某露天采场边坡稳定性治理研究

李小武，施雄斌，冯 娟，罗春生

(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.紫金(厦门)工程设计有限公司，福建 厦门 361000)

0 引 言

边坡稳定性一直是露天矿山面临的重要安全隐患，陆卫国认为大南湖露天矿非工作帮边坡破坏主要沿基底岩层滑动，而工作帮边坡则以竖直方向变形为主；马明康等采用极限平衡法与数值模拟方法得出：削坡后黑山露天矿边坡稳定性大于安全储备系数；梅开品和武尚荣的研究表明：当边坡开采至一定高度后，断层对边坡位移产生巨大影响；金爱兵等实现从无人机测量到三维数值模型的快速建立，以便获得更好数值模拟结果；周子涵等利用能量突变判据评价露天矿边坡开挖过程中的稳定性；李梅华研究了矿山边坡滑坡段土石混合体力学特性，为滑坡体稳定性计算提供有效原位力学参数。潘祖瑛和李二宝使用GEO-SLOPE软件进行了数值模拟分析，得出矿山总体边坡稳定性最小安全系数；杨宇江和路增祥认为覆盖层散体能吸收、转移露天矿残余边坡应力，对能量释放有缓冲作用，进而能够支撑边坡及围岩。此外，露天矿边坡问题还有诸多其他研究成果，为该文研究工作提供了参考。

边坡稳定分析有2种不同方法，即：利用弹塑性理论分析应力-应变状态，或假设岩、土体沿一定滑移面滑动，可作极限平衡分析。随着数值计算软件迅猛发展，前者可将复杂的弹塑性应力-应变关系纳入到变形和稳定计算中，并给出精确数值解。后者则必须通过对许多可能的滑移面试算，以求出最小安全系数，使得到的可动解尽量接近实际情况，我国工程单位在验算坡岸稳定时，大多沿用这种方法。因此，对于相对简易的极限平衡法，仍应予以足够重视。该文将利用不同极限平衡法，计算安全系数，评价边坡整体稳定性。

该露天采场边坡主要由粉砂岩、砂岩、泥岩和灰岩等组成，岩体结构为碎块状、层状破碎结构，节理、裂隙较为发育，其中岩体结构中软弱夹层对边坡稳定影响较大。该次分析由于缺乏采矿场内赋存地下水、岩组结构特征和岩土体物理力学参数指标，因此，边坡稳定性评价不考虑地下水渗透压力和结构面(断层、节理裂隙等)影响。

1 极限平衡法简介

极限平衡法是边坡稳定性分析的重要方法，它是建立在静力平衡基础上，结合各种边坡潜在破坏方式及受力状态，以抗滑力与下滑力比值定义边坡安全系数来评价边坡稳定性。采用极限平衡法评价边坡稳定性，首先需要对滑动面位置及形状进行必要假设，该工作需要工程技术人员具有较好工程经验。与其他方法相比，极限平衡法无法提供边坡变形过程中应力、位移值等演化规律，它能给出评价边坡稳定的安全系数及破坏面形态，具有较好工程物理意义，因此，极限平衡法对边坡稳定性评价具有较好应用价值。常用极限平衡方法及对应假设条件见表1。

2 边坡稳定性主要影响因素

露天矿边坡决定了矿山生产安全边界，同时也是经济合理边界，它是矿区生产作业直接对象。边坡稳定性往往由多种因素综合决定，是外部和内部因素共同作用结果，以下3类是主要决定因素：

表1 常用极限平衡法及相关假设统计Tab.1 Common limit equilibrium methods and assumptions concerned

首先，岩体自身物理力学性质及结构特征。不同岩性的物理力学性质及结构特征存在差异，众所周知，岩体由岩石和结构面组成，结构面决定岩体力学性质，而结构面3要素：倾角、倾向和走向，以及裂隙岩体受力分布情况决定岩体强度。其次，岩体赋存工程地质及水文地质情况，决定岩体性能及岩体稳定性，包括地应力、地下水位及渗透压力等。最后，外在因素也是促使矿山边坡失稳的重要因素，比如：地震、爆破振动、大气降雨等；这些外在因素会进一步恶化边坡岩体性能，最终诱发边坡失稳事故。

上述3类主要影响因素，前2类属于内在因素，主要由岩体自身地质条件决定，是矿山边坡失稳破坏的基础性条件。第3类因素与矿山岩体自身条件无关，属于外界触发因素，而边坡失稳，往往由触发因素引起，因此，矿山开采中应特别引起重视。

对于该区域露天采场边坡，分析边坡岩体性质及结构产状后发现：该采场边坡主要受软弱岩组控制，岩体结构面对其稳定影响较为有限。因此，矿区开采过程中应对软弱结构面进行重点关注，对于潜在危险区域，可以考虑采取加固措施，提高软弱结构面区域抗滑能力，保证边坡稳定。

该矿区边坡赋存地质环境和外在触发因素，必须引起高度重视。以地下水、降雨为例，它们对该露天采场边坡稳定性弱化主要表现为3方面：①降雨使矿区边坡顶部第四系表层基岩风化带被冲刷；②降雨渗入软弱结构岩体内部，地下水作用导致软弱岩层软化、泥化，从而使其力学性能急剧下滑，例如，结构面之间摩擦力和内聚力快速降低；③在边坡孔隙水压力影响下，降落漏斗以下边坡将受地下水浮力及动水压力，引起抗滑能力降低。

3 边坡安全系数标准

《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)中规定了边坡工程稳定安全系数，见表2。如果各级边坡安全系数>对应值，边坡处于安全状态，否则，边坡将具有潜在失稳风险，必须对边坡进行加固处理。

表2 边坡稳定安全系数Tab.2 Safety factors of slope stability

根据非煤露天矿边坡工程技术规范(GB 51016—2014)，在不同荷载组合作用下，露天矿总体边坡应满足表3规定的设计安全系数值。

表3 不同荷载组合下总体边坡设计安全系数Tab.3 Overall slope design safety factors at different Loads

对于各台阶边坡和临时工作边帮，根据规范允许一定程度破坏，因此，边坡设计安全系数可适当调低。此外，在有色金属采矿设计规范(GB 50771—2012)中，主要以边坡重要程度、矿山服务年限为指标，来规定边坡合理安全系数，见表4。

表4 边坡稳定系数KTab.4 Slope stability factor K

结合上述不同规范对露天矿边坡安全稳定系数的要求，按照矿山允许露采边坡部分破坏的思想理念，考虑矿山经济和安全生产兼顾需求，以及采场边坡稳定性内在影响因素(如：软弱结构面、断层、节理裂隙、地下水、岩体力学性能等)难以全面、详细掌握，因此，该文主要以边坡高度为依据，划分边坡危害等级。结合规范规定后最终确认：在自重工况下某矿采场边坡安全系数[FS]≥1.20，在自重+降雨和自重+地震工况下[FS]≥1.10，否则边坡将存在失稳风险。

4 边坡稳定性分析

建立二维边坡模型，采用极限平衡方法研究典型区段露天采场边坡稳定性。考虑极限平衡计算方法，以及矿区赋存工程地质条件，该节决定采用Janbu法、Spencer法和Morgenstern-Price法进行计算，并对比各方法结果。

4.1 计算参数选取及模型建立

由于缺乏某矿岩体物理力学参数指标，因此，结合采场赋存工程地质岩组特征和现场调查结果，该数值计算以兰坪铅锌矿地区岩体物理力学性质为参考，并结合工程经验，最终确定合适计算参数，见表5。

表5 主要岩体物理力学参数Tab.5 Physical and mechanical parameters of main rock mass

目前该矿山缺乏相关地质构造资料，因此，该次数值计算仅考虑露天边坡结构特征对其稳定性影响。参考露天矿采场境界最新设计，选取典型的、位于采场边坡不同位置的剖面，建立计算模型，主要剖面包括：I-I、II-II、III-III和IV-IV，最终用于露采边坡稳定性计算，剖面截取的具体位置见图1，剖面形状见图2-5。

图1 采场边坡稳定验算剖面截取位置Fig.1 Selected profile locations for the slope stability checking

图2 北帮验算剖面图III-IIIFig.2 Profile III-III of northern slope stability checking

图3 南帮验算剖面图I-IFig.3 Profile I-I of southern slope stability checking

图4 东帮验算剖面图IV-IVFig.4 Profile IV-IV of eastern slope stability checking

图5 西帮验算剖面图II-IIFig.5 Profile II-II of western slope stability checking

以某矿露天采场各剖面为研究对象，首先需要对模型施加边界约束，然后对各典型岩层进行物理力学参数赋值，建立的典型2D仿真数值模型见图6。

图6 露天矿边坡典型2D模型(北帮III-III)Fig.6 Typical 2D model of open-pit slope

4.2 计算结果分析与评价

在数值计算中，考虑3种工况，分别为：自重、自重+降雨、自重+地震(7 度，0.15 g)，各工况采用的计算方法一样，均为极限平衡法，最终计算获得设计露天采场边坡最小安全系数。部分典型计算云图见图7-15，表5-7分别为3种不同工况下露天采场边坡各剖面稳定系数列表。

表6 Janbu法计算结果Tab.6 Results of Janbu method

表7 Spencer法计算结果Tab.7 Results of Spencer method

表8 Morgenstern-Price法计算结果Tab.8 Results of Morgenstern-Price method

根据表5-7和各边坡典型计算云图，可得如下结论：

(1)在不同工况下，3种计算方法获取的该矿段露天采场边坡安全系数均分布于1.10～1.30之间，符合安全规程规定的安全系数要求，但是边坡安全储备不足；此外，南、北帮安全系数总体比东、西帮偏小，说明南、北帮边坡安全稳定性总体比东、西帮差，地质资料和现场调查结果也表明：这主要由于南、北帮存在软弱结构面，导致岩体强度以及边坡稳定性偏低。

(2)从表5-7可见：在相同工况下，同一边帮的安全系数较为接近，其值差异很小；此外，图7-9可见：在相同工况下，Morgenstern-Price法、Spencer法和Janbu法得到的潜在危险滑移面位置相似。

图7 自重工况-Janbu(北帮，FS=1.230)Fig.7 Condition of deadweight-Janbu(northern slope，FS=1.230)

图8 自重工况-Spencer(北帮，FS=1.237)Fig.8 Condition of deadweight-Spencer(northern slope，FS=1.237)

图9 自重工况-MP(北帮，FS=1.230)Fig.9 Condition of deadweight-MP(northern slope，FS=1.230)

图10 自重工况-Janbu(东帮，FS=1.249)Fig.10 Condition of deadweight-Janbu(eastern slope，FS=1.249)

图11 自重+降雨工况-Janbu(东帮，FS=1.149)Fig.11 Condition of deadweight and rainfall-Janbu(eastern slope，FS=1.149)

图12 自重+地震工况-Janbu(东帮，FS=1.101)Fig.12 Condition of deadweight and earthquake-Janbu(eastern slope，FS=1.101)

图13 自重工况-MP(南帮，FS=1.209)Fig.13 Condition of deadweight-MP(southern slope，FS=1.209)

图14 自重+降雨工况-MP(南帮，FS=1.107)Fig.14 Condition of deadweight and rainfall-MP(southern slope，FS=1.107)

图15 自重+地震工况-MP(南帮，FS=1.118)Fig.15 Condition of deadweight and earthquake-MP(southern slope，FS=1.118)

(3)对比图7-15可见：在3种工况下，除了南帮，各位置最危险滑移面均从坡顶T3w层泥质粉砂岩和T3s1-2层白云质灰岩剪入，再从中间位置J2h层泥质粉砂岩剪出；对于南帮，由于其为顺层边坡，且顺层方位接近整体边坡角，因此，滑移面沿表层(Eyb-1层)角砾状灰岩剪出。总之，该露天矿均表现出局部区域的边坡整体稳定问题。

5 结 语

(1)该次数值计算只考虑了赋存岩组结构因素，由于矿区地质条件复杂，地下水、节理裂隙、爆破振动等不利因素对边坡稳定的弱化影响，因此，边坡实际安全系数比计算结果小。

(2)由于南、北帮顺层边坡安全系数相对较低，后期开采过程中应予以重视。因此，为了确保该处边坡稳定，避免安全事故发生，应采取适当主动加固及护坡措施，避免不利因素触发边坡岩体滑坡。在生产过程中，应加强边坡维护和治理，定期清扫边坡，防止浮石掉落造成安全事故；此外，还应加强边坡防排水工作，避免积水涌入边坡区域，造成岩石软化及结构面弱化。