某石灰石矿开采边坡特点与加固方案研究

秦 琼，王林涵，张炳楠，宋建斌

(1.重庆地质矿产研究勘查开发局六O七地质队， 重庆 404100;2.重庆交通大学， 重庆 400074)

1 问题的提出

重庆四山地区位于都市圈范围的多条近南北向褶皱地带平行山脉中，经调查，过去30 a废弃的露天石灰石矿达数百处，矿产资源的开发利用给经济发展带来了强劲的动力，但废弃的石灰石矿坑影响了风景名胜区的景观环境。因此，如何对废弃矿坑进行生态修复，特别是通过对矿坑边坡的稳定性理论分析进行有效的加固是本文研究的主要问题。

铜锣山是川东平行褶皱岭谷区的第二条山脉，呈东北至西南走向，全长260 km，宽5～10 km，一般海拔600～1000 m。七孔坝石灰石矿坑位于铜锣山的南岸区段红旗村内，2001年开始开采，2017年4月停产，共生产了15 a，七孔坝石灰石矿的开采对重庆市基础建设给予了有力的支持，但同时也破坏了生态环境，干扰当地居民生活。七孔坝石灰石矿边坡为人工爆破形成的边坡，所以其比一般的岩质边坡在表面特性、内部结构等地质方面更加复杂，因此，需要针对特有的情况进行特有的分析并进行相应的加固措施。

2 七孔坝石灰石矿边坡基本特点

2.1 岩质边坡破裂面分类

岩石边坡破裂面的形式主要分为层理、节理、解理、震动开裂、风化开裂、重力开裂等。

(1) 层理：沉积岩层内部的成层性特征，是沉积物沉积时形成的。成层性体现为沉积物粒度不同，或为颜色、成分等不同，层理比较稳定，明显层理可以分为水平层理、斜层理、交错层理、波状层理等多种类型，不同类型反映了沉积时的介质(水、空气)动力条件。

(2) 节理：岩石在构造力的作用下发生破裂，而且破裂面两侧的岩石没有发生明显位移的一种地质构造。如果两侧岩石发生明显位移则为断层。节理和断层合称为断裂构造。

(3) 解理：某些结晶矿物受外力后，会始终沿着一定方向发生破裂(即使受力方向不同，破裂面方向仍然相同)，并形成光滑破裂面的现象。原因是晶体矿物内部格架中，某些方向化学键较薄弱，容易受破坏。当然有些矿物有解理，有些则没有。

(4) 震动开裂：岩质边坡在各种震动下引起的岩石与岩石之间的开裂。

(5) 风化开裂：岩质边坡在太阳辐射、大气、水和生物作用下出现破碎、疏松及矿物成分次生变化等风化现象引起的开裂。

(6) 重力开裂：由于岩质边坡上部结构载荷过大引起的岩体内部的开裂[1]。

2.2 七孔坝石灰石矿边坡破裂面调查

七孔坝石灰石矿边坡采矿区属平行岭谷丘陵地势，沟谷及山脊展布与地层走向一致，皆呈北东南西向。地貌属构造剥蚀、溶蚀作用形成的低山地貌，地表无自然水体。矿区经过多年的开采，形成了大量边坡，坡高10～60 m，坡角30°～80°。边坡基本成台阶状分布，坡度较陡，属崖壁类型，岩体遭多组裂隙切割呈碎块状，具有一定的整体性，发生坍塌可能性较小。由于层理、节理和开采破坏裂缝作用。浅层坡体受到较多切割，长期风化与地下水侵蚀下可能发生局部碎落坍塌。边坡岩体由于矿区开挖时采取爆破的手段致使边坡表面破坏松动。由于断裂面的切割，开挖后的工程边坡局部岩体不甚稳定。如图1所示，除了岩体内部层理、节理产生的自然断裂外，爆破震动产生的裂缝无处不在，尤其对岩体表面的整体性破坏较大，导致碎石落块随时会发生。

图1 边坡破裂面现状

3 边坡破坏形式

边坡的破坏主要分为崩塌和滑坡两种。

(1) 崩塌：可分为倾倒破坏和软弱互层坡体的局部崩塌和坠落两类。发生较为猛烈和突然，前期可预见性不强，一般易发生在高陡且裂隙较发育的边坡。

(2) 滑坡：较崩塌发生缓和但规模较大，一般具备前期可预见性，是边坡上层土体沿贯通的滑动面在重力等因素的作用下向下滑动的现象，滑坡主要分为三种类型：平面滑动、楔形滑动、圆弧滑动。但一般发生在土质边坡，故不予赘述[2-3]。

4 七孔坝石灰石矿边坡破裂性评价

4.1 破碎度评价指标

边坡破碎度评价指标主要有：破裂面的长度、宽度、深度；破裂面的位置与走向；破裂面密集度；破裂面所在岩体土体类型。

(1) 破裂面的长度、宽度、深度。破裂面的长度、宽度、深度直接决定着边坡的破裂程度与稳定性，破裂面的长度、宽度、深度越大，边坡的破裂程度就越大，对边坡稳定性就越不利。

(2) 破裂面的位置与走向。破裂面的位置和走向也是评价边坡破裂性的一个重要因素，破裂面的位置距离岩体结构面越近则越容易加快裂缝的发展和贯通，破裂面的走向与结构面走向越接近，越容易产生合力效应，导致边坡的裂缝迅速发展和失稳。

裂缝密度：

(1)

式中，ρ为裂缝密度；ls为单位面积裂缝长度；li为i方向裂缝总长度；S为测量面积。

裂缝方向因子：

(2)

式中，αE为裂缝水平方向因子；lEi为水平方向第i条裂缝长度。

(3)

式中，αEN为裂缝靠右倾斜方向因子；lENi为靠右倾斜方向第i条裂缝长度。

(4)

式中，αN为裂缝竖直方向因子；lNi为竖直方向第i条裂缝长度。

(5)

式中，αWN为裂缝靠左倾斜方向因子；lWNi为靠左倾斜方向第i条裂缝长度。

4.2 破碎度对边坡稳定度的折减

边坡岩土体内的应力分布是决定边坡变形破坏的主要机制。根据边坡应力的分布特点，裂隙面的周围是一个应力集中的地带，是影响边坡应力分布的一个重要因素。由于应力的重新分布和集中，打破了原来岩体中的应力平衡，当局部应力集中超过了该部位岩体的容许强度时，则引起局部产生剪切错动、拉裂，使岩体内原有的裂隙进一步延伸、扩展，而发生边坡变形。随着边坡变形的进一步发展，裂隙面不断扩大，当不断扩大的裂隙面相互贯通后，则使边坡岩土体的一部分从坡体中分开，在一定的条件下发生较大的位移，从而产生破坏。所以裂缝密度越大，岩体越破碎，边坡稳定度越低。

一般来说，边坡水平裂缝方向因子越大，则边坡倾覆稳定性越差，越容易发生倾覆；边坡竖直裂缝方向因子越大，则边坡垮塌稳定性越差，越容易发生垮塌。

根据破碎度评价指标，对七孔坝石灰石矿边坡A3区第一台阶边坡800 m2范围内的破裂面密集度进行评价。经测量，该范围内水平方向裂缝总长度ΣlEi约为900 m，垂直方向裂缝总长度ΣlNi约为

1200 m，靠右倾斜方向裂缝总长度ΣlENi约为800 m，靠左倾斜方向裂缝总长度ΣlWNi约为700 m。

该施工技术是针对仿古屋面造型特殊而对防雷装置进行的改进创新，以适应古建筑造型的一种安装方式。采用的避雷支架抱卡直径需要加工成与屋面瓦片直径一致，抱卡两侧设2个固定孔，在瓦片上画出固定孔位，使用调速电钻匀速地在瓦片上打出固定眼，使用长为5cm的自攻螺丝及膨胀栓将其牢固地固定在瓦片上，将镀锌圆钢放置在支架的固定端上，用螺栓将圆钢拧紧。瓦屋脊避雷支架经现场拉拔试验，可承受＞50kN的垂直拉力，符合规范要求，满足功能安全使用要求。完毕后使用透明耐候胶对开孔处进行密封。

将以上数据分别带入式(2)～式(5)中，得到αE=1.125/m，αEN=1.5/m，αN=1/m，αWN=0.875/m。

另Σli=ΣlEi+ΣlENi+ΣlNi+ΣlWNi，Σli=3600 m，则ρ=4.5/m。

由上述计算结果可得，该边坡破裂面密集度很大，边坡破坏很严重，边坡竖直裂缝方向因子较大，边坡垮塌稳定性很差，很容易发生垮塌，必须采取相应的加固措施。

5 加固方案分析

对于石灰石矿坑边坡的加固提出了以下方案：

(1) 削坡减压，清除浮石[5-6]：将最终开采段+50 m以上的不稳定边坡削缓，并将石灰石矿爆破开挖时造成的边坡表面不稳定浮石进行清除。该方法工程量较大，浮石存在于整个边坡范围内，清除范围广，且削坡工程量太大，作用不明显。

(2) 以钻孔抗滑桩为主，砂浆锚杆为辅：需要清理施工现场，购买较大型的穿孔设备，施工难度大，准备时间长。

(3) 开采境外排水，破碎带预注浆加固，表面进行浮土处理：在采石场顶部，开采境界以外的合适位置设截水沟，将雨水阻挡在采石场外，防止雨水入渗、冲刷。将破碎带进行预注浆加固，降低岩体破碎度，铺设浮土便于后期的种树植草和矿坑的生态恢复[7-8]。

综合分析，第3种方案相对于其他两种方案更适合石灰石矿坑的生态修复。

6 结 语

(2) 裂隙对边坡的影响往往不是独立，而是与水相互作用，裂隙对水提供了渗透的空间，而水加强了对裂隙的风化、侵蚀，从而降低了边坡的稳定性。共同考虑水与裂隙的因素，才能更加合理的评价边坡的稳定性，从而提出更加合理的加固措施。

(3) 对拉裂区坡体的3种加固方案进行边坡稳定性分析。结果表明，开采境外排水，破碎带预注浆加固，表面进行浮土处理加固的方式对边坡加固以及生态修复的效果最为明显。

参考文献：

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