某露天矿斜坡路转角处路堑稳定性分析及治理措施

王 凯 闫永富 吕国慧

(1.内蒙古科技大学矿业工程学院；2.包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司；3.包钢集团固阳矿山有限公司)

某露天矿斜坡路转角处路堑稳定性分析及治理措施

王 凯1闫永富2吕国慧3

(1.内蒙古科技大学矿业工程学院；2.包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司；3.包钢集团固阳矿山有限公司)

某边坡为大型露天矿斜坡路转角处的路堑，位置情况特殊，其稳定性直接关系到整个露天矿的道路安全运输。目前边坡未发现肉眼可观测的破坏情形，但是位于转角处前方的路堑延伸边坡已经发生破坏。利用GEO-SLOPE软件快速准确地模拟计算出边坡的安全系数为0.949，小于1,属于边坡欠稳状态。由于边坡不适合采用除削坡以外的其他边坡稳定性增强手段，利用GEO-SLOPE软件模拟计算出了不同坡面角的边坡安全系数，为矿山边坡安全储备提供参考。

GEO-SLOPE 路堑 坡面角 安全系数 削坡处理

边坡是露天矿的重要组成部分，对整个露天矿的开采起着至关重要的作用，既是露天矿开采活动的主要对象,也是制约露天矿开采的重要因素。特别是一些处于重要位置的边坡对露天矿的生产活动有着重要的影响，需要重点投入精力来管理监护。随着露天矿的延伸，采场的边坡条件逐年变差，除了一些高大边坡成为主要的采场边坡关注对象，一些位置关键的低矮边坡也不能被忽略和轻视。位于特殊位置的边坡一旦发生灾害，将会对矿山的正常生产产生致命危害。某大型露天铁矿开采年限较短，目前处于开采前期，整个采场的边坡并未出现大规模的灾害。但是本着“预防为主，防治结合”的原则，针对矿区边坡可能存在的薄弱地带进行稳定性分析，为保障日后的安全生产提供依据。

1 边坡情况

某边坡为一处由2层台阶组成高32 m的第三系红色岩土边坡，位于采场南侧出入口斜坡路转角处，斜坡路为宽约30 m的双向行车道，该边坡位于折返斜坡路的近转角位置处。见图1。

图1 斜坡路转角处路堑

该处边坡位置靠近露天采坑的上部境界，主要由第三系红色岩土组成，红黏土在沉积过程中发生了强烈的氧化反应，并且颗粒表面含有较多的游离的氧化铁胶结物[1]。整体边坡岩体结构抗破坏能力较弱，该边坡前方延伸处已有塌方，加之爆区采掘过程中的爆破震动，道路行驶车辆的震动，成年累月的风化剥蚀，雨水的冲刷等因素的作用，该处边坡的稳定性受到了严重的威胁。

该边坡经过几次小型电铲修整之后，坡面平整干净，整体平滑度较高，目前斜坡路侧上方边坡并未出现破坏，但是该边坡沿着斜坡路的延伸部位出现了宽约20 m的“宽扁楔形”滑移破坏体(图2)。该破坏体位于坡面中上部，滑体上沿基本已经与母体边坡脱离，下部产生了蠕动破坏形式所造成的“鼓包”。滑体预计600 m3以上，如果全部滑移到斜坡路上，将切断道路，影响整个矿山的生产。滑体彻底脱离母体边坡之后预计会在边坡表面产生一个深约6 m、半径约10 m的勺斗状坑。此深坑周围的边坡体将会进一步被破坏，严重影响这处边坡的安全。

图2 边坡延伸处破坏现场

由于该斜坡路较长，随着路面的升高，位于路侧的边坡高度逐渐下降，其稳定性也开始增加，对于斜坡路的危害也开始减少。基于现场观测，仅是位于转角处50 m范围内的路侧边坡高度可达32 m，且位置关键，是对折返式斜坡路转角处产生威胁最大的部位，位于斜坡路前方的边坡延伸处已出现滑移塌方，该段边坡的稳定性研究对于保护斜坡路的正常运输生产有着重要的意义。

2 分析方法

边坡安全系数可以反应边坡的稳定性情况，安全系数越大，则边坡的稳定性也相对较高。目前领域内模拟计算边坡安全系数的软件较多，本次采用较为快速方便、精度也能达到研究要求的GEO-SLOPE软件进行边坡安全系数模拟计算。GEO-SLOPE软件是一款具有非常强大功能的岩土模拟分析软件，被各大科研院所和高校学府应用到岩土模拟分析中。利用GEO-SLOPE软件建模方便快捷，可以快速地进行模型尺寸及参数的调整，在短时间内获得需要的计算结果。该软件内置有丰富的计算功能，设有多种计算方式可供用户比对，并且模拟得出的结果均可以进行数据的图形可视化，方便用户观测数据的变化趋势以及波动范围等。GEO-SLOPE软件中SLOPE/W模块可以用来模拟边坡岩体，并且利用内置的极限平衡理论，快速计算出边坡体的安全系数[2]。

3 模拟分析

GEO-SLOPE软件只需要边坡的二维剖面图就可以进行模拟分析。该处边坡有效的危险区域为一段长50 m左右的路堑，由于是第三系红色黏土层且经过小型挖掘机的修整，整体边坡形态规整，坡面平整，内部岩性稳定一致，适宜采用单一模型(图3)。

图3 软件分析模型

利用工程图以及现场实地考察所建立的模型，经由GEO-SLOPE软件分析模拟得知，该边坡计算的安全系数为0.919，小于常规的边坡安全系数临界值1，为欠稳状态。加之本次分析并未将震动因素和降水因素等考虑在内，所以该段边坡的安全储备不足，需要提高边坡的安全系数。

通过软件模拟结果以及现场对该处边坡前方延伸处的破坏观测，得知本边坡有类似黄土边坡的“低速缓动滑坡”[3]。边坡整体的滑坡形式呈现低速性、蠕变性。由于红黏土受水之后沿滑移面处的抗滑阻力下降，边坡变形破坏将进一步加重。

该处第三系边坡首先会发生肉眼无法观测到的微小蠕变和发育一些细小裂隙；随着边坡稳定性的下降，边坡破坏蠕变开始加剧，更多的细小裂隙开始出现，先前形成的裂隙进一步发育贯通，形成大的裂隙；在边坡稳定性进一步下降时，边坡开始出现肉眼可观测到的大型裂隙，主要以横向裂隙为主，这些裂隙基本上都是日后边坡发生破坏的边缘地带；最后在边坡危险滑面的抗滑阻力不足以抵抗下滑力的时候，边坡体发生破坏变形。

4 治理措施

目前针对不同的边坡破坏形式，矿山较为常用的边坡治理手段有削坡，压脚，施工抗滑挡墙、抗滑桩、抗滑梁，锚杆锚固，锚索锚固等。由于该段边坡高度较小，土石方滑移量不大，坡脚处空间有限，边坡岩性为第三系红色黏土，且位于采坑上部境界无边坡深部基岩，因此，针对该边坡的实际情况，建议采用削坡措施来提高边坡的安全系数。

利用GEO-SLOPE软件调整该边坡的坡面角，得出边坡角与边坡安全系数之间的规律。以目前边坡的坡面角为基础，每隔0.5°设置一个坡面角试验模拟组，利用软件模拟找到安全系数首次达到1时的坡面角，此坡面角为边坡安全的临界坡面角；再在临界坡面角的基础上同样每隔0.5°设置15个坡面角试验模拟组；另外，为了对比，以目前边坡坡面角为基础，每隔0.5°设置5个对比试验模拟组。模拟试验结果见表1。安全系数与坡面角的关系见图4。

表1 模拟试验结果

图4 安全系数与坡面角的关系

由表1可知，在目前边坡坡面角为48°时，边坡的安全系数为0.949，小于常规的边坡安全系数1，所以边坡处于欠稳状态。模拟分析试验中边坡安全系数首次达到1时的坡面角为44.5°，此时边坡处于稳定状态。以临界稳定边坡坡面角44.5°为基础，设置了15组模拟分析试验组，所得的结果安全系数均大于1。由图4可知，随着坡面角的减缓，边坡安全系数呈现逐渐增大趋势，随着坡面角的增大，边坡安全系数呈现逐渐减小的趋势，这也验证了减小坡面角可以增加边坡的安全系数，提高边坡的稳定性。

露天矿可以根据本矿山对边坡安全储备所能承受的限度采取适用的坡面角进行削坡工作，表1可以为矿山安全生产的边坡角度选取提供参考。

5 结 语

本次研究的边坡为一处位于斜坡路转角处第三系红色黏土路堑，虽然不是高大边坡，也不是老旧边坡，但是由于其位置的特殊性以及边坡岩体的情况，对该处边坡进行了稳定性模拟分析，制定出提高边坡稳定性的措施。通过利用GEO-SLOPE软件分析得知在不考虑水和震动的影响下，边坡处于欠稳状态，边坡抵抗外界破坏扰动的能力较差，对保证斜坡路的安全运输有威胁。由于边坡岩体为第三系红色黏土，边坡位置距离斜坡路较近且坡脚区域场地有限，边坡后部并没有深层厚稳基岩，所以不适于采用压坡脚，打抗滑桩，锚杆锚索锚固，施工抗滑挡墙等加固措施，采用经济合理的削坡加固措施。利用GEO-SLOPE软件模拟分析不同边坡坡面角的边坡安全系数，矿山可以采取适用于本矿安全储备的坡面角进行削坡作业。削坡后可以提高边坡的安全系数，增加边坡的稳定性，保证矿山的安全运输，对整个矿山的安全生产有着重要的意义。

[1] 程向民,陈书文,吕振. 晋西北上第三系红黏土工程地质特性与隧洞施工措施[J]. 资源环境与工程,2013(4):390-393.

[2] 刘潭璞.基于GEOSLOPE的晓街河水库坝体渗流稳定分析[D].大连：大连理工大学，2013.

[3] 祝 建,黄强盛,姜海波.青兰公路陕西境K103～K113沿线滑坡特征及成因机制[J].工程勘察,2009(7):18-22.

2015-03-31)

王 凯(1988—)，男，硕士，014020 内蒙古包头市阿尔丁大街7号。