浙江省台州市三门县某采石场边坡稳定性分析

浙江省台州市三门县某采石场边坡稳定性分析

周秀全

浙江泰达安全技术有限公司  浙江杭州  318000

摘要：通过野外地质调查，掌握矿区地层岩性、地貌特征，综合考虑水文地质条件，将边坡按坡面性质、走向、倾向性的不同，划分为 BP01、BP02、BP03 三部分。采用赤平极射投影分析边坡岩体结构面分布情况，结合刚体极限平衡法进行定量分析，计算方法选用简化毕肖普（Bishop）法。结果表明，在荷载组合I“自重+地下水”状态下，BP01稳定安全系数3.430，BP02边坡稳定系数2.260，边坡整体稳定系数满足规范要求。

关键词：露天采石场；边坡稳定性；赤平极射投影；极限平衡法

Stability Analysis on Side Slope of one Opencast Quarryin Sanmen County, Taizhou City, Zhejiang Province

Zhou Xiuquan,

Teda Safety Technology Co., Ltd, Taizhou, Zhejiang 318000, China

Abstract: Through the field geological survey, the formation lithology and geomorphologic characteristics of the mining area are mastered, and the slope is pided into BP01, BP02 and BP03 according to the different slope properties, strike and inclination. The structural plane distribution of rock mass of slope is analyzed by the vertical polar projection and the rigid body limit equilibrium method is used for quantitative analysis. The simplified Bishop method is used for calculation. The results show that under the condition of load combination I "dead weight + groundwater", the stability safety coefficient of BP01 is 3.430, the stability coefficient of BP02 slope is 2.260, and the overall stability coefficient of slope meets the specification requirements.

Key words: Opencast Quarry; Slope stability; Polar stereographic projection; Limit equilibrium method

0 引言

在国家建设高速发展的同时，建筑石料的需求也越来越大[1]。由于需求量增大，一些矿山企业不顾生产规律，肆意开挖，边坡存在滑坡、垮塌危险[2]。露露天矿山边坡贯穿于矿山的挖掘和开采等矿山服务的始终，是露天矿山最主要的结构要素[3]。随着露天矿山开采不断向深部、高强度、大规模方向发展，矿山边坡高度也在不断增加，边坡失稳现象逐年增多[4-6]，因而有必要及时评估采石边坡安全状况，整改存在的风险隐患，保障矿山作业安全[7]。本文充分考虑矿区地质地貌条件，使用赤平投影及Bishop法研究浙江省台州市三门县某采石场矿区的边坡稳定性。

1 工程地质条件

1.1地形地貌

该矿区地势东高西低，海拔高程+6.76m～+66.78m，当地侵蚀基准面高程为+2m，属丘陵地貌。矿区所处山体自然坡度为10°～30°，植被较发育，以灌木为主，局部为杂草。矿区位于山坡上，东南面为山坡，西北面为稻田，离村民居住区较远。

1.2 地层岩性

矿区出露地层主要是上白垩统塘上组（K2t）及第四系松散层（Q），岩土体特征具体如下：

上白垩统塘上组（K2t）：分布于整个矿区及周边山体，流纹质晶玻屑熔结凝灰岩，浅肉红～灰白色，晶玻屑凝灰结构，假流纹构造，岩石总体呈致密块状。火山尘、玻屑、浆屑胶结，岩石致密坚硬，无明显蚀变。

第四系（Q）：主要分布于矿区山体浅表部及其附近的海积平原区，主体为褐黄色含碎石粉质粘土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土等。

1.3 水文地质条件

场区地下水根据赋存条件、水理性质和水动力特征划分为松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水两大类。

松散岩类孔隙潜水主要分布于山体表层，含水介质为灰黄色、黄褐色含碎石粉质粘土、含粘性土碎石等，分布不均匀，植被较发育，透水性差，富水性贫乏，主要接受大气降水补给。

基岩裂隙水赋存于流纹质熔结凝灰岩节理裂隙内，主要富集在岩体节理裂隙较发育的部位，如风化裂隙带、节理密集带等位置。在裂隙带内构成脉状、支脉状含水系统。由于风化裂隙和节理裂隙连续性差，延伸不长，且节理裂隙多呈闭合状，基岩裂隙水透水性差，水量贫乏。

场区附近未见泉眼出露，地下水主要补给为大气降水。矿区最低开采标高高于当地侵蚀基准面，自然排水条件通畅。矿区水文地质条件为简单类型。

1.4 结构面特征

开采的流纹质熔结凝灰岩属坚硬类岩石，岩体呈大块状产出，分布连续，矿体内无非矿夹层，稳固性好。矿石饱和单轴抗压强度55.1～64.9MPa，平均60.0Mpa，吸水率0.33%～0.43%，平均0.38%，平均体重2.5t/m3。岩层内无非矿夹层，全部岩石均可作为石料矿体圈定。矿区内未见大的断裂构造，岩体呈大块状产出，分布连续，节理裂隙发育一般。主要发育有两组节理，产状为310°∠32°、50°∠86°，密度为1～3条/m，面较平直、闭合，延伸一般小于8m。区内受外围北东向构造带影响，岩石普遍具碎裂结构，受外力敲击易成碎块。岩石总体风化弱，强风化层厚度2m～3m。

2 边坡稳定性分析

2.1 矿山边坡概况

矿区只具有少量贯穿性较好的节理裂隙，裂隙结构面间距较小，整体性强度较高，结构面相互牵制，岩体基本稳定，接近弹性各向同性，存在的主要问题为不稳定结构体的局部滑动。参照《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB51016-2014）[8]，评估区属于圆弧形、复合型块状岩体边坡。根据边坡性质、走向和倾向不同，将边坡分为BP01、BP02、BP03三个部分， BP01为最终边坡和生产边坡，即基建期边坡；BP02东侧边坡（部分为矿区外）；BP03为道路边坡及其他边坡，高度较低，角度较小，稳定性好。

图1 采石场边坡

Fig. 1 Side slope of opencast quarry

2.2 稳定性分析计算

2.2.1 安全系数选定

荷载组合及安全系数根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB51016-2014）[8]中的表3.0.9（表1）规定的要求。根据边坡遭遇的最不利工况，选取荷载组合I“自重+地下水”进行计算。该区地震动峰值加速度≤0.05，抗震设防烈度为Ⅵ度，区域地壳稳定性属稳定类型，所以不考虑地震工况。

矿区自上而下开采，采用机械开挖，岩石边坡在荷载组合Ⅲ。边坡工程安全等级II的情况下，边坡工程设计安全系数应达到1.15～1.10才能保证安全。本次评估分析根据现状选用安全系数1.12作为边坡稳定要求。

表1 不同荷载组合总体边坡设计安全系数

Tab. 1 Safety factor of overall slope design under different load combinations

2.2.2结构面分析

把裂隙、平面、断层等岩体的主要结构面分成若干大致平行的组做投影，投影方法根据现场调查情况和边坡具体特征，采用赤平极射投影图解法[9]针对推进边坡和原边坡两个方向对BP01（即基建边坡）进行赤平极射图分析。

图2 BP01边坡赤平极射投影图

Fig. 2 The stereographic projection map of the joints for BP01 slope

BP01下部未治理边坡（图2a）节理1、节理2均与边坡成一定角度，节理1和节理2形成楔形体，结合现场观察，节理结合性较好，基本稳定，未形成楔形体。因此边坡稳定性受节理的影响不大。但边坡存在较多宕渣，下部未治理边坡不稳定。

BP02上部基建完成边坡（图2b）节理1、节理2均与边坡成一定角度，未形成楔形岩体，结合现场观察，节理结合性较好，基本稳定。节理对边坡稳定影响小，最终边坡基本稳定，生产边坡基本稳定。

2.2.3 稳定性计算

根据前述，边坡面未见楔形岩体，平极射投影图也未发现楔形破坏，因此边坡稳定性计算采用圆弧法[10]进行稳定计算。潜在滑动面抗剪强度采用规范及类似工程经验相结合的方法，同时参考相关工程经验进行综合取值（表2）。

表2 各岩土层力学参数表

Tab. 2 Mechanical parameters of rock-soil layers

该矿区地层含水量很小，富水性极弱，因此不考虑来自地层内潜水对滑坡体产生水力推压力矩及水力浮托力，计算方法选用简化毕肖普（Bishop）法

[11]。采用“理正岩土计算软件7.0版”进行辅助计算。简化毕肖普法是单一圆弧型破坏计算中最常用也是最有效的一种方法[12]。最终边坡稳定计算结果如图3。

图3 最终边坡稳定计算

Fig. 3 stability calculation for final slope

在荷载组合I“自重+地下水”状况下，BP01稳定安全系数3.430，BP02边坡稳定系数2.260，边坡整体稳定系数满足规范要求。

2.2.4 边坡稳定性评估

综上，采石场BP01、BP02基本稳定，BP03稳定，部分未治理区段和东侧界外边坡不稳定。随着开采的进行，道路边坡消失，稳定性系数增加。矿山边坡高度随开采进一步增加，边坡坍塌影响范围更大，对下方人员设备影响更大。根据稳定性分析计算结果，矿山开采至最终境界，边坡稳定性系数满足安全要求，因此五年内边坡稳定性在可接受范围内；矿区南侧往下开采，形成新的尖锥形，矿区东侧界外边坡为长锥形，在自然条件影响下，可能发生散落或崩落。

3 治理方案

邻近最终边坡应保持台阶的安全坡面角，不应超挖坡底。矿山现东侧上部最终台阶（矿界外）为长锥形；南侧最终台阶形成后，为尖锥形，受外部因素影响后，可能散落或崩落，对其进行削平处理。矿山开采时遇到的岩层向采场内倾斜、结构面含多组节理裂隙且内倾于采场、较大岩体结构弱面切割边坡，以上因素构成不稳定的楔形体边坡，采取调整开采方向或加固等有效的安全措施。

4 结论

1)基建边坡BP01中最终边坡和生产边坡基本稳定，BP02界外边坡不稳定，矿界内边坡基本稳定，BP03边坡稳定。

2)随着开采进行，道路边坡消失，稳定性系数提高，矿区南侧尖锥削平，稳定性提高。

3)开采遇多组裂隙节理的复杂结构面内倾、大岩体弱结构面切割边坡构成不稳定楔形体时，应调整开采方向，加固岩体。

参考文献

[1]李铁峰. 灾害地质学[M]. 北京:北京大学出版社，2012．

[2]张小波. 均质土坡边坡稳定性敏感性分析[J]. 四川建筑，2022，42(06):97-99.

[3]孙玉科，姚宝魁，许兵. 矿山边坡稳定性研究的回顾与展望[J]. 工程地质学报，1998(04):306-311.

[4]何满潮. 滑坡地质灾害远程监测预报系统及其工程应用[J]. 岩石力学与工程学报，2009，28(6):1081-1090

[5]闫国杰. 矿山地质灾害研究与防治探讨[J]. 中国矿业，2004，13(3):66–68.

[6]李庶林. 论我国金属矿山地质灾害与防治对策[J]. 中国地质灾害与防治学报，2002，13(4):44-48.

[7]尤耿明，王光进，刘文连，等. 矿山边坡软弱夹层赋存状态及蠕变特性对边坡稳定性影响研究[J]. 金属矿山，2021(12):200-206.

[8]中国冶金建设协会. 非煤露天矿边坡工程技术规范:GB 51016− 2014[S]. 北京:中国计划出版社，2014.

[9]石根华. 岩体稳定分析的赤平投影方法[J]. 中国科学，1977(03):260-271.

[10]殷宗泽，吕擎峰. 圆弧滑动有限元土坡稳定分析[J]. 岩土力学，2005(10):4-8.

[11]邹广电. 边坡稳定分析条分法的一个全局优化算法[J]. 岩土工程学报，2002(03):309-312.

[12]张洪才，何波. 有限元分析[M]. 北京:机械工业出版社，2011.

[1]*收稿日期：2024-05-

作者简介：周秀全（1979－   ），男，工程师，从事矿山安全管理工作。E-mail:xiuquan323@163.com