长沙冰雪世界高陡边坡工程地质特征及其稳定性评价

彭柏兴，王会云，王小平，肖剑，贾永生，雷金山，刘和平，闫兵，杨文杰

(1.长沙市规划勘测设计研究院，湖南 长沙 410007； 2.国家电力总公司中南勘测设计研究院，湖南 长沙 410000；3.中南大学土木学院，湖南 长沙 410075)

1 引 言

长沙冰雪世界是大王山旅游度假中心项目的重要组成部分，地上3F，地下2F，总建筑面积 117 500 m2，总高度 40 m，为大跨度重载巨型钢混组合结构。项目依托新生水泥厂开采50多年形成的深愈 100 m废弃矿坑建造，建筑与山体、矿坑有机结合，主要由坑壁岩体承受结构竖向荷载和水平作用，是目前世界上唯一的“悬浮”式冰雪世界(图1)，被国际探索频道Discovery称为“不可能完成的项目”。冰雪世界主体结构以拱的形式传力，三边支撑于平台上呈凸字形的坑壁上，高陡矿坑边坡的整体稳定性是工程建设的关键。

图1 长沙冰雪世界效果图(据华东设计院)

矿产资源的开发利用在为国民经济快速发展提供保障的同时也对地球和人居环境造成了不同程度破坏，露天矿山开采形成的众多高陡边坡是其典型代表。长期以来，国内外专家学者从边坡的成因、岩土组成与岩体结构[1～3]、边坡破坏类型及稳定性与安全性[4～6]、岩体参数选择[7～9]等方面进行了研究和探讨。赤平投影法是岩质边坡稳定性定性分析的常用手段[10，11]，其关键在于结构面产状的准确获取。三维激光扫描、数字摄影测量等数字地质编录技术为高陡边坡的地质调查提供了技术支撑[12～15]。

“绿水青山就是金山银山”为新时代正确处理经济发展与环境修复与保护指明了方向，废弃矿坑修复成为老工业基地向新型城市转化的试点。本文以长沙冰雪世界高陡边坡为例，采用地质调查、工程物探、数字摄影编录技术、地质钻探、直剪试验、室内试验、赤平投影及三维数值稳定性计算等手段，分析了边坡地形地貌、地层岩性、结构面的分布及变形破坏特征，查明了坡体岩体质量与分带、探讨了边坡的可能破坏形式，提供了边坡支护设计参数，对边坡总体稳定与局部稳定进行了研究和评价，提出了防治措施与建议，为工程建设及安全运营提供了地质依据。

2 矿坑边坡工程地质特征

2.1 地形地貌特征

场地原始地貌为湘江河流冲积阶地，地面标高 45 m～65 m。经过50多年的开采，形成了似椭圆形坑口，长轴约 500 m、短轴约 400 m、深愈 100 m，整体地势呈四周高、中部低，坑底高程约 -31 m～-41 m，面积近18万m2的采矿遗存(图2)。

运料道路沿南→南东→北→北西→西方向即逆时针方向盘旋而下至坑底。南壁坡分为三级，高 40 m～50 m，坡度约30°～70°，局部近直立。南壁偏西侧，顺层理面开挖，两侧抽槽形成顶宽 2 m～7 m，坡度约34°的斜坡形岩墙，坡顶、坡脚高程分别为 45 m和 -20 m。其他各侧壁以运输道路为界，分为上、下两部分。其上部分别有1级～3级边坡，坡高 7 m～80 m不等，坡度50°～82°，局部几近垂直；其下0级～3级边坡，坡高 2 m～65 m不等，坡度约50°～77°，局部近垂直。各侧壁边坡现场照片如图3所示。

图2 废弃矿坑原貌(左：抽水前；右：抽水后)

2.2 地层岩性特征

场地第四系地层由人工填土、耕土、淤泥质粉质黏土与河流冲积形成的粉质黏土、含砾粉质黏土、圆砾、卵石及残积粉质黏土组成，厚度 0.5 m～45 m。基岩为泥盆系灰岩，厚度>210 m。坡壁基岩大部分裸露，岩层产状变化大，A、B支座区产状为N40°～60°W，NE∠5°～35°；C支座北西坡岩层产状N60°～80°E，NW∠5°～15°、南坡岩层产状N68°～85°W，NE∠15°～30°；南壁岩层产状N50°～60°E，NW∠30°～40°，南东壁岩层产状N20°～30°E，SE∠40°～50°。

岩基面起伏大、岩溶发育(图4)。岩石矿物成分以方解石、白云石为主(图5a)，致密块状构造，隐晶质-微晶质结构、球粒状结构，含生物碎屑结构，以珊瑚化石居多(图5b)。

图4 大地电磁电阻率反演图

图5 X射线衍射分析图谱(a)与正交偏光照片(b)

2.3 地质构造特征

长沙位于东南地洼区幕阜地穹西南部的乌山洼隆与长沙洼陷交接部，经历了武陵、雪峰、加里东、印支、燕山及喜山等多次构造运动，形成了以NE向构造形迹为主的断裂和褶皱(图6)。新构造运动以垂直差异运动为主，表现为间歇性升降和区域性掀斜，活动趋于减弱[16]。

图6 区域构造纲要图

矿坑夹持于西侧的大石塘-桐溪寺-坪塘-线秀区域性断层(F101)与东南侧的施家冲-新开铺-磊石塘断裂(F106)之间，岩层产状多变，次级断裂发育(图7)。矿坑发育大小断层4条，其特征如表1所示。

图7 A支座区典型照片(左)及其立面投影图(右)

矿坑边坡断层一览表 表1

2.4 结构面特征

为解决矿坑高陡边坡地质调查编录难题，采用了数字摄影地质编录技术[12]。根据支座位置和数码照片像对分幅，将矿坑边坡分为43个区/段，通过处理得到溶蚀裂隙等密图(图8)、溶蚀裂隙走向和倾向玫瑰花图和溶蚀裂隙倾角直方图(图9)与赤平投影图(图10)。

图8 边坡溶蚀裂隙等密图(上半球投影)

图9 边坡溶蚀裂隙走向和倾向玫瑰花图

由图可见，除倾角平缓的层面裂隙较多外，与断层相对应有2组陡倾角溶蚀裂隙，另有2组陡倾角和1组中等倾角溶蚀裂隙比较发育。

图10 边坡溶蚀裂隙倾角直方图及赤平投影图(上半球投影)

2.5 水文地质特征

矿坑四周高，坑内地势低，坑底最低在-40 m以下，场地地表水及地下水易由矿坑四周向基坑内汇集(图2)。

场地地下水分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩岩溶水两种，后者又分为岩溶管道裂隙水(厚层灰岩岩溶管道地下水)和岩溶裂隙水(薄层灰岩及泥灰岩裂隙水)两类。勘察期间孔隙水水位为 41 m～48 m。岩溶裂隙水的含水介质以岩溶裂隙为主，出露岩溶泉点分散、流量小、规律性差，多表现为岩体湿润。岩溶管道裂隙水主要分布矿坑东壁边坡及断层F1破碎带，岩溶泉渗流路径远，补给量大，是矿坑积水的重要补给源。

经分析，场内地表水与地下水对砼结构具微腐蚀性，对钢筋砼结构中的钢筋具微腐蚀性。

2.6 岩溶地质特征

场地内岩溶发育强烈，与构造有关，受岩性和层厚控制。表现为溶穴、槽状溶洞、溶蚀破碎带和溶蚀裂隙发育带。分布特征如下：

(1)平面上，展布方向与岩层走向近一致，岩溶明显受岩性和层厚控制。主要分布在矿坑北壁-北西壁和南东-北东壁，后者较前者发育更强烈，可能与湘江位于矿坑东面、岩溶发育的水动力条件更为充分有关。

(2)坡面上，主要分布于开口线以下 10 m～20 m范围。岩溶发育受卸荷程度影响很大，卸荷程度越深，岩溶越发育。

(3)垂向上：集中于边坡中上部，标高 -13 m～40 m。坑壁溶槽、溶沟、溶缝多，表现为垂直岩溶形式，陡倾角溶蚀裂隙发育，溶穴表现为水平岩溶，沿层间结构面与陡倾角裂隙交汇处发育。

3 边坡岩体分级及其物理力学指标

3.1 边坡岩体分级

根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)[17]，按碳酸盐岩溶蚀风化带划分标准可划为4带。

(1)表层强烈溶蚀风化带：可分为强烈溶蚀风化上带和强烈溶蚀风化下带。沿断层、裂隙及层面等结构面溶蚀风化强烈，风化裂隙发育。下限埋深一般为 10 m～20 m，水平埋深一般为 10 m～15 m，立面投影面积占边坡总立面投影面积的43.2%，岩体质量一般为Ⅳ类或更差。

(2)裂隙性溶蚀风化上带：主要分布在矿坑边坡的中下部，下限埋深一般为 20 m～30 m，水平埋深一般为 20 m～25 m，立面投影面积占边坡总立面投影面积的11.1%。岩体质量一般以Ⅲ2类为主。

(3)裂隙性溶蚀风化下带：位于坡面的中下部和深部，下限埋深一般为 50 m～70 m，水平埋深一般为 40 m～60 m，立面投影面积占边坡总立面投影面积的30.4%。不见明显的卸荷现象，只局部沿溶蚀裂隙发育小型溶蚀孔洞。岩体完整性受结构面溶蚀风化影响轻微，岩体强度降低不明显。岩体质量一般以Ⅲ1类为主。主要分布在矿坑边坡的下部，

(4)微新岩体带：位于边坡中、深部和坡面少数溶蚀裂隙稀少区域。大部分裂隙紧密、闭合或为钙质薄膜充填，仅个别裂隙面有锈膜浸染或轻微蚀变。立面投影面积占边坡总立面投影面积的15.3%。

3.2 边坡岩体综合分类及其物理力学参数

根据试验成果和边坡岩体质量分类成果，结合矿坑工程地质条件，类比已有工程经验，矿坑边坡岩体质量分类和物理力学参数建议值如表2所示。

边坡岩体质量综合分类及其物理力学参数 表2

3.3 岩体结构面及断层破碎带直剪试验

现场采用平推法对岩体结构面和断层破碎带进行了6组抗剪试验(图11)，结果如表3所示。

图11 岩体直剪试验安装图(a)及剪切面试面(b) 岩体结构面及断层破碎带直剪试验成果表 表3

4 边坡岩体失稳模式与稳定性评价

4.1 边坡岩体的失稳模式与变形机制分析

本矿坑边坡失稳破坏的主要形式有：崩塌、沿结构面的平面型或结构面组合的楔形体滑动以及小型岩溶洞穴塌陷破坏(图12)，尤以崩塌和平面型滑动破坏模式为主。

矿坑呈不规则类椭圆形，边坡走向各方向均有，开挖后无支护，暴露超过40年。岩体在长期应力释放及重力等因素作用下，向临空方向卸荷回弹变形，使得节理、裂隙拉裂，边坡开挖切断了以层间结构面为主的中、缓倾角结构面，变形逐步加大，溶蚀、地下水降低了节理、溶蚀裂隙的抗剪强度，这些均构成边坡岩体变形的内、外部环境条件。

图12 矿坑边坡岩体典型失稳模式

4.2 边坡岩体整体稳定性评价

矿坑边坡基岩裸露，为薄层～厚层状灰岩夹泥灰岩，抗风化能力较强。边坡强烈溶蚀风化岩体较薄，无区域性大断层通过，完整性较好。岩层倾角平缓，倾角多在5°～15°间，为近于层状平叠状结构边坡，岩层产状对边坡稳定影响不大。三个支座区边坡裂隙发育4～5组，与层理、坡向的赤平投影结果如图13所示，矿坑边坡整体上基本稳定。

图13 各支座区边坡裂隙赤平投影图

经调查，矿坑边坡整体变形迹象不明显，矿坑边坡未见发生过大面积垮塌迹象，矿坑周边也未发现明显的裂缝，矿坑边坡整体稳定性较好，基至未进行任何支护，长时间暴露、遭受地表、地下水浸没或后期冲蚀边坡，矿坑边坡也仍安全无恙。

综上，矿坑边坡整体稳定性较好。

4.3 边坡岩体局部稳定性评价

矿坑边坡陡峻，高差大，未支护暴露长，坡面局部发育断层破碎带及其影响带、节理密集带。顺溶蚀裂隙发育溶穴、溶沟、溶槽，局部有小规模岩溶塌陷，岩体质量差，稳定性差。部分地段边坡顺断层或节理密集带走向开挖，边坡尤其是开口线以下 10 m～20 m卸荷明显，易形成拉张裂缝、溶蚀裂缝，产生局部崩塌、滑动，形成危岩体。必须对边坡浅层岩体进行局部加固和防护。

4.4 拱角区三维稳定性分析——以A拱角区为例

为模拟拱角加载后坡体的稳定情况，选择受F1断层影响、地质条件最为复杂的A支座区域进行三维稳定性分析。根据设计要求，A支座荷载作用力标高绝对 18 m，X向作用力 641 184 kN、Y向作用力 282 135 kN、Z向(重力方向)作用力 306 240 kN。A拱脚数值计算模型如图14所示。

图14 A拱脚模型图

设置了两种方案，方案一包含所有岩土层(含破碎带)建立数值模型，进行三维稳定性数值分析；方案二仅考虑灰岩为主要承重岩体，模型中挖除上部土层，仅分析灰岩承载稳定性的方案二。通过FLAC3D强度折减法计算A拱脚各方案的安全系数，A拱脚未施加荷载时，处于稳定状态，安全系数达到1.65(方案一)和1.85(方案二)(只有灰岩情况)；施加荷载后，安全系数明显降低，分别为0.51(方案一)和0.50(方案二)，A拱脚区域在荷载作用下岩土体处于不稳定状态。

施加荷载后拱脚岩体在荷载作用下的位移趋势图见图15，破坏范围图如图16。结果表明，在拱脚荷载作用下，A区突出岩体将发生破坏，位移趋势大致方向为荷载作用方向，并在荷载作用下产生向上滑动位移趋势。突出岩体大部分将发生拉剪破坏，破坏区域从坡顶往内大约 25 m范围，岩体发生整体侧向推移破坏。

图15 A拱脚岩体位移趋势

图16 A拱脚破坏区域分布图

4.5 边坡岩体处理措施建议

主要措施建议如下：

(1)建筑物地基避开断层破碎带和Ⅳ类岩体，或做专门处理；

(2)对边坡松动、悬空等危岩体进行清除；

(3)对Ⅳ类岩体进行锚杆+防护网支护或系统喷锚+排水支护；

(4)对影响边坡稳定的溶蚀裂隙进行随机锚杆支护；

(5)对各拱角处边坡，应针对其荷载作用下的影响范围和变形特征，进行专项支护设计。

5 结 语

(1)长沙冰雪世界地基为水泥厂开采形成的高陡边坡，坑壁基岩裸露，岩层倾角平缓，倾角在5°～15°之间，表现为近于水层的平叠状结构边坡，坡体总体稳定。

(2)矿坑边坡岩体具有溶蚀风化特点，自上而下分为表层强烈溶蚀风化带、裂隙性溶蚀风化上带、裂隙性溶蚀风化下带、微新岩体带。表层强烈溶蚀风化带岩体质量为Ⅳ类或更差，对边坡稳定影响很大。

(3)受近场区区域断裂影响，矿坑发育4条断层及多组陡倾角溶蚀裂隙带。矿坑边坡的主要破坏为局部破坏，其形式表现为崩塌、沿结构面平面滑动或结构面组合的楔形体滑动以及小型岩溶洞穴塌陷。

(4)根据边坡岩体地质条件最为复杂的A支座的三维数字模拟表明：施加拱脚荷载后，安全系数明显降低，分别为0.51(方案一)和0.50(方案二)，A拱脚区域在荷载作用下岩土体处于不稳定状态，应进行专项设计。

(5)应用数字摄影地质编录技术有效解决了人工无法直接开展高陡边坡地质勘察调绘编录的难题，降低了作业人员的劳动强度和危险性，保证了成果质量。

长沙冰雪世界营业近2年，各种观测数据表明良好。该项目已成为老工业基地向绿色新城转化的代表，被视为国内城市生态修复的经典项目之一。