惠州华茂石场花岗岩边坡稳定性评价及监测治理.pdf

2023年第42 卷第4期50 4 510 页云南地质CN53-1041/PISSN1004-1885惠州华茂石场花岗岩边坡稳定性评价及监测治理江福建，陆宝宇（广东省地质局第四地质大队（广东省湛江地质灾害应急抢险技术中心）广东湛江52 40 0 0）摘要：本文以华茂石场现状开采边坡为研究对象。对其工程水文地质条件和边坡开采现状进行分析，确定安全系数，开展定性定量综合分析。理正软件确定剖面后，使用赤平投影法对最不利剖面分析后，结合flac3D进行有限元模拟计算，结果表明，该剖面整体安全系数1.3 0，边坡整体在自重+地下水、自重+地下水+爆破及自重+地下水+地震工况下，均处于稳定状态。并提出相应的治理和监测建议，为类似的大型露天花岗岩边坡稳定评价和治理监测提供相关经验。关键词：露天边坡稳定性；有限元分析；治理监测；华茂石场；广东惠州中图分类号：P642.21华茂石场位于广东惠州市惠阳区新圩镇南坑水径村，面积0.3 10 7 km；开采标高+2 7 5m+20m，一期设计开采面积0.16 8 6 km；开采标高+19 0 +2 0 m。本文拟根据现状开采边坡情况，对边坡稳定性分析，提出相应的监测和治理措施，为矿山安全生产提供可靠依据。1石场开采现状一期开采范围位于矿区东侧，目前采场已形成近似椭圆形采坑，南北长约6 40 m，东西宽约450 m，最大开采标高约+2 17.2 7 m，最低开采标高+2 0.0 5m，最大相对高差约19 7.2 2 m。开采范围内北侧自上而下已形成+2 17 m、+2 11m、+2 0 4m、+19 5m、+19 0 m、+18 0 m、+16 5m、+150 m、+13 5m、+12 0 m、+105m、+9 2 m、+8 2 m、+7 0 m、+6 0 m、+50 m、+3 7 m、+2 7 m、+2 0 m 等标高台阶，台阶高5m15m，坡面角6 57 0，安全平台宽5m以上，清扫平台宽约8 m。现开采区位于一期范围南西侧，自上而下已形成+7 5m、+6 3 m、+50 m、+40 m、+3 0 m、+2 0 m 共6 级台阶，台阶高10 m13m，坡面角6 5 7 0。采场目前开采台阶为+7 5m+63m、+6 3 m +50 m 两级工作台阶，台阶分别高12 m、13 m，台阶坡面角6 570。+7 5m、+6 3 m 平台为凿岩平台，宽15m25m；+50 m 平台为工作平台，宽约3 0 m，开采工作线长120m，开采由东向西推进。矿山采用公路开拓-汽车运输方式，由矿区南侧进入场区，经综合服务区、工业场地向北进入采场南部+7 8 m平台，从采场南部+7 8 m螺旋式开拓运输道路至采场各开采水平及凹陷采坑底部，开拓运输系统较简单。采场+8 0 m以上已形成终了边坡，从采场南部修筑有简易道路至各分层平台，用于边坡日常巡查。2边坡工程地质条件2.1地形地貌工程区经人类工程建设现已发展成城市建成区，勘察场地为市政道路及绿化带，场地整体地势相对平坦，北高南低，一般地面高程1.2 m2 5.0 m。以新洲路-深南大道-福田路为界限，南侧工程区为海积冲积平原为主，北侧为低台地接合冲洪积平原地貌单元。收稿日期：2 0 2 3-6-1作者简介：江福建（19 9 4）男，江西上饶市人，助理工程师，从事水工环地质及地质灾害勘查等工作。文献标识码：A文章编号：10 0 4-18 8 5（2 0 2 3）4-第4期2.2矿体及边坡岩性特征矿体为新鲜坚硬的中-细粒黑云母花岗岩，呈完整块体状近东西向展布，矿区矿体控制长6 2 1m676m，宽40 8 m547m，厚2 55m。出露标高+2 45.0 0 m+70.50m，赋存标高+2 45.0 0 m+20m。根据地质勘查结果，按覆盖层及岩石风化程度自上而下共分四层：（1）第四系残坡积土：厚6 m10 m，平均8.0 m。分布于矿山四周及地面表层，主要由浅黄色砂质黏性土组成，开采时作为覆盖层需剥离。（2）强风化花岗岩：灰黄色，已强烈风化呈半岩半土状，云母、长石类矿物已风化为黏土矿物，厚7.6 0 m8.00m，平均7.8 0 m。开采时作为覆盖层需剥离。（3）中风化花岗岩：灰黄色，风化较强烈，岩体稍破碎，节理裂隙稍发育，花岗结构，块状构造；厚13.2 0 m14.90m，平均14.0 0 m。开采时作为覆盖层需剥离。（4）微风化-未风化黑云母花岗岩：深灰-灰白色，花岗结构，块状构造。主要由钾长石、石英及黑云母组成，含很少量的斜长石和白云母。矿体即赋存于该岩体中。2.3水文地质条件矿区内及附近地表水系不发育，开采影响范围之内无大的河流、水库等地表水体，仅于矿区局部有水坑分布，水量与降雨相关，旱季基本无水，水流方向依地势四周排泄 2 。按赋存条件和含水介质性质，矿区地下水主要为松散岩类孔隙水、强风化岩类裂隙水和块状岩类裂隙水。含水量小，属弱含水层，水量贫乏。矿山开采底界位于当地侵蚀基准面以上，未见地下水出露，矿区附近也未见地表水出露，洪雨季节汇集谷底的地表水沿沟谷排向附近小河，地表水/地下水对矿石开采影响较小。2.4矿体及边坡结构矿山今后开采的岩质边坡主要为中风化-未风化花岗岩边坡，矿床岩体结构类型为块状结构，块状细中粒斑状黑云母二长花岗岩以贯穿性较好的节理结构面发育为主，一般有2 组节理：140 乙7 5，间距0.40 m0.50m；2 6 8 8 4，间距0.3 0 m0.80m。矿区内未见褶皱及断裂构造。3边坡稳定性分析评价3.1安全系统确定允许安全系数的确定是评价边坡稳定性的主要指标，与边坡稳定性研究的工作内容、方案方法手段、代表性、可靠性以及各项定量参数取用和定性分析评价、矿山服务年限、边坡区段重要性等因素有关。允许安全系数经常采用工程类比法和有关设计规范来确定 3 。Tab 1.Design Safety Factor of Overall Slope Under Different Load Combinations边坡工程安全等级1注：1.荷载组合I为自重+地下水；荷载组合为自重+地下水+爆破振动力；荷载组合为自重+地下水+地震力。2.对台阶边坡和临时性工作帮，允许有一定程度的破坏，设计安全系数可适当降低。不同荷载组合下总体边坡的设计安全系数满足非煤露天矿边坡工程技术规范（GB51016-2014）中表3.0.9 规定的安全系数要求 3 ，见表1。在边坡极限平衡稳定性分析中，安全系数K=1时，边坡处于极限平衡状态。理论上K稍大于1，边坡就是稳定的，反之边坡就失稳。在具体稳定性分析计算时，常选取安全系数K1。矿山边坡一般情况下取K=1.21.3。目前矿山现状边坡高度19 7.2 2 m。根据非煤露天矿边坡工程技术规范GB51016-2014划分标准，露天边坡属中边坡，边坡危害等级为级-II级，确定边坡安全等级划分为I级 4，最终确定边坡安全系数K=1.20、1.18、1.15。江福建等，惠州华茂石场花岗岩边坡稳定性评价及监测治理表1不同组合下总体边坡的设计安全系数边坡工程设计安全系数荷载组合I荷载组合1.25 1.201.23 1.181.20 1.151.18 1.131.15 1.101.13 1.08505荷载组合1.20 1.151.15 1.101.10 1.055063.2王现状稳定性分析根据现场调查，开采边坡未发生过地质灾害，局部发现岩体掉块。（1）采坑东侧边坡：此边坡产状与一组节理2 6 8 乙8 4倾向交角较小，现场开采台阶边坡角7 0，但该边坡岩体不排除有顺层和顺向的风化裂隙或构造裂隙，在爆破震动破坏等条件下，潜在局部变形或崩塌、滑动破坏的可能，但边坡岩石工程地质条件较好，未发现复杂和明显不利的裂隙组合，边坡现状稳定性较好 4（2）采坑南侧、北侧及西侧边坡：边坡坡向与地层倾向交角较大，且边坡岩石工程地质条件较好，边坡稳定性好，不易发生大面积边坡失稳地质灾害，局部破碎岩段边坡潜在失稳可能，其危害性小，危险性小。3.3稳定性定性分析边坡为早期矿区开采形成，上部主要残积砂质黏性土，下部全-微风化花岗岩，岩石风化强烈，节理裂隙发育，岩体饱水易崩解软化，边坡岩体受节理裂隙切割，岩体完整性差。边坡上部自然斜坡面植被较发育，根据对现状边坡坡面、截水沟调查，均未发现破坏变形，边坡现状稳定性较好。但下部岩质边坡受区域构造影响，岩体节理裂隙较发育，局部剪节理发育，岩体局部外倾，在持续降雨及自重作用下，局部存在落石现象，局部高陡岩体有潜在失稳隐患，但其规模小，潜在危险性、危害程度较小，边坡整体稳定性较好。3.4稳定性定量分析现有技术条件下，数值分析是研究大型复杂工程体的有效手段，国内外大型工程体通常采用数值分析方法进行稳定性计算。本次采用数值模拟方式进行分析 5。依据截W取的最不利边坡剖面，采用理正软件，分别建立典型边坡剖面数值分析模型，依据初步设计提供的开采技术参数，分别分析开采终了条件下边坡稳定性，包括：（1）自重+地下水共同作用；（2）自重+地下水+爆破荷载共同作用；（3）自重+地下水+地震荷载共同作用。该矿区域抗震设防烈度为VI度，设计基本地震加速度值为0.0 5g，矿区及附近历史上未发生规模较大的地震活动，区域地壳稳定。（1）赤平投影法分析：矿区边坡类型中下部主要出露中-微风化花岗岩，节理较发育，边坡的稳定性主控因素主要为次生结构面（主要为节理）产状及其组合与边坡的坡向、坡率之间的关系；主要从节理与坡形特征及其相互关系等因素分析，稳定性评价方法采用赤平投影稳定性计算软件 5。根据终了边坡情况，选取三处边坡稳定性分析评价。图1。最不利1剖面1-1 岩质边坡主要位于矿区北侧，根据赤平投影图分析，边坡处于稳定状态，但其边坡高度较大，一旦边坡失稳，其处理的难度大，费用高，综合评价边坡失稳的发育程度弱，潜在的险情、危害程度、危险性小。（2）有限元分析：本次分析采用有限元模块进行数值模拟，结合现场踏勘及数值模拟结果分析边坡变形破坏模式。选取最不利1-1 边坡剖面分析计算，模型左边界、右边界和底部边界分别以水平和垂直方向的位移约束，从而构成位移边界条件，介质的弹塑性状态采用理想的弹塑性模型描述，以保持整个系统受力体系的平衡。剖面选取见图2 所示。1）自重+地下水（Fs=1.61）：在自重+地下水共同作用下，矿区1-1 剖面的分析结果见图3、图4所示。由位移云图可知，X方向最大位移位于左侧边坡中上部台阶坡面，大小值为0.49 m；Y 方向最大位移位于左侧边坡下部，大小值为0.13 m。云南地质图1赤平投影分析图Fig 1.Analysis Diagram of Stereographic Projection42卷结构面产倾向（度）恢度）披烦面180.000.00边坡面180.0051.00平A140.0075.00268.0084.00交线34.1045.64交线5.4250.87交线50.000.00交线?358.000.00交线11.98 66.49判定碧体稳定性1.滑动方向滑交线C方向滑动2.稳定类型稳定的S第4期江福建等，惠州华茂石场花岗岩边坡稳定性评价及监测治理507240.48216.42167.120.5529.20.32一期开采范围2.4图2 典型剖面选取示意图Fig 2.Schematic Diagram for Typical Profiles Selecting由应力云图5、图6 可知，该剖面X方向应力最大位于左侧边坡中下部坡面及基岩处，大小值0.98MPa；Y 方向应力最大值位于左侧边坡中下部坡面及基岩处，大小值1.2 4MPa。由最大剪切应力云图7 可知，最大剪切应力值位于左坡底基岩处，2.19 MPa。经计算，该剖面的整体安全系数大小为1.6 1。2）自重+地下水+爆破（Fs=1.46）：在自重+地下水+爆破荷载作用下，矿区1-1 剖面分析结果所示。由X方向最大位移位于左侧边坡顶部剥离台阶，最大位移值0.2 1m；Y 方向最大位移位于左侧边坡下部，大小值0.0 5m。该剖面X方向应力最大位于左侧边坡表面及坡底部，大小值1.0 5MPa；Y 方向应力最大值位于左侧边坡表面及坡底部，大小值0.7 0 MPa，应力值由表及里逐渐减小。最大剪切应力位于左侧边坡坡底基岩处应力值2.8 5MPa。经计算，该剖面的整体安全系数大小为1.46。.4.+14752-0542.85797-10142.48X-1017.14121-802.1-2.427-42+L:30152e-101.075e-102.7%[phone]-04.508-022L0174-102115313-80-1.50450-1011.8558e-1012:20725+-012564-8012.9102+-0DATA】1,地核神走（5SN),IN8-11（FO S-1.6 10 9)。【U ET 3 A图3 1-1 剖面工况1-X方向位移彩云图Fig 3.Color Cloud Diagram of Displacementin The 1-X Direction for The1-1Section Working Condition图41-1 剖面工况1-Y方向位移彩云图Fig 4.Color Cloud Diagram of Displacementin The 1-Y Direction for The1-1 Section Working Condition508云南地质42卷SaX,JATOTII-1.141-242080030.9%47.46973e-0125.0%42.51068401210.13-2432360+0213:87：:3 0 3 40 215.5F-1235-031408172855+038.H.3522315+03-2.718760+0031.47-3:21386+003-3.700976-01-4.20407*+083t0bsR2128:2-4.69918+003DATA1111边校您定(SRM),INCR-11(FOS-1,6109),图51-1 剖面工况1-X方向应力彩云图Fig 5.Color Cloud Diagram of Stressin the l-X Direction for The1-1Section Working ConditionUNIT1图6 1-1 剖面工况1-Y方向应力彩云图Fig 6.Color Cloud Diagram of Stressin the 1-Y Direction for The1-1Section Working ConditionPLARESTRAIN STHESSS-HARSHEAB,JR/-20.5%42.18694+0031.0%+2.00554003+1.82414e+003.92.98+1.842754+0036.8%+146135*+00310:7%41.27996e+00314.8-1.09856*00318:99.17164e+002156.047.9576e+00213.45.54372-00210.343.72975e+002+1.91579e+0025.441.01831e+001DATA】11,边拔稳定(SRID,ICR-1(FOS-1,6109)图7 1-1 剖面工况最大剪切应力彩云图Fig 7.Color Cloud Diagram of Maximum Shear Stress for The 1-1 Section Working Condition3）自重+地下水+地震（Fs=1.30）：在自重+地下水+地震荷载作用下，矿区1-1 部面分析结果所示。X方向最大位移位于左侧边坡顶部剥离台阶，最大位移值0.0 6 m；Y 方向最大位移位于左侧边坡底部，大小值0.0 2 m。该剖面X方向应力最大位于左侧边坡表面，大小值0.7 9 MPa；Y 方向应力最大值位于左侧边坡坡面，大小值0.55MPa，应力值由表及里逐渐减小。最大剪切应力位于左侧边坡底部基岩处应力值2.56 MPa。图7。经计算，该剖面的整体安全系数大小为1.3 0。通过对最不利剖面的计算结果，边坡稳定性评价安全系数见表2，边坡整体在自重+地下水、自重+地下水+爆破及自重+地下水+地震工况下，均处于稳定状态。边坡稳定性受诸多因素的影响，一般诱发因素为人工开挖，导致岩土体的自然平衡、植被破坏（尤其是残积土、全风化岩出露地段，因其遇水易软化、崩解，水理性能差，可能出现崩解和渗流破坏），遭遇长时间强降雨时，斜坡上的土体因饱水，自重增加，内摩擦角减小，岩土体由硬变软，其结果是抗滑力下降，导致产生失稳。第4期4这边坡防治与监测4.1防治措施矿床开采局部存在顺向开采边帮的岩性结构面，对开采边帮稳定性不利。矿山开采遇矿体产状、结构变化、异常地质构造、节理和水文情况变化，工程地质复杂的地段，要及时采取措施，调整台阶参数、凿岩爆破参数并采取边坡加固或削坡减载措施(。矿山今后生产过程中，工作台阶参数严格按设计要求进行，严格在设计开采范围内开采。结束一水平台阶开采时，应按设计要求检查台阶高度和坡面角；临近最终边坡的采掘作业，必须按设计的宽度，预留安全平台和清扫平台，保持阶段坡面角，不得超挖坡底 7 。岩层破碎带或稳定性差的岩层应采取支护措施，严格控制开采边坡角不大于设计边坡角。根据稳定性计算及分析，剥离层遇长时间强降雨时，土体因饱水，自重增加，内摩擦角减小，岩土体由硬变软，抗滑力下降易导致产生失稳。故矿区边坡容易发生失稳塌、滑坡区域顶部剥离台阶边坡，矿区后期作业需重视顶部边坡稳定，加强检查，做好分层降坡，确保顶部边坡稳定。4.2监测措施实时的做好边坡稳定的检查和监测工作。当采场边坡形成最终边坡时，应根据最终边坡的稳定类型、分区特点确定各区监测级别，利用建立的边坡监测系统 8。对边坡进行坡体表面及内部位移监测。矿山应及时整理边坡观测资料，以此指导采场安全生产。对存在不稳定的最终边坡应长期监测，发现问题及时处理。在建立健全一系列的边坡管理和检查制度的情况下，可有效地减少边坡的稳定性对安全生产可能构成的隐患 8 。5结论与建议本文以华茂石场花岗岩露天开采边坡为研究对象，在勘察边坡的基础上，对最不利岩质边坡剖面进行定性定量分析，得到主要结论建议如下：生产过程中要严格控制台阶高度，维护边坡安全，由于矿山开采破坏了山体原始的稳定构造和力学架构，再造的边坡岩体需很长一段时间才能恢复应力平衡和结构稳定。根据稳定性计算分析，矿区顶部剥离层边坡属易发生塌、滑坡失稳的区域，矿区后期作业需重视顶部边坡稳定情况，加强检查，做好分层降坡，确保顶部边坡稳定。切实做好边坡的截排水措施，采取有效的工程技术措施及时处理生产过程中出现的不稳定边坡，局部受地质构造影响的破碎带，采取清除危岩及边坡工程支护等防治措施。1胡科，崔泽恒，等武汉软土深基坑被动区加固参数优化分析J安全与环境工程，2 0 2 2，2 9（0 6）：42 53.2豆红强，谢森华，王浩，简文彬.球状风化花岗岩类土质边坡随机重构与其失稳破坏模式研究J工程地质学报，2 0 2 3,3 1(0 2)：6 17 6 2 7.3】豆红强，谢森华，王浩，简文彬：降雨条件下球状风化花岗岩类土质边坡渗流特性与稳定性分析J工程地质学报，2 0 2 3,3 1(0 2)：6 3 8 6 49.【4余洋，齐资源，等临沧地区风化混合花岗岩边坡植被恢复方法研究J土工基础，2 0 2 3，3 7（0 2）：16 1 16 5.5刘洪波，梁崇旭，刘飞禹考虑含水率影响的花岗岩残积土边坡地震响应分析J防灾减灾工程学报，2 0 2 3，43(02):342350.江福建等，惠州华茂石场花岗岩边坡稳定性评价及监测治理表2 边坡稳定性计算结果表Tab 2.Slope Stability Calculation Results边坡工况自重+地下水工况1-1自重+地下水+爆破工况自重+地下水+地震工况参考文献509计算值规范值1.611.20 1.151.461.18 1.131.301.15 1.105106辛田军，等。降雨影响下花岗岩残积土边坡灾害分析与治理研究J资源信息与工程，2 0 2 3，3 8（0 1）：9 6 10 1.7倪政东锚杆初级支护在花岗岩边坡加固中的作用研究J福建建设科技，2 0 2 3（0 1）：59 6 3.8 刘旭阳，冯晓腊，等一种多级支护体系在桥墩深基坑中的应用J岩土工程技术，2 0 2 1，3 5（0 3）：16 8 17 3.STABILITY EVALUATION,MONITORING ANDGOVERNANCE OF GRANITE SLOPES INHUAMAO QUARRY IN HUIZHOU云南地质42卷JIANGFu-jian,LUBao-yu(The Fourth Geological Team of Guangdong Bureau of Geology(Guangdong ZhanjiangGeological Disaster Emergency Rescue Technology Center),Zhanjiang 524000)Abstract:In this article,the engineering hydrogeological conditions and slope mining status of HuamaoQuarry were analyzed to determine the safety factor and carry out qualitative and quantitative comprehensiveanalyses.The Lizheng software was used to determine the profile,and after using the stereographic projectionmethod to analyze the least safe profile,finite element simulation calculations were carried out in conjunctionwith Flac 3D.The results show that the overall safety factor of the profile is 1.30,and the slope is in a stablestate under self-weight+groundwater,self-weight+groundwater+blastingand self-weight+groundwater+earthquake affairs.Based on the above,corresponding governance and monitoring suggestions are proposed toprovide relevant experience for the stability evaluation and governance monitoring of similar large-scale open-pitgranite slopes.Key Words:Stability of Open-Pit Slopes;Finite Element Analysis;Governance Monitoring;HuamaoQuarry;Huizhou,Guangdong