人工采石场开挖边坡稳定分析

发布时间：2022-10-05 10:06 热度：

　　【摘要】边坡开挖过程中的稳定将直接影响开采的正常作业及安全运行，采场终采后永久边坡的稳定将对附近居民的安全及环保产生一定的影响。因此，采场边坡的稳定分析与边坡加固设计，是工程必须研究的重要问题。本文通过现有的岩土工程理论加上科学的计算程序对人工边坡的稳定性进行分析计算，为边坡的加固支护提供切实可行的科学依据。

　　【关键词】料场， 开挖边坡， 稳定标准， 稳定性分析

　　【 Abstract 】 In the process of slope excavation stability it will directly affect the normal operation and safety mining operation, the slope in stope end after the stability of the permanent residents of the nearby will be safety and environmental protection have a certain effect. Therefore, the slope stability analysis of stope and slope reinforcement design, is one of the important research project. This article through the existing geotechnical engineering and scientific theory calculation program) to the stability of the slope were analyzed and calculated for the slope reinforcement provide practical scientific basis.

　　【 Key Words 】 yard, slope excavation, stable standard, stability analysis

　　1 工程概况

　　太平料场及马延坡砂石加工系统，主要承担向家坝水电站主体工程约1220万m3混凝土所需骨料的供应任务，共需生产混凝土骨料约2680万t。料源为太平灰岩料场，料场勘测有效储量约4050万m3，规划开采储量1586万m3，由于受地形条件限制，太平料场灰岩采场在终采时将形成人工高边坡。该边坡呈“┎┒”形，宽约500～700m，进深约300m，最大坡高约216m。

　　2 料场边坡地质条件

　　2.1 地形地貌

　　太平料场位于五角堡的北西侧山坡上，分布高程在1160～1500m，地形较为整齐，无大型冲沟发育。高程1160.00～1370.00m，宽约500m的范围内，为一古滑坡体的滑床，呈圈椅状地形，后缘陡坎高度20～40m，滑面倾角约24°，基岩大部分裸露。陡坎以上地形坡度较缓，自然坡角一般为10°～15°，植被较发育。

　　2.2 地质构造

　　太平灰岩料场在区域构造上位于五角堡——楼东背斜SW倾伏端的NW翼，具顺向坡结构。料场山脉走向呈NE向，与五角堡——楼东背斜的轴向基本一致。场区及外围周边无区域性断裂通过，区域构造稳定性好。在料场范围内仅发现一条走向80°～85°、倾向SE、倾角70°～82°，推测长度大于1500m，宽约2.5m的小断层。

　　太平灰岩料场为一顺向坡，岩层走向25°～70°、倾向NW、下部倾角约20°～30°，上部倾角逐渐变缓为10°～15°。发育的节理裂隙主要有两组，优势产状分别为：走向340°～355°、倾向NE、倾角50°～70°和走向0°～10°、倾向NW、倾角50°～60°。

　　在PDL01号平洞深约22.0～32.0m处揭露一破碎夹泥层，沿层面发育，面粗糙;走向35°、倾向NW、倾角13°;其组成物主要为方解石脉，见有风化现象，沿底部夹泥，方解石脉宽10～15cm，夹泥厚1～5cm。在PDL02号平洞深0～19.6m段有6条层面夹有泥膜，走向30°、倾向NW、倾角19°～21°，面略有起伏、粗糙。在PDL03号平洞深54.0～58.0m和77.8～81.65m各揭露一条夹泥层面，夹泥厚度在1cm左右，走向35°～40°、倾向NW、倾角20°～22°，面略有起伏、粗糙。在PDL03号平洞支洞深4.15～10.0m揭露一条层间剪切破碎带，厚度0.5～7cm，充填次生黄泥和碎块碎屑，走向0°、倾向W、倾角26°，面略有起伏、粗糙。软弱夹层主要表现为破碎夹层或破碎夹泥。

　　2.3 岩石物理力学性质

　　根据边坡岩体的特性，参照类似工程室内、外物理力学性质试验成果，依据“水电规范”提出边坡区结构面的力学参数建议值如表2—1。

　　备注：靠近原始地面的各类结构面参数应取下限值或适当降低使用。

　　3 料场开采规划与开挖坡比

　　太平灰岩料场的开采开口线最高高程为1494.00m起，终采高程为1276.00m，开采梯段分层高度为12m。其中微新岩层及弱风化下限梯段分层开挖坡比为1:0.3，及弱风化上限及全强风化岩层开挖坡比为1:0.5。采场最终边坡按每个梯段设置1个4m宽的安全平台，每3个梯段设置1个10m宽的清扫平台，料场最终边坡高度216m，边坡坡比为1:0.78(坡角为51.89°)。

　　4 边坡设计原则及稳定标准

　　4.1 边坡级别

　　边坡的级别，根据它所影响的建筑物级别及边坡失事的危害程度按DL/T 5353-2006《水电水利工程边坡设计规范》规定确定：采场边坡的稳定不致危害建筑物或人身安全。基于以上情况，将采场边坡确定为Ⅱ级。

　　4.2 地震烈度

　　据1977年中国地震基本烈度区划图，边坡区的地震基本烈度为7度，边坡设防烈度取7度。

　　4.3 边坡岩体及结构面物理力学指标

　　边坡岩体及结构面物理力学指标见表2-1及5.2节。

　　4.4 稳定标准

　　根据DL/T 5353-2006《水电水利工程边坡设计规范》中Ⅱ级边坡设计安全系数范围，拟定采场边坡抗滑稳定：

　　5 料场开挖边坡稳定分析

　　料场开采区的边坡为一顺向结构的层状边坡，在岩层切脚的情况下，稳定条件较差，早期曾发生过顺层滑坡，体积达600～700万m3，滑动距离达数百米，滑坡物质已堆积到高程1160.00以下。目前的自然边坡未见变形破坏迹象，边坡基本处于稳定状态。料场开采将造成后缘边坡的岩层被切脚，由于岩层倾角较缓，层间软弱夹层厚度小，夹泥少，面壁多数起伏粗糙，而且一般延续性差，因此边坡整体基本稳定。但浅部因受风化卸荷影响，层面结合力下降，甚至沿层面有夹泥或泥膜，其抗剪强度较低，局部夹泥层上伏岩体有产生潜在滑动的可能，特别是在卸荷裂隙的组合切割下，块体稳定性较差。两侧的开挖边坡基本属横向坡结构，整体稳定条件相对较好，但有NNW向和NNE向节理发育，受节理组合切割，南侧坡的楔形块体的交棱线被切脚，可能产生崩塌掉块现象。

　　边坡稳定计算采用刚体极限平衡法，具体程序使用中国水利水电科学研究院岩土工程研究所研制开发的EMU计算分析程序进行。该程序的核心计算模块是经过改进的Sarma法，其主要功能和特点为：

　　a) 采用多块体破坏机制，自动计算由折线或曲线组成的临界滑裂面及最小安全系数;

　　b) 在应用最优化方法确定临界滑裂面时，引入随机搜索，以提高计算效率，避免丢失安全系数整体极值的可能性。

　　c) 具备多种处理功能，满足设计工作的需要：①在坡外有水时，采用土石坝规范建议的等效处理方法;②孔隙水压力处理采用等势线铅直和输入孔隙水压力系数两种简化方法;③具有自动输入Hoek-Brown参数的功能;④可以分析具有锚索、抗滑桩、表面荷载的边坡稳定问题。

　　d) 计算和图形显示同步进行，用户可以随时了解分析计算进展情况，并通过各种功能键进行自动设置比例、检查输入数据、调看输出成果、屏幕拷贝等工作。

　　e) 可进行边坡倾倒破坏的分析功能。

　　5.1 边坡滑移模式

　　通过对采场边坡工程地质条件的宏观分析，可以看出，不同结构面的组合既可能使边坡发生整体滑动，也可能发生局部滑动。但是，无论哪种滑移模式均具有较为明确的底滑面和侧裂面。其中底滑面主要为顺层发育的破碎夹泥层或破碎夹层，倾向坡外，倾角10°~25°;参照一般工程经验，计算模型还在坡顶设置约为边坡1/10高度的拉裂缝且充水;侧裂面则主要为陡倾的节理、断层以及潜在的剪切滑移面等，一般模拟为剪断岩体并与顶部拉裂缝、底部破碎夹泥层(或破碎夹层)滑面相连的光滑曲线。边坡整体和局部滑动示意图。

　　5.2 岩体力学参数的确定

　　边坡稳定计算参数采用地质推荐数据(见表2—1)及如下说明：

　　1) 灰岩强度较高，边坡岩体完整性较好，宜采用刚体极限平衡方法。

　　2) 计算边界应以层间的软弱结构面作为潜在滑动面，卸荷带内宜以破碎夹泥层和夹泥层面作为控制滑面，卸荷带以外可采用破碎夹层和结合较好的层面作为控制滑面;以NNW向和NNE向的陡倾裂隙作为后缘拉裂面;采用自动搜索最不利滑出点。重点应关注中等风化弱溶蚀带以上部分的稳定。

　　3) 高程1400m以上的层面倾角按10°～15°分析，高程1400m以下的层面倾角可按20°～25°计算。

　　4) 计算工况要考虑在暴雨条件下，浅表部的后缘张裂隙充水的情况，水柱高度10～30m。

　　5) 计算参数：结构面参数可参照前面的建议值表，岩体的抗剪断强度参数，卸荷带内岩体可类比Ⅲ1类岩体，取其中值，f′=1.1，c′=1.3MPa;卸荷带以外岩体可类比Ⅱ类岩体，取其下限值，f′=1.2，c′=1.5MPa。计算时须考虑节理连通率的影响。

　　考虑到岩体风化、卸荷的影响，按50%的节理连通率，对岩体力学参数折减后再进行边坡稳定分析。

　　5.3 计算荷载及计算工况

　　计算荷载：计算过程中考虑了岩土体自重荷载、水荷载及地震荷载。

　　计算工况：分3种工况进行了计算：①“地下水”工况，即“正常组合”，孔隙水压力系数为0.075;②“暴雨”工况，即“非常组合”，局部排水失效，孔隙水压力系数为0.15;③“暴雨+地震”工况即“特殊组合”。

　　5.4 稳定分析计算

　　由于边坡主要剖面均很相似，选取典型剖面进行刚体极限平衡稳定分析

　　6 结论

　　从边坡稳定性分析计算结果可以看出：边坡整体及局部稳定性均较好，但由于边坡岩体的各向异性特性、岩体力学参数的不确定性以及计算模型本身存在的各种假定，因此仍有必要根据开挖揭露的实际地质情况对边坡进行适当的加固支护，以确保边坡稳定。