节理发育，岩体局部外倾，在持续降雨及自重作用下，局部存在落石现象，局部高陡岩体有潜在失稳隐患，但其规模小，潜在危险性、危害程度较小，边坡整体稳定性较好。

3.4 稳定性定量分析

现有技术条件下，数值分析是研究大型复杂工程体的有效手段，国内外大型工程体通常采用数值分析方法进行稳定性计算。本次采用数值模拟方式进行分析[5]。依据截取的最不利边坡剖面，采用理正软件，分别建立典型边坡剖面数值分析模型，依据初步设计提供的开采技术参数，分别分析开采终了条件下边坡稳定性，包括：(1)自重+地下水共同作用；(2)自重+地下水+爆破荷载共同作用；(3)自重+地下水+地震荷载共同作用。

该矿区域抗震设防烈度为VI度，设计基本地震加速度值为0.05g，矿区及附近历史上未发生规模较大的地震活动，区域地壳稳定。

(1)赤平投影法分析：矿区边坡类型中下部主要出露中-微风化花岗岩，节理较发育，边坡的稳定性主控因素主要为次生结构面(主要为节理)产状及其组合与边坡的坡向、坡率之间的关系；主要从节理与坡形特征及其相互关系等因素分析，稳定性评价方法采用赤平投影稳定性计算软件[5]。根据终了边坡情况，选取三处边坡稳定性分析评价。图1。

图1 赤平投影分析图Fig 1. Analysis Diagram of Stereographic Projection

最不利1剖面1-1′岩质边坡主要位于矿区北侧，根据赤平投影图分析，边坡处于稳定状态，但其边坡高度较大，一旦边坡失稳，其处理的难度大，费用高，综合评价边坡失稳的发育程度弱，潜在的险情、危害程度、危险性小。

(2)有限元分析：本次分析采用有限元模块进行数值模拟，结合现场踏勘及数值模拟结果分析边坡变形破坏模式。选取最不利1-1′边坡剖面分析计算，模型左边界、右边界和底部边界分别以水平和垂直方向的位移约束，从而构成位移边界条件，介质的弹塑性状态采用理想的弹塑性模型描述，以保持整个系统受力体系的平衡。剖面选取见图2所示。

图2 典型剖面选取示意图Fig 2. Schematic Diagram for Typical Profiles Selecting

1)自重+地下水(Fs=1.61)：在自重+地下水共同作用下，矿区1-1′剖面的分析结果见图3、图4所示。由位移云图可知，X方向最大位移位于左侧边坡中上部台阶坡面，大小值为0.49m；Y方向最大位移位于左侧边坡下部，大小值为0.13m。

由应力云图5、图6可知，该剖面X方向应力最大位于左侧边坡中下部坡面及基岩处，大小值0.98MPa；Y方向应力最大值位于左侧边坡中下部坡面及基岩处，大小值1.24MPa。由最大剪切应力云图7可知，最大剪切应力值位于左坡底基岩处，2.19MPa。

图7 1-1′剖面工况最大剪切应力彩云图Fig 7. Color Cloud Diagram of Maximum Shear Stress for The 1-1 'Section Working Condition

经计算，该剖面的整体安全系数大小为1.61。

2)自重+地下水+爆破(Fs=1.46)：在自重+地下水+爆破荷载作用下，矿区1-1′剖面分析结果所示。由X方向最大位移位于左侧边坡顶部剥离台阶，最大位移值0.21m；Y方向最大位移位于左侧边坡下部，大小值0.05m。该剖面X方向应力最大位于左侧边坡表面及坡底部，大小值1.05MPa；Y方向应力最大值位于左侧边坡表面及坡底部，大小值0.70MPa，应力值由表及里逐渐减小。最大剪切应力位于左侧边坡坡底基岩处应力值2.85MPa。

经计算，该剖面的整体安全系数大小为1.46。

3)自重+地下水+地震(Fs=1.30)：在自重+地下水+地震荷载作用下，矿区1-1′剖面分析结果所示。X方向最大位移位于左侧边坡顶部剥离台阶，最大位移值0.06m；Y方向最大位移位于左侧边坡底部，大小值0.02m。该剖面X方向应力最大位于左侧边坡表面，大小值0.79MPa；Y方向应力最大值位于左侧边坡坡面，大小值0.55MPa，应力值由表及里逐渐减小。最大剪切应力位于左侧边坡底部基岩处应力值2.56MPa。图7。

经计算，该剖面的整体安全系数大小为1.30。

通过对最不利剖面的计算结果，边坡稳定性评价安全系数见表2，边坡整体在自重+地下水、自重+地下水+爆破及自重+地下水+地震工况下，均处于稳定状态。

表2 边坡稳定性计算结果表Tab 2. Slope Stability Calculation Results

边坡稳定性受诸多因素的影响，一般诱发因素为人工开挖，导致岩土体的自然平衡、植被破坏(尤其是残积土、全风化岩出露地段，因其遇水易软化、崩解，水理性能差，可能出现崩解和渗流破坏)，遭遇长时间强降雨时，斜坡上的土体因饱水，自重增加，内摩擦角减小，岩土体由硬变软，其结果是抗滑力下降，导致产生失稳。

4 边坡防治与监测

4.1 防治措施

矿床开采局部存在顺向开采边帮的岩性结构面，对开采边帮稳定性不利。矿山开采遇矿体产状、结构变化、异常地质构造、节理和水文情况变化，工程地质复杂的地段，要及时采取措施，调整台阶参数、凿岩爆破参数并采取边坡加固或削坡减载措施[6]。

矿山今后生产过程中，工作台阶参数严格按设计要求进行，严格在设计开采范围内开采。结束一水平台阶开采时，应按设计要求检查台阶高度和坡面角；临近最终边坡的采掘作业，必须按设计的宽度，预留安全平台和清扫平台，保持阶段坡面角，不得超挖坡底[7]。岩层破碎带或稳定性差的岩层应采取支护措施，严格控制开采边坡角不大于设计边坡角。

根据稳定性计算及分析，剥离层遇长时间强降雨时，土体因饱水，自重增加，内摩擦角减小，岩土体由硬变软，抗滑力下降易导致产生失稳。故矿区边坡容易发生失稳坍塌、滑坡区域顶部剥离台阶边坡，矿区后期作业需重视顶部边坡稳定，加强检查，做好分层降坡，确保顶部边坡稳定。

4.2 监测措施

实时的做好边坡稳定的检查和监测工作。当采场边坡形成最终边坡时，应根据最终边坡的稳定类型、分区特点确定各区监测级别，利用建立的边坡监测系统[8]。对边坡进行坡体表面及内部位移监测。矿山应及时整理边坡观测资料，以此指导采场安全生产。对存在不稳定的最终边坡应长期监测，发现问题及时处理。在建立健全一系列的边坡管理和检查制度的情况下，可有效地减少边坡的稳定性对安全生产可能构成的隐患[8]。