惠州華茂石場花崗巖邊坡穩定性評價及監測治理

江福建 ，陸寶宇

(廣東省地質局第四地質大隊(廣東省湛江地質災害應急搶險技術中心) 廣東湛江 524000)

華茂石場位于廣東惠州市惠陽區新圩鎮南坑水徑村，面積0.3107km2；開采標高+275m～+20m，一期設計開采面積0.1686km2；開采標高+190～+20m。本文擬根據現狀開采邊坡情況，對邊坡穩定性分析，提出相應的監測和治理措施，為礦山安全生產提供可靠依據。

1 石場開采現狀

一期開采范圍位于礦區東側，目前采場已形成近似橢圓形采坑，南北長約640m，東西寬約450m，最大開采標高約+217.27m，最低開采標高+20.05m，最大相對高差約197.22m。開采范圍內北側自上而下已形成+217m、+211m、+204m、+195m、+190m、+180m、+165m、+150m、+135m、+120m、+105m、+92m、+82m、+70m、+60m、+50m、+37m、+27m、+20m等標高臺階，臺階高5m～15m，坡面角65～70°，安全平臺寬5m以上，清掃平臺寬約8m?，F開采區位于一期范圍南西側，自上而下已形成+75m、+63m、+50m、+40m、+30m、+20m共6級臺階，臺階高10m～13m，坡面角65～70°。采場目前開采臺階為+75m～+63m、+63m～+50m兩級工作臺階，臺階分別高12m、13m，臺階坡面角65°～70°。+75m、+63m平臺為鑿巖平臺，寬15m～25m；+50m平臺為工作平臺，寬約30m，開采工作線長120m，開采由東向西推進。

礦山采用公路開拓-汽車運輸方式，由礦區南側進入場區，經綜合服務區、工業場地向北進入采場南部+78m平臺，從采場南部+78m螺旋式開拓運輸道路至采場各開采水平及凹陷采坑底部，開拓運輸系統較簡單。采場+80m以上已形成終了邊坡，從采場南部修筑有簡易道路至各分層平臺，用于邊坡日常巡查[1]。

2 邊坡工程地質條件

2.1 地形地貌

工程區經人類工程建設現已發展成城市建成區，勘察場地為市政道路及綠化帶，場地整體地勢相對平坦，北高南低，一般地面高程1.2m～25.0m。以新洲路-深南大道-福田路為界限，南側工程區為海積沖積平原為主，北側為低臺地接合沖洪積平原地貌單元。

2.2 礦體及邊坡巖性特征

礦體為新鮮堅硬的中-細粒黑云母花崗巖，呈完整塊體狀近東西向展布，礦區礦體控制長621m～676m，寬408m～547m，厚255m。出露標高+245.00m～+70.50m，賦存標高+245.00m～+20m。根據地質勘查結果，按覆蓋層及巖石風化程度自上而下共分四層：

(1)第四系殘坡積土：厚6m～10m，平均8.0m。分布于礦山四周及地面表層，主要由淺黃色砂質黏性土組成，開采時作為覆蓋層需剝離。

(2)強風化花崗巖：灰黃色，已強烈風化呈半巖半土狀，云母、長石類礦物已風化為黏土礦物，厚7.60m～8.00m，平均7.80m。開采時作為覆蓋層需剝離。

(3)中風化花崗巖：灰黃色，風化較強烈，巖體稍破碎，節理裂隙稍發育，花崗結構，塊狀構造；厚13.20m～14.90m，平均14.00m。開采時作為覆蓋層需剝離。

(4)微風化-未風化黑云母花崗巖：深灰-灰白色，花崗結構，塊狀構造。主要由鉀長石、石英及黑云母組成，含很少量的斜長石和白云母。礦體即賦存于該巖體中。

2.3 水文地質條件

礦區內及附近地表水系不發育，開采影響范圍之內無大的河流、水庫等地表水體，僅于礦區局部有水坑分布，水量與降雨相關，旱季基本無水，水流方向依地勢四周排泄[2]。

按賦存條件和含水介質性質，礦區地下水主要為松散巖類孔隙水、強風化巖類裂隙水和塊狀巖類裂隙水。含水量小，屬弱含水層，水量貧乏。

礦山開采底界位于當地侵蝕基準面以上，未見地下水出露，礦區附近也未見地表水出露，洪雨季節匯集谷底的地表水沿溝谷排向附近小河，地表水/地下水對礦石開采影響較小。

2.4 礦體及邊坡結構

礦山今后開采的巖質邊坡主要為中風化-未風化花崗巖邊坡，礦床巖體結構類型為塊狀結構，塊狀細中粒斑狀黑云母二長花崗巖.以貫穿性較好的節理結構面發育為主，一般有2組節理：①140°∠75°，間距0.40m～0.50m；②268°∠84°，間距0.30m～0.80m。礦區內未見褶皺及斷裂構造。

3 邊坡穩定性分析評價

3.1 安全系統確定

允許安全系數的確定是評價邊坡穩定性的主要指標，與邊坡穩定性研究的工作內容、方案方法手段、代表性、可靠性以及各項定量參數取用和定性分析評價、礦山服務年限、邊坡區段重要性等因素有關。允許安全系數經常采用工程類比法和有關設計規范來確定[3]。

不同荷載組合下總體邊坡的設計安全系數滿足《非煤露天礦邊坡工程技術規范》(GB51016-2014)中表3.0.9規定的安全系數要求[3]，見表1。在邊坡極限平衡穩定性分析中，安全系數K=1時，邊坡處于極限平衡狀態。理論上K稍大于1，邊坡就是穩定的，反之邊坡就失穩。在具體穩定性分析計算時，常選取安全系數K>1。礦山邊坡一般情況下取K=1.2～1.3。目前礦山現狀邊坡高度197.22m。根據《非煤露天礦邊坡工程技術規范》GB51016-2014劃分標準，露天邊坡屬中邊坡，邊坡危害等級為Ⅲ級-Ⅱ級，確定邊坡安全等級劃分為Ⅱ級[4]，最終確定邊坡安全系數K=1.20、1.18、1.15。

表1 不同組合下總體邊坡的設計安全系數Tab 1.Design Safety Factor of Overall Slope Under Different Load Combinations

3.2 現狀穩定性分析

根據現場調查，開采邊坡未發生過地質災害，局部發現巖體掉塊。

(1)采坑東側邊坡：此邊坡產狀與一組節理268°∠84°傾向交角較小，現場開采臺階邊坡角70°，但該邊坡巖體不排除有順層和順向的風化裂隙或構造裂隙，在爆破震動破壞等條件下，潛在局部變形或崩塌、滑動破壞的可能，但邊坡巖石工程地質條件較好，未發現復雜和明顯不利的裂隙組合，邊坡現狀穩定性較好[4]。

(2)采坑南側、北側及西側邊坡：邊坡坡向與地層傾向交角較大，且邊坡巖石工程地質條件較好，邊坡穩定性好，不易發生大面積邊坡失穩地質災害，局部破碎巖段邊坡潛在失穩可能，其危害性小，危險性小。

3.3 穩定性定性分析

邊坡為早期礦區開采形成，上部主要殘積砂質黏性土，下部全-微風化花崗巖，巖石風化強烈，節理裂隙發育，巖體飽水易崩解軟化，邊坡巖體受節理裂隙切割，巖體完整性差。

邊坡上部自然斜坡面植被較發育，根據對現狀邊坡坡面、截水溝調查，均未發現破壞變形，邊坡現狀穩定性較好。但下部巖質邊坡受區域構造影響，巖體節理裂隙較發育，局部剪節理發育，巖體局部外傾，在持續降雨及自重作用下，局部存在落石現象，局部高陡巖體有潛在失穩隱患，但其規模小，潛在危險性、危害程度較小，邊坡整體穩定性較好。

3.4 穩定性定量分析

現有技術條件下，數值分析是研究大型復雜工程體的有效手段，國內外大型工程體通常采用數值分析方法進行穩定性計算。本次采用數值模擬方式進行分析[5]。依據截取的最不利邊坡剖面，采用理正軟件，分別建立典型邊坡剖面數值分析模型，依據初步設計提供的開采技術參數，分別分析開采終了條件下邊坡穩定性，包括：(1)自重+地下水共同作用；(2)自重+地下水+爆破荷載共同作用；(3)自重+地下水+地震荷載共同作用。

該礦區域抗震設防烈度為VI度，設計基本地震加速度值為0.05g，礦區及附近歷史上未發生規模較大的地震活動，區域地殼穩定。

(1)赤平投影法分析：礦區邊坡類型中下部主要出露中-微風化花崗巖，節理較發育，邊坡的穩定性主控因素主要為次生結構面(主要為節理)產狀及其組合與邊坡的坡向、坡率之間的關系；主要從節理與坡形特征及其相互關系等因素分析，穩定性評價方法采用赤平投影穩定性計算軟件[5]。根據終了邊坡情況，選取三處邊坡穩定性分析評價。圖1。

圖1 赤平投影分析圖Fig 1. Analysis Diagram of Stereographic Projection

最不利1剖面1-1′巖質邊坡主要位于礦區北側，根據赤平投影圖分析，邊坡處于穩定狀態，但其邊坡高度較大，一旦邊坡失穩，其處理的難度大，費用高，綜合評價邊坡失穩的發育程度弱，潛在的險情、危害程度、危險性小。

(2)有限元分析：本次分析采用有限元模塊進行數值模擬，結合現場踏勘及數值模擬結果分析邊坡變形破壞模式。選取最不利1-1′邊坡剖面分析計算，模型左邊界、右邊界和底部邊界分別以水平和垂直方向的位移約束，從而構成位移邊界條件，介質的彈塑性狀態采用理想的彈塑性模型描述，以保持整個系統受力體系的平衡。剖面選取見圖2所示。

圖2 典型剖面選取示意圖Fig 2. Schematic Diagram for Typical Profiles Selecting

1)自重+地下水(Fs=1.61)：在自重+地下水共同作用下，礦區1-1′剖面的分析結果見圖3、圖4所示。由位移云圖可知，X方向最大位移位于左側邊坡中上部臺階坡面，大小值為0.49m；Y方向最大位移位于左側邊坡下部，大小值為0.13m。

由應力云圖5、圖6可知，該剖面X方向應力最大位于左側邊坡中下部坡面及基巖處，大小值0.98MPa；Y方向應力最大值位于左側邊坡中下部坡面及基巖處，大小值1.24MPa。由最大剪切應力云圖7可知，最大剪切應力值位于左坡底基巖處，2.19MPa。

圖7 1-1′剖面工況最大剪切應力彩云圖Fig 7. Color Cloud Diagram of Maximum Shear Stress for The 1-1 'Section Working Condition

經計算，該剖面的整體安全系數大小為1.61。

2)自重+地下水+爆破(Fs=1.46)：在自重+地下水+爆破荷載作用下，礦區1-1′剖面分析結果所示。由X方向最大位移位于左側邊坡頂部剝離臺階，最大位移值0.21m；Y方向最大位移位于左側邊坡下部，大小值0.05m。該剖面X方向應力最大位于左側邊坡表面及坡底部，大小值1.05MPa；Y方向應力最大值位于左側邊坡表面及坡底部，大小值0.70MPa，應力值由表及里逐漸減小。最大剪切應力位于左側邊坡坡底基巖處應力值2.85MPa。

經計算，該剖面的整體安全系數大小為1.46。

3)自重+地下水+地震(Fs=1.30)：在自重+地下水+地震荷載作用下，礦區1-1′剖面分析結果所示。X方向最大位移位于左側邊坡頂部剝離臺階，最大位移值0.06m；Y方向最大位移位于左側邊坡底部，大小值0.02m。該剖面X方向應力最大位于左側邊坡表面，大小值0.79MPa；Y方向應力最大值位于左側邊坡坡面，大小值0.55MPa，應力值由表及里逐漸減小。最大剪切應力位于左側邊坡底部基巖處應力值2.56MPa。圖7。

經計算，該剖面的整體安全系數大小為1.30。

通過對最不利剖面的計算結果，邊坡穩定性評價安全系數見表2，邊坡整體在自重+地下水、自重+地下水+爆破及自重+地下水+地震工況下，均處于穩定狀態。

表2 邊坡穩定性計算結果表Tab 2. Slope Stability Calculation Results

邊坡穩定性受諸多因素的影響，一般誘發因素為人工開挖，導致巖土體的自然平衡、植被破壞(尤其是殘積土、全風化巖出露地段，因其遇水易軟化、崩解，水理性能差，可能出現崩解和滲流破壞)，遭遇長時間強降雨時，斜坡上的土體因飽水，自重增加，內摩擦角減小，巖土體由硬變軟，其結果是抗滑力下降，導致產生失穩。

4 邊坡防治與監測

4.1 防治措施

礦床開采局部存在順向開采邊幫的巖性結構面，對開采邊幫穩定性不利。礦山開采遇礦體產狀、結構變化、異常地質構造、節理和水文情況變化，工程地質復雜的地段，要及時采取措施，調整臺階參數、鑿巖爆破參數并采取邊坡加固或削坡減載措施[6]。

礦山今后生產過程中，工作臺階參數嚴格按設計要求進行，嚴格在設計開采范圍內開采。結束一水平臺階開采時，應按設計要求檢查臺階高度和坡面角；臨近最終邊坡的采掘作業，必須按設計的寬度，預留安全平臺和清掃平臺，保持階段坡面角，不得超挖坡底[7]。巖層破碎帶或穩定性差的巖層應采取支護措施，嚴格控制開采邊坡角不大于設計邊坡角。

根據穩定性計算及分析，剝離層遇長時間強降雨時，土體因飽水，自重增加，內摩擦角減小，巖土體由硬變軟，抗滑力下降易導致產生失穩。故礦區邊坡容易發生失穩坍塌、滑坡區域頂部剝離臺階邊坡，礦區后期作業需重視頂部邊坡穩定，加強檢查，做好分層降坡，確保頂部邊坡穩定。

4.2 監測措施

實時的做好邊坡穩定的檢查和監測工作。當采場邊坡形成最終邊坡時，應根據最終邊坡的穩定類型、分區特點確定各區監測級別，利用建立的邊坡監測系統[8]。對邊坡進行坡體表面及內部位移監測。礦山應及時整理邊坡觀測資料，以此指導采場安全生產。對存在不穩定的最終邊坡應長期監測，發現問題及時處理。在建立健全一系列的邊坡管理和檢查制度的情況下，可有效地減少邊坡的穩定性對安全生產可能構成的隱患[8]。

5 結論與建議

本文以華茂石場花崗巖露天開采邊坡為研究對象，在勘察邊坡的基礎上，對最不利巖質邊坡剖面進行定性定量分析，得到主要結論建議如下：

生產過程中要嚴格控制臺階高度，維護邊坡安全，由于礦山開采破壞了山體原始的穩定構造和力學架構，再造的邊坡巖體需很長一段時間才能恢復應力平衡和結構穩定。

根據穩定性計算分析，礦區頂部剝離層邊坡屬易發生坍塌、滑坡失穩的區域，礦區后期作業需重視頂部邊坡穩定情況，加強檢查，做好分層降坡，確保頂部邊坡穩定。切實做好邊坡的截排水措施，采取有效的工程技術措施及時處理生產過程中出現的不穩定邊坡，局部受地質構造影響的破碎帶，采取清除危巖及邊坡工程支護等防治措施。