陜西省金堆城露天礦排土場高邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

黃 鑫，張曉輝，薛 雷，牛晶蕊，王媛媛

(1.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029;2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092;3.中國地質(zhì)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

陜西省金堆城露天礦排土場高邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

黃 鑫1，張曉輝2，薛 雷1，牛晶蕊3，王媛媛1

(1.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029;2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092;3.中國地質(zhì)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

通過野外實(shí)地調(diào)研，在詳細(xì)研究金堆城露天礦排土場高邊坡地質(zhì)條件和邊坡變形破壞特征的基礎(chǔ)上，分析了該邊坡的變形破壞機(jī)制，將破壞方式歸納為兩種類型:蠕滑-拉裂破壞，拉裂-滑移破壞。通過圓弧法和破壞概率法計(jì)算和分析了高邊坡在天然、爆破振動(dòng)和地震條件下5個(gè)不同剖面地段的穩(wěn)定性狀態(tài)，并利用FLAC數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證，最后，根據(jù)變形破壞方式提出了相應(yīng)的處理措施。為高邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、預(yù)測和防治提供了有價(jià)值的參考。

高邊坡;變形破壞機(jī)制;圓弧法;FLAC;穩(wěn)定性

0 引言

金堆城露天礦位于陜西省華縣金堆鎮(zhèn)，是我國最大的鉬業(yè)生產(chǎn)基地。本文研究對象位于采礦場東北角的北溝排土場，最大堆積標(biāo)高為1337.0m，形成了最大高度達(dá)138.0m的松散碎石高邊坡;在距離北溝排土場前緣約50m處為露天礦開采現(xiàn)場，目前開挖深度已達(dá)130余米，為一大型深凹的露天礦邊坡(圖1)。

北溝排土場高邊坡主要成分為碎石土，在碾壓、自重作用下較密實(shí)，由于其特殊的組成成分，與自然斜坡及粘性土邊坡相比有其獨(dú)特的工程特性，從邊坡的變形到破壞均有別于自然形成的邊坡。該邊坡是否穩(wěn)定，將直接影響到坡腳近距離范圍內(nèi)的居民住宅、學(xué)校及其過往行人、車輛等的安全;另外，由于該排土場的特殊位置，在很大程度上受到礦山生產(chǎn)爆破及靠幫爆破的影響，其穩(wěn)定與否對露天礦的正常生產(chǎn)及繼續(xù)發(fā)展具有重要的作用。且近年來又相繼出現(xiàn)坡體上部變形、開裂，排土場地基變形等坡體不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此該排土場的穩(wěn)定性研究迫在眉睫。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

北溝排土場的第一臺(tái)階標(biāo)高1277～1305m，坡高75m左右，臺(tái)面寬度大于12m，在排土場與露天礦相鄰側(cè)的臺(tái)階面上，靠近邊緣2m范圍內(nèi)有一系列斷續(xù)分布的裂縫，距邊緣最遠(yuǎn)的裂縫距離為10m。坡面沖溝規(guī)模較大，數(shù)量較多。二級(jí)臺(tái)階標(biāo)高 1300～1315m，高出一級(jí)臺(tái)階約10～20m，除北側(cè)大部分與山體直接接觸外，其余三面臨空，臺(tái)階頂面平坦開闊，但在向其南側(cè)、西側(cè)及西北側(cè)的頂面附近都有一些裂縫存在。與一級(jí)臺(tái)階下的斜坡比較，二級(jí)臺(tái)階上的沖溝均很少，沒有明顯的坡積物存在。三級(jí)臺(tái)階現(xiàn)在范圍還小，其形成的斜坡由于現(xiàn)在正在堆積而不斷掩埋，斜坡尚未出現(xiàn)細(xì)溝及沖溝，其頂面標(biāo)高在1337m左右。

圖1 北溝排土場高邊坡典型工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Engineering geological profile of the high slope

1.2 地層巖性

研究區(qū)分布的主要地層如下:

主要由碎石、塊石組成，分三個(gè)臺(tái)階分別堆積而成，厚度均在30m以上。堆積物棱角突出，大小混雜，一般以數(shù)厘米到十多厘米居多，最大粒徑超過1m。

主要由碎石夾土組成，厚度較小，一般僅數(shù)米，與下伏基巖成角度不整合接觸。

(3)前第四系

主要為下震旦系熊耳群(Snl)和中震旦系薊縣系高山河組(Sn2)變質(zhì)巖。熊耳群主要有黑云母安山玢巖、黑云母角閃片巖、板巖、凝灰質(zhì)板巖，有時(shí)夾有大理巖。在薊縣系高山河組中有石英巖、含砂凝灰質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖、千枚狀砂質(zhì)板巖等。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于金堆城—黃龍鋪背斜的傾沒端，該背斜走向近東西向，屬于復(fù)式舒緩褶皺，褶皺軸面近于直立，兩翼基本對稱且發(fā)育有次級(jí)平行褶皺。

1.4 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水主要分為兩類，一類為基巖裂隙水，含水層為石英巖、安山玢巖、片巖、板巖和花崗巖的強(qiáng)風(fēng)化層，主要分布在北溝兩側(cè)、露天礦采礦坑及其周圍、北溝排土場公路東側(cè)的基巖裸露區(qū);另一類為松散巖類孔隙水，含水層為粉土夾碎石和人工堆積的碎塊石。含水層主要受到大氣降水的補(bǔ)給，通過泄流、徑流以及泉的形式排泄。在臺(tái)面上各處的滲透性差異很大，一般情況下滲透性非常好，在經(jīng)反復(fù)碾壓的地方，透水性明顯降低。

2 變形破壞特征及機(jī)制分析

通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)高邊坡不同地段因其所處地形地貌條件、下伏巖土的結(jié)構(gòu)特征及本身的物質(zhì)組成和粒度成分的不同，產(chǎn)生了不同的變形破壞形式，總括起來主要有兩種類型:

2.1 蠕滑-拉裂破壞

這種破壞類型表現(xiàn)形式為:人工堆積廢石在重力作用下，沿其下臥軟弱地層首先向外水平向蠕滑擠出，進(jìn)而導(dǎo)致上部坡體垂向拉裂、下沉，發(fā)生破壞，如圖2(a)所示。

目前典型剖面坡腳下寬10余米的臺(tái)地在上部人工堆積廢石的作用下，致使臺(tái)坎前緣中部向西凸出，表明此臺(tái)坎整體已向西位移，并在此臺(tái)面上產(chǎn)生了一系列縱向裂縫，裂縫寬5～10cm，呈近東西方向延伸長度在5 m左右，可見深度大于1.5m。在人工堆積邊坡的臺(tái)面邊緣可見多條近弧形的裂縫。這些裂縫以距臺(tái)面前緣17～22.1m這一段的四條裂縫組成的裂縫帶最為突出，縫帶寬2～5m，呈深5～10cm的下陷凹槽出現(xiàn)，并與坡面走向小角度斜交。各裂縫寬3～10cm，最寬處達(dá)60cm，裂面近直立，可見深度0.5～1.2m，最深達(dá) 1.8m以上。另外，在距臺(tái)面前緣28m和30m遠(yuǎn)處，也有寬度2～4cm、延伸長度大于15m的裂縫出現(xiàn)，這些裂縫向南較為清晰，向北則掩埋在表面未加平整的廢石堆下。

上述現(xiàn)象的出現(xiàn)，在于其所處的特殊地質(zhì)環(huán)境。首先，該處堆積物位于天然斜坡之上，該天然斜坡物質(zhì)組成如下:地表為厚0.5m的耕植土，含碎石，透水性較強(qiáng)，疏松多孔;往下為厚0.5～1.0m的粘土，飽水，呈軟塑狀態(tài)，探井開挖時(shí)沿該層頂面有水滲出，物理力學(xué)性質(zhì)較差;再往下為厚0.2～0.4m的淤泥質(zhì)軟土，灰色，含大量腐植物，呈飽水狀態(tài)，軟塑。廢渣排到該斜坡之后，該面變成底部滑移控制面。另外，排土場人工高邊坡形成過程中，其內(nèi)部無形中形成了一系列平行于坡面的間斷面，特別是當(dāng)粗、細(xì)顆粒分階段分別堆積時(shí)，這種現(xiàn)象就更為明顯，結(jié)果形成了如圖2(a)所示的坡體結(jié)構(gòu)。在該坡體中，上部廢渣在重力作用下，沿底部的斜坡產(chǎn)生下滑分力，從而沿底部的軟弱面產(chǎn)生向坡外的蠕動(dòng)變形，進(jìn)而導(dǎo)致廢渣沿平行于坡面的間斷面產(chǎn)生順層剪切移動(dòng)，并且在頂部形成大量的拉張、下錯(cuò)裂縫。

圖2 坡體破壞特征示意圖Fig.2 Failure characteristics of the slope

2.2 拉裂-滑移破壞

這種破壞主要產(chǎn)生于粗、細(xì)相間堆積的人工高邊坡上。產(chǎn)生的主要原因是由于廢渣在排放的過程中，由于粗、細(xì)顆粒分階段分別堆積，從而在坡體中形成間斷面，外加單一坡高較大，導(dǎo)致坡體產(chǎn)生較大不均勻壓縮變形、固結(jié)變形及沿間斷面的剪切變形，坡頂產(chǎn)生大量的拉、錯(cuò)裂縫，如圖2(b)所示。這種破壞形式的發(fā)展結(jié)果，是頂部裂縫不斷加寬及加深，破壞面不斷向下延伸，慢慢在坡體中形成一連續(xù)的滑移控制面，最終導(dǎo)致斜坡整體滑動(dòng)。

3 穩(wěn)定性分析與計(jì)算

3.1 計(jì)算參數(shù)的選擇

計(jì)算參數(shù)根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)成果確定，均采用飽和值(表1)。

表1 物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters

3.2 極限平衡法計(jì)算分析

選取5個(gè)典型的剖面，剖面1位于西川小學(xué)對面，剖面2位于西川二隊(duì)老鄉(xiāng)房背后，剖面3位于泄水洞洞口，剖面4位于北溝排土場靠近露天礦東邦，剖面5位于北溝排土場尾礦池及華光庫房背后。采用瑞典圓弧法和破壞概率法對上述高邊坡進(jìn)行計(jì)算分析［1］，地震烈度按 VI度考慮，地震系數(shù)取0.0625，爆破效應(yīng)按照擬靜力法考慮［2］，爆破震動(dòng)地面最大加速度取實(shí)測最大值的2倍(0.001m/s2)，計(jì)算結(jié)果見表2。

從計(jì)算的結(jié)果可以看出，在VI度地震條件下，1、2剖面將會(huì)產(chǎn)生破壞，破壞概率過半;而3、4和5剖面也將臨近極限破壞狀態(tài)。在爆破振動(dòng)的影響下，上述5個(gè)剖面基本保持整體的穩(wěn)定狀態(tài)。但是，由于爆破振動(dòng)引起的坡體的局部變形和開裂，對于整個(gè)坡體的穩(wěn)定是不容忽視的。

3.3 FLAC數(shù)值模擬分析

FLAC全稱連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析法(Fast Lagrangian Analysis of Continua)，它基于顯式差分法來求解運(yùn)動(dòng)方程和動(dòng)力方程［3-4］。采用摩爾-庫倫模型，通過數(shù)值模擬得到天然狀態(tài)和爆破振動(dòng)3s后坡體內(nèi)部位移等值線圖(圖3、圖4)。

表2 各剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 2 The calculation results of the stability

圖3 天然狀態(tài)下水平方向位移等值線圖Fig.3 Horizontal displacement isograms at natural state

圖4 爆破振動(dòng)下水平方向位移等值線圖Fig.4 Horizontal displacement isograms under blasting

天然狀態(tài)下坡體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，滑動(dòng)面貫穿于整個(gè)高邊坡，第二級(jí)臺(tái)階斜坡面位移較大，但不超過1mm。但在爆破振動(dòng)下滑動(dòng)面開始調(diào)整并集中在二級(jí)臺(tái)階處，在其中下部位移最大，達(dá)4mm，這是爆破振動(dòng)產(chǎn)生的放大效應(yīng)所致。加之該臺(tái)階面較窄，為公路運(yùn)輸路面，行車振動(dòng)荷載對邊坡的穩(wěn)定性亦有一定的影響，在一定條件下極有可能造成該邊坡的破壞，從而影響到高邊坡的整體穩(wěn)定性，對礦山開采和公路運(yùn)輸造成極大威脅。

4 結(jié)論

(1)人工廢渣排泄的天然斜坡，為一底部滑移控制面，在廢渣排泄過程中，其內(nèi)部無形中形成了一系列平行于坡面的間斷面，從而造成斜坡沿底部軟弱面產(chǎn)生向坡外的蠕滑-拉裂型破壞，而在頂部形成大量的拉張、下錯(cuò)裂縫。

(2)人工廢渣排泄過程中，由于粗、細(xì)顆粒分階段分別堆積，從而在坡體中形成間斷面，再加上坡高較大，導(dǎo)致坡體產(chǎn)生較大的不均勻壓縮變形、固結(jié)變形及沿間斷面的剪切變形，進(jìn)而頂部裂縫不斷加寬及加深，破壞面不斷向下延伸，慢慢在坡體中形成一個(gè)連續(xù)的滑移控制面，最終導(dǎo)致斜坡的拉裂-滑移破壞。

(3)根據(jù)極限平衡法分析，北溝排土場高邊坡在在地震作用下容易造成失穩(wěn)，而在爆破振動(dòng)條件下仍然保持著整體的穩(wěn)定性。但是，由于爆破振動(dòng)引起的坡體的局部變形和開裂，對于整個(gè)坡體的穩(wěn)定是不容忽視的。建議采取如下措施:①減少上部堆載，并加寬該地段預(yù)留平臺(tái);②在坡腳地段修建擋土墻以防其失穩(wěn)，消除對坡腳下采礦人員及設(shè)施的威脅。

［1］孫玉科，牟會(huì)寵，姚寶魁.邊坡巖體穩(wěn)定性分析［M］.北京:科學(xué)出版社，1998.

［2］李維光，張繼春.爆破振動(dòng)作用下順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析［J］.爆炸與沖擊，2007，27(5):426-430.

［3］黃潤秋.顯式拉格朗日差分分析在巖石邊坡工程中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1995，14(4):346-354.

［4］FLAC-user’s manual［M］.Minneapolis，MN:Itasca Consulting Group Inc.1997.

Stability evaluation on the high slope at dumping site of Jinduicheng Open Pit mine

HUANG Xin1，ZHANG Xiao-hui2，XUE Lei1，NIU Jing-rui3，WANG Yuan-yuan1
(1.Key Laboratory of Engineering Geomechanics，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China;2.Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China;3.School of Engineering and Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China)

According to on-site field investigation，a detailed study of the geological conditions and the characteristic of deformation and failure of the high slope are carried out at dumping site of Jinduicheng open pit mine.The mechanism of deformation and failure of the high slope is concluded to two types，that is creep-cracking and cracksliding.The stabilities of the high slope at five different profiles are calculated and analyzed by using the arc method and the failure probability method on conditions of natural state，blasting and earthquake.FLAC is also used to evaluate the stability of the high slope.This paper provides valuable references in evaluating，forecasting and preventing the landslide.

high slope;mechanism of deformation and failure;arc method;FLAC;stability evaluation;Jinduicheng Open Pit;dumping site

1003-8035(2010)02-0040-04

TU443

A

2009-12-23;

2010-01-30

中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目(KZCX2-YW-Q03-02)

黃 鑫(1984—)，男，在讀博士，主要從事工程地質(zhì)及地震地質(zhì)災(zāi)害方面的研究。

E-mail:kouzi84@vip.qq.com.