丁山矿区边坡工程地质特征及稳定性评价

汪海斌 刘 欢 马建勇 袁兴文 刘 乐

（1.安徽省地质矿产局322地质队；2.马鞍山富凯建设工程有限责任公司）

边坡稳定性是露天矿山开采过程中的重要问题，当矿山退役后，其开采形成的高边坡稳定性是矿山生态环境修复的重要问题。对退役露天矿山边坡的工程地质特征及稳定性进行全面评价，是现今生态恢复的重点环节，具有重大的工程价值。对边坡稳定性的研究方法主要有工程地质分析法、极限平衡分析法（瑞典条分法、毕肖普法、简布法、萨尔玛法等）、极限分析法和数值分析法等［1］。在对于矿山边坡的研究方面，胡卸文等［2］对四川某矿山的边坡失稳机理及稳定性进行了研究；王东等［3］基于露天矿山中的边坡进行了三维数值模拟，并计算了边坡的稳定性系数；李全明和黄成林等［4-5］对矿山开采过程中的边坡稳定性问题进行了研究，并提出了相应整治措施；崔铁军和李晓鹏等［6-7］对露天煤矿边坡在地震作用下的稳定性进行了综合分析；杜时贵等［8］对大型矿山的总体边坡、台阶边坡和组合台阶边坡的稳定性进行了分级；王明等［9］对露天煤矿边坡在渗流作用下的稳定性进行了分析。

本研究以安徽省马鞍山市的丁山矿区边坡为例，通过野外调查与工程地质勘察等手段，掌握了矿区的工程地质特征，对丁山矿区东、西、南、北边坡变形情况进行识别，并对北侧边坡的稳定性进行计算与评价。

1 矿区地质环境条件

1.1 地理位置与构造

丁山矿区位于安徽省马鞍山市雨山区向山镇南东方向约1.5 km 处（图1），丁山矿区内的地貌主要为丘陵和残丘，海拔高度为31.21～185.10 m，整个矿区地形北高南低，最高点位于矿区北部的大王山南坡，高程为185.10 m；最低点位于矿区南西边缘耕地内，高程为31.206 m。矿区北坡后缘为一岩质陡斜坡，坡顶延伸至分水岭，中后部为矿山开挖平台，前缘为斜坡地形，斜坡坡脚直抵采坑水面。

丁山矿区位于扬子准地台，宁芜中生代断陷盆地中段，宁芜向斜中段轴部附近南东翼，区内火山岩系褶皱构造主要为丁山背斜，与其北部的向山向斜毗邻。丁山背斜为轴向北东、向北东倾伏，平面上两翼向北东展开、南西收敛的小型背斜，由于闪长玢岩的侵入，背斜构造受到严重破坏，形态很不完整。丁山矿区主要位于背斜的北西翼，地层走向约为40°，往西渐变为32°～35°，倾向北西，倾角为15°～30°。

1.2 边坡平面特征

（1）从野外钻探、调查和遥感影像可知，矿区东、南、西坡未见变形破坏迹象，北坡由于采矿削坡形成台阶状，坡面平台多达10 余处。各级平台的地形坡角较陡，坡度范围为40°～50°。边坡中后部平台分级较多且缓，纵长约95 m，横宽约195 m，地面高程为94.470～158.510 m，地形坡角为15°～25°，边坡前缘平台较少且陡峭，边坡纵长约130 m，横宽约300 m，地面高程范围为9.60～94.470 m，地形坡角为35°～40°，坡面存在局部溜滑现象，坡脚位置即为露天开采矿坑边缘。边坡地形相对高差约180 m，总体而言场地地形起伏较大。

（2）根据丁山矿区北侧边坡的形态特征（图2），可将边坡划分为3个区域，I区、III区为岩质边坡区，中部II区为滑坡区。滑坡区是由于矿区开采作业不规范，导致出现贯穿坡顶的滑坡，其余地段坡体均无明显滑动变形迹象，但坡体后缘由于矿区不规范开采，形成了25～30 m 的岩质陡坎，加之后缘岩体X 共轭节理面切割作用，局部存在崩塌不良地质灾害，其余不良地质灾害主要表现为平台坡面的局部溜滑现象。

（3）坡体中部II区滑坡部位主要地表物质由第四系崩坡积体堆积组成，崩坡积物质主要来源于后侧陡斜坡及边坡中后部分级平台。

1.3 地层岩性

根据地质调查及钻探揭露，丁山矿区场地主要由第四系崩坡积层（Qcol+dl）、第四系全新统滑坡堆积层（）和白垩系下统大王山组三段（K1d3）的凝灰岩或闪长玢岩组成。其地层结构特征分述如下。

（1）第四系崩坡积层（Qcol+dl）。主要由块碎石土组成，呈褐黄色，分布于整个丁山矿区北坡后缘岩质陡坡坡脚，其中块碎石成分主要为碎裂状晶屑凝灰岩，呈强—中等风化状态，棱角状、次棱角状，据地表调查，最大块径约0.50 m，间夹粉质黏土，多呈硬塑状态，局部地段呈可塑状态，其块碎石土厚度一般为2.0～5.5 m，总体呈中前缘薄、后部厚的特征。

（2）第四系全新统滑坡堆积层（Q4del）。该层主要分布于丁山矿区北坡中部II 区的滑坡区，呈杂色，主要由碎石和黏土组成，稍湿，松散，碎石成份主要为凝灰岩，碎石大小不一，呈棱角状，根据探槽及钻孔揭示，该层厚约5.50 m。

（3）白垩系下统大王山组三段（K1d3）。①散体状晶屑凝灰岩，呈浅灰色，散体状结构，岩芯呈泥土状，局部呈碎块状，部分深度范围内高岭土化较为强烈，岩芯手捏可散，力学强度低，层间局部夹碎裂状含砾凝灰岩；②碎裂状晶屑凝灰岩，呈灰白—灰黄色，碎裂状结构，块状构造，岩芯较坚硬，呈碎块状及短柱状，局部高岭土化较强烈，而局部硅化胶结较为强烈，力学性质差异较大；③碎裂状闪长玢岩，呈灰、灰白色，斑状结构，块状构造，基质为细粒结构，以斜长石、角闪石、绿泥石为主，磁铁矿化、高岭土化较强烈，局部含磁铁矿，岩石破碎呈碎块状，岩芯整体较为完整，力学性质指标较高。

1.4 水文地质与腐蚀性评价

丁山矿区主要地貌单元为丘陵地貌，场地周边未见有河流水系，仅存在零星水塘及矿坑内积水。矿区主要以硫铁矿为主，硫化矿物在空气、水和微生物作用下，发生溶浸、氧化、水解等一系列物理化学反应，形成含大量重金属离子的风化岩石淋溶水及雨水，汇聚于丁山矿区巨大露天采坑塘口，并堵塞塘口形成积水坑，经过长时间的富集效应，水体颜色呈深绿色，属于酸性污染水质。地表水主要来源于大气降雨及当地居民生产生活用水。

丁山矿区地下水以松散岩类孔隙水及基岩强风化带裂隙水为主，稳定地下水位埋深较深，钻孔中未见稳定地下水位。总的来看，边坡中地下水贫乏，可不考虑地下水渗流影响。松散岩类孔隙水主要赋存于崩坡积层中，接受大气降雨补给，向前缘矿坑排泄，水量较小。在丁山矿区边坡前缘下部，地下水与矿坑内积水交互补给，水量较大。据钻探资料，在钻孔期间的大部分钻孔未发现地下水，并且钻孔循环水发生渗漏现象，且北区边坡的滑坡区中后缘基本无地下水存在。基岩强风化带裂隙水主要赋存于基岩强风化带裂隙中，丁山矿区北区边坡后缘外大气降雨通过后壁裂隙下渗在基岩强风化带裂隙中，经过赋存、运移，并向前缘矿坑排泄，充填丁山矿坑。

在丁山矿区北侧边坡前缘矿坑内采取了2 组地表水样，根据《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001，2009 年版）［10］对水试样进行腐蚀性分析，表明对混凝土达到微—中腐蚀，对混凝土中的钢筋为微腐蚀，需按二类环境类型考虑工程设计，如表1 所示。

2 矿区北侧边坡稳定性分析与评价

2.1 矿区北侧边坡潜在滑带土特征

根据北侧边坡的勘查资料，北侧边坡由变形、破坏形成的物质组成主要为第四系全新统崩坡积体、滑带土和下伏碎裂结构岩组、块状结构岩组基岩层，已在前面叙述。而通过勘查，发现北侧边坡所处崩坡积体潜在滑动带主要为上部土层与高岭土化强烈的散体状凝灰岩接触面，其中滑坡前部钻孔资料及中部探槽资料揭示，滑坡体厚度约为5.50 m，大部地段潜在滑带土物质组成主要为浅灰色—灰白色的强高岭土化岩（图3），岩石蚀变强烈。钻孔岩芯呈松散—半坚硬状，具黏性，含水量较高，可塑—软塑状，呈似层状埋藏于第四系地层之下，局部碎石含量较少，无摇震反应，手拈具滑感，勘查区滑动带受下伏强高岭土化岩控制，埋深为5.50～6.50 m。

2.2 计算参数的确定

根据室内土工试验和现场原位测试成果，采用工程类比法及反演计算，可确定岩土层的物理力学性质，见表2。

2.3 丁山矿区北侧边坡稳定性定性分析

根据现场钻探揭示及地质调查显示，北侧边坡I、III 区域内，岩质边坡整体稳定性较好，无贯穿坡体的裂隙面，后缘存在崩塌现象，但其崩塌范围及规模较小，对岩质边坡的整体稳定性影响较小。根据岩质边坡的变形特征、基岩面形态及勘探资料，丁山矿区北侧边坡中后部基岩面由于矿山开挖，坡面较陡，坡度为70°～80°，平台位置未发现明显变形迹象，平台内侧可见上部岩体崩塌形成的堆积体，堆积体厚度约1.50～2.0 m，结构松散，堆积体现状较为稳定，钻探深度范围内也未发现滑动迹象，整体稳定性较好。I、III区岩质边坡由于下部矿区开采，形成高陡岩质边坡，基岩裸露，岩性以碎块状凝灰岩为主，属于软岩—较软岩，岩体较为完整，节理裂隙较为发育，根据现场地质调查，测得基岩面发育有3组主要节理裂隙面，裂隙面闭合或微张，结构面结合程度一般，分别为L1 裂隙（110°∠52°）、L2 裂隙（130°∠55°）、L3 裂隙（220°∠89°），该岩层分布于开挖面下部，表层易风化剥落，在不良结构面及不利因素作用下易引发崩塌；该岩体开挖后整体较稳定，局部易发生小规模崩塌；I、III 区的岩体结构面的赤平极射投影如图4 所示。由图4可知，I区、III区岩质边坡各结构面倾角较大，左侧后缘边坡的L1、L2 均为外倾结构面，不利于边坡稳定，L1、L2 与L3 节理切割形成了楔形体，易发生崩塌破坏，考虑到岩质边坡坡度较大，现状条件下可见后缘平台有崩塌堆积体，坡体上部局部位置易在降雨等工况条件下形成局部崩塌。

对于丁山北侧边坡中部II区的滑坡区，根据野外调查发现，滑坡区后缘具有拉裂缝和中前部分布有拉裂缝及错落台坎，左右侧未见地表明显变形开裂迹象。在II区的滑坡区后缘部分可明显见裸露基岩，岩性以碎块状凝灰岩为主，属于软岩—较软岩，岩体较为完整，节理裂隙较为发育，根据现场地质调查，测得基岩面发育有3组主要节理裂隙面，裂隙面闭合或微张，结构面结合程度一般，分别为L1 裂隙（275°∠89°）、L2 裂隙（45°∠58°）、L3 裂隙（265°∠81°）；其中L3 结构面与坡面大角度相交，形成了滑坡后缘及左侧缘，II区岩体结构面与边坡赤平投影如图5所示。

由图5可知，II区岩体中L1、L2、L3均与坡面大角度相交，且倾向坡内，稳定性较好，岩质边坡后缘整体稳定性较好，但局部仍存在崩塌现象。但需要指出的是场地内为散体状凝灰岩，由于岩质较软，遇水易软化崩解，且地表水下渗后多易沿基伏界面渗流软化基岩形成泥化层，上伏松散碎石土易沿泥化层发生滑移，现滑坡体侧缘裂隙贯穿，已形成错台陡坎，中前部局部出现垮塌现象，后缘张拉裂隙明显，表明滑坡区在降雨等工况条件下，边坡中部滑坡区由于表层土体松散，其边坡稳定性将下降，存在再次滑动的可能性。

2.4 丁山矿区北侧边坡稳定性定量分析

根据现场地质调查判定边坡以沿潜在破裂角的平面滑动为主，因此采用不平衡推力的理正软件进行平面滑动搜索对边坡I、II、III 区的A-A'、B-B'、CC'、D-D'剖面（图2）进行计算，并根据边坡堆积体及可能出现的载荷组合状况，主要考虑3种工况，工况1为天然自重工况，地下水埋深位于潜在滑动面以下，不考虑动水压力；工况2 为天然自重的暴雨状态，此工况主要考虑潜在滑动面的饱水状态，且也不考虑动水压力；工况3 为天然自重的地震状态，主要考虑地震动作用下边坡稳定性，且也不考虑动水压力。通过计算，北侧边坡各典型剖面的稳定性结果如表3所示。

从表3 可知，I 区岩质边坡A-A'、B-B'和III 区的D-D'剖面在各工况条件下稳定系数为1.163～1.752，根据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）［11］，在岩土体天然受力状态下稳定，自身的稳定性较好；在暴雨工况条件下其边坡稳定性有所降低，但计算表明坡体整体仍较为稳定；在地震工况条件下，边坡稳定性也有所降低，但计算结果表明坡体整体仍较为稳定。因此，Ⅰ区、Ⅲ区岩质边坡整体稳定，但其后缘岩质陡坡在节理裂隙面的切割作用下，局部易出现崩塌的现象。对于II区岩质边坡C-C'剖面，在天然自重工况下稳定系数为1.035，在1.0～1.05范围内，判断为欠稳定，自身稳定性较差，与现场实际调查结果相一致；在暴雨和地震工况下，岩土体的稳定性进一步下降，且稳定性系数均小于1.0，表明边坡整体处于不稳定状态，需要对边坡采取治理措施。由于北侧边坡均含有凝灰岩，其岩质较软，遇水易软化，因此，设计、施工时需对坡面进行封闭，并采取截排水措施，避免表层基岩被雨水浸泡。

3 结论

（1）丁山矿区内的地貌主要为丘陵和残丘，位于基底褶皱宁芜向斜中段轴部附近南东翼，场地内主要由第四系崩坡积层（Qcol+dl）、第四系全新统滑坡堆积层（Q4del）和白垩系下统大王山组三段（K1d3）的凝灰岩或闪长玢岩组成。

（2）丁山矿区内东、南、西坡未见变形破坏迹象，而北坡由于采矿削坡形成台阶状坡面，存在局部溜滑现象，并将北坡分为I 区、III 区岩质边坡区及II 区滑坡区。

（3）北侧边坡I、III 区域内，岩质边坡各结构面倾角较大，左侧后缘边坡的L1、L2 均为外倾结构面，不利于边坡稳定，L1、L2 与L3 节理切割形成楔形体，易发生崩塌破坏；II 区岩体中L1、L2、L3 均与坡面大角度相交，且倾向坡内，稳定性较好，岩质边坡后缘整体稳定性较好，局部存在崩塌现象，且在I、II、III区后缘均有崩塌现象。

（4）北侧边坡I、III 区域在天然、暴雨、地震工况下的稳定系数均大于1，表明均处于稳定状态；而II区岩质边坡在天然工况下已经处于欠稳定状态，在暴雨与地震工况下的稳定系数均小于1，处于不稳定状态，需要对边坡采取治理措施；且由于北侧边坡均含有凝灰岩，其岩质较软，遇水易软化，需在设计、施工时对坡面进行封闭，并采取截排水措施，避免表层基岩被雨水浸泡。