南宁市某废弃花岗岩采石矿边坡稳定性分析

沈玉涛

（广西华蓝岩土工程有限公司，南宁 530001）

由于过去长期采矿活动及石材加工严重破坏了矿山地质环境，使得宾阳县矿山地质环境问题突出，主要表现在矿山凹陷开采形成深坑的安全性、 坡面水土流失而形成的大面积挂白区、 矿山的废弃矿渣及石材堆场堆压破坏造成视觉污染等［1-3］。 其中，采石遗留的深陡边坡的稳定性和安全性是目前矿山边坡治理的重要研究内容［4-5］，经调查，南宁市宾阳县露天采石矿技术相对落后，各矿区开采面裸露较大，废弃采场普遍存在未分台阶开采，边坡较陡，局部甚至直立或伞岩， 采场顶部多孤石， 采场之间存在石壁、 石墙林立； 而采矿所产生的废碴则沿坡随意堆放；在暴雨等外因诱发下易产生滑坡、崩塌等地质灾害。由此可知，废弃矿山不仅破坏生态环境及自然景观，且占用的土地不能利用，也带来诸多安全隐患。原来位置相对较偏僻的废弃矿山， 由于城乡一体化进程的加快，逐渐成为分布在公路边、开发区周边地带的危险源，形成新的安全隐患，个别矿山给当地群众生命财产造成了损失。 目前未治理的废弃矿山与宾阳县的城市形象极不协调，对新型城镇化、全域一体化发展形成制约， 所以大力治理废弃矿山工作是当前一项十分重要且迫切的任务。

本文依托南宁市宾阳县某废弃花岗岩矿山的边坡治理工程， 介绍了边坡治理区的现状和选用的治理方法，并在此基础上采用数值模拟的方法，建立治理前后边坡计算模型，分析一般工况、暴雨工况和地震工况下的边坡变形和稳定性变化规律。

1 边坡治理区现状

区内有废弃矿坑2个， 累计平面面积约4.70hm2；因历史开采遗留形成大面积挂白区域。 废弃矿坑以露天开采为主，露采形成的后坡高陡，坡高12～15m，坡度50°～75°。 本区已闭坑多年，目前堆放渣石，形成大片挂白区，挂白区长约300～320m，宽100～140m。如图1。

图1 研究区边坡现状

治理区对土地资源的破坏方式主要表现采场的开采现场破坏及砂石堆压破坏。 破坏土地类型为农村居民用地4.70hm2。采矿活动对植被、山体和景观破坏大，造成视觉污染和土地资源浪费。

2 场区地层岩性

图2 场区区域地质构造及岩体分布

地层仅见第四系（Q）残坡积层，由斑状花岗岩强风化残坡积而成。 残坡积层呈土黄、砖红、灰黄等杂色，砂土结构，松散状，主要由石英砂粒、黏土矿物及残余长石、黑云母等组成，局部夹块石。 风化程度自地表向下由强变弱，风化黏土矿物由多变少、石英颗粒及残余长石则由少变多，下部可见残余原岩结构、构造。残坡积层厚度0～1.5m，该层与下覆新鲜斑状花岗岩接触界线一般较明显或呈渐变过渡关系。

3 边坡治理方案

本方案规划设计对治理区南侧边坡进行综合整治，并对场地内堆积的砂石进行移除，总体场地平整完后回填种植土， 边坡采取挂网客土喷播技术进行防护，并采取修建排水沟、挡土墙以防止水土流失。回填种植土是为种树、种草、种藤营造复绿条件。 在采取相应复绿措施后， 复垦为建设用地， 复垦面积4.70hm2。 如表1。

表1 坑口村治理片区KK7边坡治理主要工作量

挂网客土喷播技术就是通过在边坡上锚固金属网、钢筋网或高强塑料三维网中的一种（挂网可以使客土基质在岩石表面形成一个持久的整体板块，本项目采用套胶铁丝网），采用压缩空气喷枪将混合好的客土喷射到坡面上，再在其上喷射植被种子，通过植被发达的根系和网体的紧密结合， 对边坡达到防护的目的。 客土为植被在边坡上的生长创造了有利条件， 其组成随植物在边坡上生长条件的不同而不同。根据边坡坡率、地质情况、气温、降雨等特征合理选择网的种类，边坡的植被防护效果就会更佳。该技术适用于边坡比较稳定、 坡面冲刷轻微的路堤与路基。 用以防止边坡表面水土流失，固结表土，增强路堑边坡的稳定性，美化环境。锚杆采用HRB400钢筋，钢筋直径为ϕ32mm， 与坡面夹角为90°， 长度为2m，1.00m×1.00m梅花形布置，如图3、图4。

图3 挂网客土喷播施工立面示意图

图4 挂网客土喷播剖面示意图

4 边坡治理前后数值模拟分析

4.1 数值模拟的建立及参数选取

边坡主要有2层岩土组成，上部为①中等风化混合二长花岗岩，下部为②微风化混合二长花岗岩，根据室内试验试验获取的参数如表2。

表2 边坡岩体室内试验物理参数

数值计算时，模型除坡面为自由边界外，模型底部为固定边界约束边界， 模型四周为单向约束边界。 计算模型中，岩土体采用6节点三角形单元进行网格划分，并在开挖影响范围内适当加密网格，提高计算精度，岩体采用的是较常用的弹塑性模型，服从Mohr-Coulomb屈服准则，锚杆采用弹性本构模型，锚杆弹性模量取200000MPa，泊松比为0.3，抗滑桩弹性模量取30000MPa，泊松比为0.2。 取典型的边坡断面建立加固前后数值模型如图5、图6。

图5 加固前边坡模型

图6 加固后边坡模型

4.2 数值模拟结果分析

为考虑各种不利工况对边坡的影响，研究建立了3种主要工况：①一般工况，即模拟边坡在天然状态下的稳定情况， 其抗剪强度参数采用天然状态下的力学强度指标；②暴雨工况，即模拟边坡在降雨后受到雨水浸泡饱和的不利工况， 其抗剪强度参数采用饱和状态下的力学指标；③地震工况，即模拟边坡受到地震力影响条件下的稳定状况，场区地震基本加速度为0.15g，地震水平系数αw=0.038，岩体抗剪强度参数采用天然状态下的力学指标。 分别得到加固前边坡的位移云图如图7～图9、加固后边坡的位移云图如图10～图12。

图7 加固前边坡一般工况位移云图

图8 加固前边坡暴雨工况一般云图

图9 加固前地震工况位移云图

图10 加固后边坡一般工况位移云图

图11 加固后暴雨工况位移云图

图12 加固后地震工况位移云图

从以上图中可以看出，无论何种工况，边坡斜面上的变形比边坡内部和坡顶、坡脚的大，且在岩体交界处为最大， 沿着坡面的法向边坡内部不断减小；相同工况条件下，加固后岩体边坡变形明显比加固前岩体小， 表明加固锚杆使岩体的整体性更好， 岩体能充分利用内部岩体的抗剪强度进行抗滑。 各种工况下的稳定系数和位移比较如图13、图14。

图13 加固后稳定系数曲线

从图中可以看出， 加固前的稳定系数范围为0.89～1.05之间，根据GB50330—2013《建筑边坡工程技术规范》［6］与GBT32864—2016《滑坡防治工程勘查规范》［7］的判别标准，一般工况和暴雨工况下，边坡处于基本欠稳定状态，而地震工况处于不稳定状态，边坡的位移范围为27.5～28.3mm，而加固后，所有工况的稳定系数大于等于1.15，处于稳定状态，边坡的位移范围为16.3～26.7mm， 与加固前相比大大降低。

对加固后的边坡进行变形监测，布置3个监测点进行监测，点位布置如图5，监测时长180d，可得到监测时间与变形的关系曲线如图15。从图中可以看出，在监测点1#位置处，为边坡的坡面处，且为岩层的分界面上，其变形随着时间的变化而不断增加，变形速率和变形总量为3个监测点之最， 而在162d之后，变形趋于稳定，达到边坡变形最大值25.78mm，而在监测点2#（坡顶）和监测点3#（坡脚）位置处的变形总量和变形速率依次减小。

图15 监测时间与变形关系曲线

为了比较加固后模拟计算的实用性，对3个监测点的监测数据与一般工况计算值进行了比较， 如图16。 由图可以得到，在一般工况条件下，不同边坡位置处的变形模拟计算最大值与监测最大值十分接近，且表现为坡面最大，坡顶次之，坡脚最小的规律，因此在类似边坡防护期间，应加强边坡坡面的监测，对其最大值进行预报和预警。

图16 最大计算值与最大监测值对比曲线

5 结语

本文依托南宁市宾阳县某废弃花岗岩矿山的边坡治理工程， 介绍了边坡治理区的现状和选用的治理方法，并在此基础上采用数值模拟的方法，建立治理前后边坡计算模型，分析一般工况、暴雨工况和地震工况下的边坡变形和稳定性变化规律， 得出以下结论：

（1）南宁市宾阳县露天采石矿技术相对落后，各矿区开采面裸露较大， 废弃采场普遍存在未分台阶开采，边坡较陡，在暴雨等外因诱发下易产生滑坡、崩塌等地质灾害。

（2）无论何种工况，边坡斜面上的变形比边坡内部和坡顶、坡脚的大，且在岩体交界处为最大，沿着坡面的法向边坡内部不断减小；相同工况条件下，加固后岩体边坡变形明显比加固前岩体小， 表明加固锚杆使岩体的整体性更好， 岩体能充分利用内部岩体的抗剪强度进行抗滑。

（3）加固前的稳定系数范围为0.89～1.05之间，边坡的位移范围为27.5～28.3mm，加固后稳定系数大于等于1.15，边坡的位移范围为16.3～26.7mm，加固方案能有效改善边坡的变形和提高其稳定性。

（4）边坡的坡面处变形随着时间的变化而不断增加，变形速率和变形总量为3个监测点之最，坡顶次之，坡脚最小，不同边坡位置处数值计算变形最大值与监测最大值接近。