，，

(貴州大學(xué) 國土資源部喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550033)

0 引 言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)等各方面的快速發(fā)展，國內(nèi)外的露天開采技術(shù)發(fā)展越來越迅速。按現(xiàn)有的礦山生產(chǎn)能力計(jì)算，隨著露天開采技術(shù)的不斷發(fā)展壯大，露天開采的規(guī)模和深度將日益增大，使開采地段的地質(zhì)條件變得越來越復(fù)雜，導(dǎo)致露天邊坡的穩(wěn)定性和安全性也越來越差。有些公路、鐵路等交通路線，往往會(huì)穿過這些地質(zhì)條件比較復(fù)雜的地段，而且經(jīng)常受到崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的威脅。由于滑坡等災(zāi)害通常會(huì)毀壞沿途的交通路線，使路基遭到破壞，造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析及治理設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

1.1 自然地理概況

龍南縣位于南嶺東端北側(cè)，總地勢北東低、南西高，周邊多山，以低山為大多數(shù)。中部則多為丘陵和盆地。廢棄陶瓷礦位于江西省贛州市龍南縣東江鄉(xiāng)，地處龍南縣城南部，礦區(qū)面積約為0.3 km2，距北西約4 km處為大廣高速，交通便利。

1.2 地形地貌與地層巖性

礦區(qū)地貌屬于低山丘陵，地形南高北低，礦區(qū)內(nèi)由于露天開采而形成不同高度的露天邊坡，加之風(fēng)化作用的影響，溝谷縱橫發(fā)育。海拔標(biāo)高一般在240～400 m。

該陶瓷礦內(nèi)巖漿巖分布廣泛，由于風(fēng)化作用的影響，顯示出風(fēng)化巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、物質(zhì)成分等在垂直剖面上都存在差異?，F(xiàn)綜合分析陶瓷礦區(qū)巖土和地貌類型，自上而下可劃分為表土層、全風(fēng)化層、半風(fēng)化層、基巖。

上述各層均沒有明顯的界線，均呈過渡與漸變的關(guān)系。

1.3 水文氣象條件

該區(qū)為亞熱帶東南風(fēng)松散巖類孔隙水季風(fēng)氣候，溫暖潮濕，四季分明，雨水充沛，降雨量在時(shí)空分布上差異較大，常常出現(xiàn)短時(shí)暴雨。礦區(qū)內(nèi)一年中的平均降雨量大約為1 500～1 550 mm，其中最大的降雨量約2 590 mm，最小降雨量約940 mm。除此之外，年降雨量的多少還與地形的高低和地貌有關(guān)，地形越高，表現(xiàn)為降水量也越豐富。

1.4 工程地質(zhì)條件

由于礦區(qū)的礦體大都賦存于花崗巖風(fēng)化殼中，而開采方式為露天開采，因此在礦區(qū)內(nèi)存在的工程地質(zhì)問題主要是地面的穩(wěn)定性。全風(fēng)層不僅厚度大而且結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)風(fēng)化層的裂隙極為發(fā)育，巖體不完整，在進(jìn)行原地浸礦時(shí)，只要形成地下水與地表水積聚邊坡，就容易使原地浸礦開采地區(qū)邊坡失穩(wěn)，從而發(fā)生崩塌滑坡災(zāi)害。

2 邊坡穩(wěn)定性分析及評(píng)價(jià)

2.1 定性分析

主要從水文情況、工程地質(zhì)兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.1.1 水文情況方面

研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖潮濕，雨量充沛，年平均降雨量1 510.8 mm，最大降雨量2 595.5 mm。水是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的主要外因，對(duì)邊坡失穩(wěn)有很大的影響，比較直觀的表現(xiàn)是邊坡滑坡、坍塌等，尤其是在雨水比較充沛的季節(jié)，邊坡極易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2.1.2 工程地質(zhì)方面

該研究區(qū)的邊坡巖性為巖漿巖類，該類巖石為中粒白云母花崗巖和黑云母花崗巖，上覆很薄的腐植土，夾雜有花崗巖和石英巖碎塊，厚1～2 m。由于露天開采形成的露天邊坡表面風(fēng)化嚴(yán)重，強(qiáng)風(fēng)化層厚2～35 m，厚度較厚，強(qiáng)風(fēng)化帶多呈砂土狀，微裂隙甚為發(fā)育，裂隙中往往被黏土礦物充填，結(jié)構(gòu)松散，透水性強(qiáng)，凝聚力弱；加之邊坡坡度較陡，尤其是在雨水的沖刷下，邊坡極不穩(wěn)定。

2.2 定量分析

根據(jù)邊坡實(shí)際情況，選擇剛體極限平衡法中的瑞典條分法來分析。以Ⅳ-段露天邊坡為研究對(duì)象，選取比較典型的F-F′剖面為計(jì)算剖面，見圖1、圖2。

圖1 Ⅳ-段露天邊坡平面圖

圖2 F-F′邊坡剖面圖

Ⅳ-段露天邊坡滑動(dòng)區(qū)域主要發(fā)生在全風(fēng)化區(qū)域，而陶瓷礦區(qū)花崗巖占大多數(shù)，這里以全風(fēng)化花崗巖的力學(xué)參數(shù)作為F-F′剖面①區(qū)和②區(qū)計(jì)算參數(shù)計(jì)算參數(shù)，見表1。

對(duì)①區(qū)用瑞典條分法計(jì)算，結(jié)果見圖3、表2。

表1 參數(shù)選取

圖3 坡F-F′剖面①區(qū)計(jì)算剖面圖

土條編號(hào)土條寬度bi/m土條中心高h(yuǎn)i/m土條重度Wi/kNα/(°)WisinαI /kNWicosαI/kN ∧L/M13.31.6899.792712.1699.0523.34.28254.2321252.86248.6833.318.911123.25418347.101068.2843.318.061104.8424.5458.171005.3653.316.901003.8631517.03860.4863.314.94887.43638546.36699.3173.312.21725.27446521.72503.8283.38.52506.08854.5412.01293.8990.482.8024.1926421.7410.61合計(jì)2889.154789.4839.15

穩(wěn)定安全系數(shù)K:

對(duì)于②區(qū)同樣可以計(jì)算出穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.20。

2.3 邊坡穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)

就研究區(qū)而言，其所處的地理位置交通便利，研究區(qū)所在陶瓷礦雖已廢棄，但若偶有行人路過，或再次在邊坡進(jìn)行作業(yè)時(shí)，若邊坡發(fā)生滑動(dòng)仍會(huì)對(duì)其生命財(cái)產(chǎn)造成危害。綜合考慮邊坡的實(shí)際情況以及在穩(wěn)定性計(jì)算中采用的瑞典條分法，對(duì)于研究區(qū)，穩(wěn)定安全系數(shù)在1.20～1.35取值。

根據(jù)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的大小，就可以確定邊坡目前所處的穩(wěn)定狀態(tài)。通過穩(wěn)定系數(shù),將邊坡穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行劃分，見表3。

實(shí)際研究區(qū)邊坡巖體風(fēng)化嚴(yán)重，屬于土質(zhì)邊坡，通過綜合考慮，其穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 邊坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分

表4 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

綜上所述，通過以上對(duì)研究區(qū)邊坡穩(wěn)定性的定性分析與定量分析可以看出，研究區(qū)路面以上的邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，示意圖見圖4。

圖4 研究區(qū)邊坡不穩(wěn)定區(qū)域示意圖

3 邊坡治理設(shè)計(jì)

3.1 卸載設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)邊坡的分析，考慮到邊坡上部荷載及較陡坡度的影響，可能由于上部荷載而發(fā)生推動(dòng)式滑坡，對(duì)此需要對(duì)邊坡上部進(jìn)行卸載設(shè)計(jì)，改變邊坡坡率與形狀，以達(dá)到治理的目的。研究區(qū)易發(fā)生滑坡的邊坡地段為強(qiáng)風(fēng)化巖石，礦區(qū)所處地理位置交通便利，采用機(jī)械開挖。

這里選用邊坡處理方式為上部削坡方案，采用后仰放坡的方式削坡，相關(guān)參數(shù)見表5。

表5 削坡相關(guān)參數(shù)

考慮到計(jì)算中只考慮了邊坡的自身重力，而在實(shí)際情況中其實(shí)還有降雨和地震的影響，所以預(yù)計(jì)削坡后其穩(wěn)定安全系數(shù)至少達(dá)到1.30，邊坡才算穩(wěn)定，邊坡削坡設(shè)計(jì)圖見圖5。

按設(shè)計(jì)削坡，削坡后坡度為1∶2.01，削坡后的邊坡示意圖見圖6。

圖5 削坡設(shè)計(jì)圖

圖6 削坡后剖面示意圖

用瑞典條分法可以計(jì)算出削坡后的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.40，邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此可知，橫向以及豎向的剪應(yīng)變速率都非常小，幾乎可以忽略不計(jì)，說明斜坡處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.2 回填反腳設(shè)計(jì)

前面用削坡的方法減少了邊坡的下滑力，由研究區(qū)邊坡的地質(zhì)概況分析，邊坡的坡腳較薄，可以采用回填反腳的方法來提高邊坡的抗滑力，從而提高邊坡的穩(wěn)定性。

回填反腳的原理簡單，研究區(qū)邊坡路寬為13～25 m，為了不影響正常通行，將回填起點(diǎn)設(shè)在距坡腳3 m處?；靥钋跋韧诔靥顓^(qū)域基底原始軟弱土層，采用碎石塊換填，換填深度為0.5 m，坡度與邊坡卸載后的坡度一致，采用分級(jí)回填。在距坡底2 m處開始設(shè)臺(tái)階，共設(shè)6級(jí)臺(tái)階，1～5級(jí)臺(tái)階寬度為1.5 m，高度為0.8 m，最后一級(jí)臺(tái)階寬5 m,回填總寬度為14.5 m，高度為6 m，詳細(xì)設(shè)計(jì)圖見圖7。

圖7 回填設(shè)計(jì)圖

3.3 排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.3.1 坡腳排水設(shè)計(jì)

在滑坡體周圍設(shè)置排水溝，以排除地表水，對(duì)提高研究區(qū)邊坡的穩(wěn)定性都是有必要的。

經(jīng)過查資料可得到研究區(qū)暴雨強(qiáng)度公式如下：

式中：p為設(shè)計(jì)降雨的重現(xiàn)期，年；t為降雨歷時(shí)，min。

根據(jù)調(diào)查，p取20年，t取25 min，則：

=102.81 mm/h

地表水匯流可根據(jù)中國水利科學(xué)學(xué)院水文研究所小匯水面積設(shè)計(jì)流量公式計(jì)算(在計(jì)算中，由于缺乏對(duì)當(dāng)?shù)亓饔騾R流時(shí)間數(shù)據(jù)的具體收集，這里不予考慮)，公式如下：

Qp=0.278·ψ·F·Sp/τn

式中：Qp為設(shè)計(jì)地表水匯流量，m3/s；Sp為設(shè)計(jì)降雨雨強(qiáng)，mm/h；ψ為徑流系數(shù)；F為匯水面積，km2；τ為流域匯流時(shí)間；n為降雨強(qiáng)度衰減系數(shù)。

通過計(jì)算，研究區(qū)匯水面積F=0.006 km2,徑流系數(shù)ψ取0.6(表6)，設(shè)計(jì)降雨雨強(qiáng)Sp=102.81 mm/h，代入公式計(jì)算為：

Qp=0.278·ψ·F·Sp

=0.278×0.6×0.006×102.81

=0.10 m3/s

表6 徑流系數(shù)取值參考表

預(yù)設(shè)排水溝內(nèi)側(cè)槽寬為0.5 m,高為0.7 m，垂直厚度為0.175 m，底部水平厚度為0.225 m，設(shè)計(jì)圖見圖8。

圖8 坡腳排水溝設(shè)計(jì)圖

排水溝過水?dāng)嗝鏋椋?/p>

A=BH=0.35 m2

水力半徑為：

平均流速：

式中：v為流速，m/s；R為水力半徑；I為排水溝坡度；N為溝壁的粗糙系數(shù)。

通過查表，排水溝坡度取0.01，溝壁的粗糙度系數(shù)取0.015，則：

排水溝的泄水能力：

Qc=vA=3.2×0.35=1.12

通過計(jì)算可知，排水溝的泄水能力Qc>排水溝的匯水能力Qp，而排水溝采用水泥混凝土，流速v=3.2，在明溝允許的最大流速范圍內(nèi)，符合邊坡實(shí)際情況。水深為0.4～1.0 m時(shí)，明溝最大允許流速參見表7。

表7 明溝最大允許流速 /m·s-1

3.3.2 坡面排水設(shè)計(jì)

同樣按上面的計(jì)算方法，可以計(jì)算出研究區(qū)匯水面積F=0.003 5 km2,徑流系數(shù)ψ取0.6，設(shè)計(jì)降雨雨強(qiáng)Sp=102.81 mm/h，代入公式為：

Qp=0.278·ψ·F·Sp

=0.278×0.6×0.0035×102.81

=0.06 m3/s

預(yù)設(shè)排水溝內(nèi)側(cè)槽寬為0.4 m,高為0.6 m，垂直厚度為0.15 m，底部水平厚度為0.175 m，設(shè)計(jì)圖見圖9。

圖9 坡面排水溝設(shè)計(jì)圖

排水溝過水?dāng)嗝鏋椋?/p>

A=BH=0.24 m2

水力半徑為：

平均流速：

通過查表，排水溝坡度取0.01，溝壁的粗糙度系數(shù)取0.015，則：

排水溝的泄水能力：

Qc=vA=1.5×0.24=0.36

同樣可得，排水溝的泄水能力Qc>排水溝的匯水能力Qp，而排水溝采用水泥混凝土，流速v=1.5 m/s，在明溝允許的最大流速范圍內(nèi)，符合邊坡實(shí)際情況。

排水溝布置剖面圖見圖10。

圖10 排水溝布置剖面圖

治理設(shè)計(jì)工程布置平面圖見圖11。

圖11 治理設(shè)計(jì)工程布置平面圖

4 結(jié) 論

1) 將研究區(qū)邊坡分為東段和西段，西段即路面以下的部分目前還處于穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定性比較好。而東段即路面以上的邊坡，坡度較陡，坡度在32°～47°之間，而邊坡上部分的坡度更是達(dá)到80°，極不穩(wěn)定。通過定性定量分析可以得出，研究區(qū)段可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害為滑坡，定量分析主要選取典型的F-F′邊坡，用剛體極限平衡法中的瑞典條分法進(jìn)行分析計(jì)算。

2) 研究區(qū)段所處龍南縣地區(qū)全年降雨集中，一年中的平均降雨量大約為1 500～1 550 mm，在進(jìn)行邊坡治理時(shí)還充分考慮降雨的影響。因此，對(duì)邊坡采用削坡減載、底部回填、設(shè)置排水溝的方式進(jìn)行治理。削坡時(shí)按1∶2.01的坡率進(jìn)行削坡，底部回填前以花崗巖碎石換填原來較為軟弱的土質(zhì)地基，排水溝分為坡面排水溝和坡腳排水溝，最大限度將降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響程度降到最低。