2010年3月 地下水 Ground water 第32卷第2期 Mar.,2010 V01.32 NO.2 确山盘龙废弃采坑边坡稳定性评价 李文杰,杨红强,王邦贤,范浩敏 (河南省地质矿产勘查开发局第一地质工程院,河南驻马店463000) [摘要] 以确山盘龙废弃采坑边坡为例,分别采用赤平极射投影法与极限平衡法从定性与定量的角度对采坑岩质边坡 进行稳定性分析,再综合两种分析结果得出评价结论,提高了边坡稳定性评价的时效性和准确性。 [关键词】 采坑边坡;稳定性评价;赤平极射投影;极限平衡法 [中图分类号]P642.2 [文献标识码] B [文章编号] 1004—1184(2010)03—0169—04 Stability Evaluation on Slope of the Abandoned Mining Pit in the Panlong Country of the Queshan LI Wen—jie,YANG Hong—qiang,WANG Bang—xian,FAN Hao—min (The 1 st Geology Engineering Academy,Geology and Mining Investigation and Exploitation Bureau in Henan Zhumadian 463000, Henan) Absrtact:In the PanlongCounty of the Queshan,it takes the abandoned mining pit slopes for an example,has adopted a very radio Stereographic projection method and limit equilibrium method from qualitative and quantitative point of view of mining pit rock slope sta— bility analysis,and then combined the two analyzed results and obtained evaluation findings to improve the slope stability evaluation of the timeliness and accuracy. Keywords:Mining pit slope;stability evaluation of Stereographic pole overhead projector limit equilibrium method 本文以确山盘龙废弃采坑边坡为例,阐述工程新形成岩 自西向东由山区流向山前倾斜平原,经汝南县境入南汝河, 质边坡稳定性评价的分析方法,为边坡的加固工程提供科学 河曲发育,呈蛇型,切割深度0.3—6.3 m,河床为砂卵石层覆 的参考依据。 ’ 盖。河流两岸多不对称。平原区地面坡降1‰~2%o。 1边坡场地概况 1.1.3 地形地貌 位于古臻头河冲洪积扇,为剥蚀缓岗地貌。地势由山前 1.1 自然地理概况 向平原行带倾斜,地面高程80~125 m,地表岩性以Q 2冲 河南确山县盘龙灰岩矿废弃采坑位于确山县盘龙镇,是 洪积粉质粘土为主。岗顶宽阔平缓,沟谷不发育,其前缘呈 计划经济时期国有矿山遗留矿坑,始采于上世纪五十年代, 裙状。微地貌为人工开挖坑塘地貌,采坑水面高程67.0— 80年代初闭坑。现有遗留矿坑北西一南东走向,南北最长 71.9 m,外围岸坡高程85~l09.5 m,水深0.5~6.0 m。采 296 m、东西最长218 m,外围周长约1 000 m,占地面积6.02 坑西、南两侧边坡高,东、北两侧边坡低,岸坡岩性以第四系 ×10 m ,坑底积水0~6 m,坑底水面面积1.97×10 m 。 中更新统(Q。2)冲洪积粉质粘土、碎石土为主,局部出露中 盘龙灰岩矿废弃采坑深度大,坡体最高超过30 m,由松散矿 元古界汝阳群北大尖组(P。:bd)大理岩、石英岩夹绢云片 渣体、建筑垃圾、生活垃圾、基岩、第四系残坡积粉质粘土组 岩。边坡岩性松散,稳定性较差。 成,在雨水冲刷作用下易发生崩塌、滑坡灾害。 1.1.4 工程概况 1.1.1 地理位置 盘龙废弃灰岩矿采坑主要矿山环境地质问题为边坡失稳 盘龙灰岩矿废弃采坑位于确山县盘龙镇,地理坐标:x 威胁附近居民生命财产安全和生活垃圾威胁地表水及地下水 3630220~3630573,Y 38502070~38502423,采坑东部边坡 环境,根据采坑现状分析以及财政资金安排情况,治理工程主 距离107国道约400 m,采坑西南约800 m为确山县环城公 要用以采坑填埋工程为主。西部岗地整理区以西北角公路路 路,距离京广铁路不足1 km,交通十分便利。 面高程121 m为基准进行挖填整平,坡面平整为正向坡,坡度 1.1.2 气象、水文 0.5%,多余土石方运至东部填埋采坑。中部边界以高程96 m 位于暖温带南部,属大陆性湿润季风气候区,雨热同季, 为基准,沿北东27。方向,按纵坡降6.4%进行挖填整理,最终 全年气候温和。据驻马店市气象站1973~1998年气象观测 形成两级平台。在验算边坡稳定性基础上,对采坑整理区西 资料,年平均气温15。C,年平均降水量961.95 mm,平均蒸 部、南部及西北部新形成的边坡进行浆砌片石护坡,护坡工程 发量1 259.80 mm。工作区属淮河流域臻头河水系,臻头河 采用M10浆砌石结构,浆砌石厚度0.5 m。护坡高度2.5~ [收稿日期] 2009—11—2O [作者简介] 李文杰(1968一),男,河南平顶山人,工程师,主要从事水工环地质勘察、设计工作。 169 32卷 第2期 地下水 2010年3月 30.0 m,两级平台两端分别向北、向东沿坡顶地形逐渐降低。 对形成高差>25 112边坡进行二级护坡,单级高度12.5~15.0 m,边坡坡度控制在1:1.7左右。两级护坡之间设置马道,马 臻头河冲湖积平原,由全新统、上更新统冲积物组成。土体 呈层状结构。砂性土结构松散,粒问联结较弱,孔隙比较大, 连通性好,力学强度低,透水性好,含水量22.5%~27.1%, 道宽度2 113,采用0.5 m厚浆砌石结构。 1.2地质背景条件 1.2.1 地层 孔隙比0.784~0.935;粉质粘土结构疏松一致密,含粉土质 成分高,具可塑性,含水量21.8%~30.4%,孔隙比0.625~ 0.826,压缩系数0.009~0.035 cm /kg。工作区西部出露元 古界中、上统绢云石英片岩,板岩夹白云岩等变质岩。厚层 状,节理、裂隙较发育,风化程度低的岩石强度较高,工程力 学性质相对较好。 工作区出露地层主要为第四系中更新统冲洪积物 (Q。 ),局部出露中元古界汝阳群北大尖组(Pt:bd)。第 四系中更新统冲洪积(Q ‘。p1),沉积厚度由山前向平原逐 渐增大,山前岗地地带以洪积为主。棕红色、棕黄色或姜黄 色粉质粘土互层,具微裂隙和孔洞,含钙质结核和大量铁锰 质结核,据钻孔揭露,该层厚度为9.55~85.72 m,最大达 86.21 m。平原地带以冲积为主,岩性为棕黄色粉质粘土与 黄褐色卵砾石、砂层互层。据钻孔揭露,砂、卵石层可见1~4 层,厚度4~34.0 m。中元古界汝阳群北大尖组(Pt bd),厚 度约200 m,岩性以大理岩、石英岩夹绢云片岩为主。 1.2.2 构造 本区位于中朝准地台与秦岭褶皱系的分界处,以栾川一 确山一固始深断裂(本区为伏牛一大别弧断裂)为界。根据 《河南省构造体系图》将本区分为纬向、新华夏系、华夏式、伏 牛一大别弧形、经向构造形迹。 1.2.3 地震 根据《中国地震动参数区划图》GBI8306--2001,矿区地 震动峰值加速度为小于0.05 g,地震基本烈度属Ⅵ度区。 1.2.4 水文地质条件 (1)地下水类型 根据地下水赋存介质空隙的成因,工作区地下水划分为 两个类型;即松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水。 松散岩类孑L隙水属弱富水区(<100 m /d),含水层岩性 为中更新统粘土、粉质粘土夹薄层泥质粉砂,粉土含卵石等 弱透水层及下更新统冰碛泥砾夹薄层含砾细砂层,砂层总厚 度1—2 m,单井出水量<500 m /d。水化学类型以HCO 一 Ca・Mg型水为主,矿化度为0.31 g/L。碳酸盐岩类裂隙岩 溶水以覆盖型为主,分布于剥蚀缓岗、冲湖积倾斜平原。岩 性主要为寒武系、奥陶系的灰岩、泥灰岩,岩溶、裂隙相对发 育。含水层顶板埋深50~100 ITl,泥灰岩厚8.26~89.81 m, 寒武系灰岩厚0.92~72.12 m,灰岩总厚度8.26~98.76 II1。 岩溶中等发育,大气降水通过裸露型岩溶水和浅层水间接补 给覆盖性岩溶水。地下水位埋深10~45 m,单井涌水量500 ~1 000 m /d。水化学类型为HCO ~Ca型水,矿化度为 0.31 g/L。 (2)地下水补迳排关系 浅层地下水的补给来源主要是大气降水人渗补给,次为 地表水灌溉回渗补给和地下水径流补给,排泄主要有蒸发、 人工开采、河流排泄、地下水径流排泄。深层水补给主要来 源于西部低山丘陵区基岩裂隙和岩溶裂隙的深部径流和浅 层地下水越流补给。深层地下水因埋藏较深,气象因素影响 很微弱。水力坡度较小,径流相对较缓慢,深层水总体流向 几乎与浅层水一致。排泄方式有人工开采和径流排泄。 1.2.5工程地质条件 工作区属松散岩类工程地质区,分布在西部剥蚀缓岗及 170 2岩体物理力学性质指标 经现场取样、实验,岩体力学性质见下表。 表1 岩体的物理力学参数 …称 (kN/簸内 角…m3)(kpa) (Kpa) 譬 29.1 35 9 4200 3ll5 表2 硬性结构面抗剪强度指标标准值 3岩质边坡稳定性评价 实施采坑填埋将在采坑整理区域西边和南边形成新的边 坡,应对新形成边坡稳定性进行评价,采用定性分析与定量 分析相结合的方法评价。 3.1定性分析 采用赤平极射投影法。该法是根据现场踏勘结果,将某 处边坡岩体中发育的结构面绘制成赤平投影图,根据所绘制 成的赤平投影图对该处边坡岩体的稳定性进行定性判别。 工作区出露岩体主要为绢云片岩和大理岩,岩层产状240。 75。,岩体内发育一组裂隙166。 80。,分布密度7.5条/ m。新形成边坡产状分别为72。 30。、160。 75。、357。 75。,边坡岩体结构面的赤平投影图如图1~3。 ‘ 凳/, 、 图1 北西一南北向边坡结构面赤平投影图 首先分析单组裂隙对坡面稳定性的影响。①J0+000~ J0+42l段北西一南东向边坡结构面赤平投影见图l,岩体 裂隙1与坡面斜交,且倾角大于坡角,不影响岩体的稳定性; 岩层倾向2与坡面反倾,且倾角大于坡角,对岩体稳定无影 响;②JO+175~JO+208段边坡结构面赤平投影见图2,岩 体裂隙1与坡面外倾,且倾角大于坡角,裂隙投影弧位于边 坡投影弧之内,属于稳定边坡;岩层倾向2与坡面斜交,且倾 角大于坡角,不影响岩体的稳定性。③J0+421~J0+554 32卷 第2期 地下水 2010年3月 段边坡结构面赤平投影见图3,岩体裂隙1与坡面反倾,且倾 角大于坡角,对岩体稳定无影响;岩层倾向2与坡面斜交,且 式中:K 为边坡稳定性系数;R为滑体抗滑力(kN/m);T 为滑体下滑力(kN/m);N为滑体在滑动面法线上的反力(kN/ 倾角大于坡角,不影响岩体的稳定性。 图2 JO+175~JO+208边坡结构面赤平投影图 / 图3 J0+421~J0+554边坡结构面赤平投影图 经赤平极射投影法,可解得每两组结构面相交所形成棱 线的倾覆方向和倾覆角,如表3。 从下表可以看出,两组结构面组合对岩体边坡稳定性影 响较小;从组合情况看,两组结构面交线与坡向反倾且倾角 大于坡角,坡体稳定。所相互形成的组合交点均位于坡面线 的内侧,其组合形成的楔形体倾向与坡面倾向相反,说明该 岩质边坡结构面切割岩体没能形成滑动面和潜在滑动楔形 体,对该边坡稳定性影响较小。 3.2定量分析 工作区边坡岩性为北大尖组大理岩、绢云片岩,岩体较 完整,结构面结合程度良好,结构面与坡向斜交。根据《建筑 边坡工程技术规范》GB50330—2002,岩体类型为Ⅱ类,见表 4。边坡高度≤30 m,边坡上部为建设用地,破坏后果暂定严 重,破坏边坡安全等级为二级,见表5。 根据边坡岩土体性质,按其可能的破坏形式,采用相应 的极限平衡理论进行稳定性验算。边坡稳定性分析方法采 用直线滑动法。计算公式如下: =了R (1) R=Ntg‘P=cl (2) T=WsinO+VcosO+QcosO (3) N=WcosO—VsinO~QsinO (4) w=v +VaT +F (5) = ^ (6) u=÷ (7) m);c为滑动面上岩土体的粘结强度标准值(kPa);‘P为滑带 土的内摩擦角标准值(。);I为滑动面长度(m);d为地下水流 线平均倾角,取浸润线倾角与滑面倾角平均值(。);W为边坡 自重与建筑等地面荷载之和(kN/m);0为底面倾角(。); 为 水的容重(kN/m );V..为单位宽度岩土体的浸润线以上体积 (m /m); 为岩土体的天然容重(kN/m ); 为岩土体的饱 和容重(kN/m );F为坡体所受地面荷载(kN)。 表3岩体结构面相交棱线与坡面的空间关系及稳定性评价一览表 坡面位置结构面 鬻 表4岩质边坡的岩体分类表 岩 类蒺 岩型程度结 囊 合程度 绢俐结构 面产状 吾自 努稳能力 完整辫 稳 完整 同上 孬届营构曩的孕合1线倾角 。~35 7 。5 5高边坡稳定,同 ’ Ⅱ 完整 薯馨耍 霖笔 面75的"妻 坡 ̄欠25稳mi定 ̄J边 一 辫…一塌落 表5 岩质边坡安全等级划分表 整理边坡取J0+115、J0+360及J0+440 j处具高差、 坡向不同,各具代表性地段进行验算。岩层破裂面仰角根据 北京里正岩土软件5.5版分析计算确定,J0+115及JO+ 440上部荷载按照城~B级公路荷载强度设计(单列车 队),J0+360上部荷载按照一般居民建筑设计。经计算,稳 定性系数(K )分别为1.51、1.39、1.71,根据《建筑边坡工 程技术规范》GB50330—2002边坡稳定安全系数判别标准 (表6),二级边坡稳定安全系数为1.30,均大于规范值,从而 判别出整理后边坡处于稳定状态。滑动安全系数计算参数 及计算结果见表7。 表6边坡稳定安全系数一览表 171 至鲞箜 塑 地下水 2010年3月 4 结论 (1)岩质边坡岩体中所发育的结构面是控制边坡稳定 (2)该边坡整体稳定性比较好,不会出现大规模的整体 滑动; (3)边坡稳定性分析必须以工程地质条件为基础,只有 的关键因素。通过赤平极射投影法分析,该岩质边坡结构面 在深刻地把握其内在地质条件和预测触发因素影响的情况 切割岩体没能形成滑动面和潜在滑动楔形体,对该边坡稳定 下,得到的边坡稳定性评价才是科学的。否则,在精美的数 性影响较小; 学力学理论都是空话,只能是昙花一现。 (上接第154页) 面段,所测量的坡度角为37。~43。,其平均值修正后取值为 38。;已滑塌坡面段测量得出的坡度角为51。~62。,其平均值 修正后取值为55。。 这种测量方法简便易行,但只能运用于垃圾土层较厚, 整体堆积较为均匀的情况,局部的削坡很容易就引起垃圾土 图5垃圾土场地设计图 的滑塌,而不会造成整体失稳的现象。 本文利用理正岩土软件,采用瑞典条分法对垃圾图边坡 4 结论 稳定性进行整体验算。通过输入上述坡度角和抗剪强度参 垃圾土边坡的变形主要是坡面变形和地基变形,边坡块 数,根据计算出的稳定性系数,和实际情况进行对比,多次反 体主要以坍塌的形式向下滑动或滚动,防治措施要把坡面处 复调整并最终得到比较合理的抗剪强度参数和稳定性系数。 理和地基处理作为重中之重。 经计算,当粘聚力12=12kPa,内摩擦角‘p=25。时,在不考虑 垃圾土抗剪强度参数的选取是整个工程的难点之一,不 地震的情况下,最不利滑动面的滑动安全系数为0.921,比较 同地区、不同土样、不同方法的经验值差异较大,室内试验、 符合实际情况。(如图4) 现场试验又有一定难度和不足,结合具体工程的现场情况反 l 80 9 6 4 20 8 09 1 R 85 演,对现场试验结果进行修正会消除一部分误差。 参考文献 [1]刘晓立,史书阁,朱春英.降雨渗流作用下垃圾填埋场对题稳定 性分析[J].华北科技学院学报,2007,4(1):62—64. [2]谢定义.土动力学[M].西安:西安交通大学出版社,1988. [3]李广信.高等土力学[M].北京:清华大学出版社,2004. 图4最不利滑动面 [4]张振营,吴世明,陈云敏.城市生活垃圾土性参数的室内试验研 同理,考虑地震影响及暴雨影响条件下,该边坡的稳定 究[J].岩土丁程学报,2000,22(1):35—39. 性系数分别为0.83和0.75,说明垃圾土坡面的浅层失稳滑 [5]陈云敏,王立忠,胡亚元等.城市固体垃圾填埋场边坡稳定分析 塌受暴雨影响较大,与实际调查结果基本一致。 [J].土木工程学报,2000,33(3):92—97. [6]张季如,陈超敏.城市生活垃圾抗剪强度参数和测试与分析 3垃圾土边坡的治理 [J].岩石力学与T程学报,2003,22(1):I10一l14. 变形过大和强度不够使稳定性系数不满足安全系数时就 [7]GabrMA,Valero S.N.Geotechnical Properties of Municipal Solid Waste[J].Geotechnical Testing Journa1.ASTM,1995,1 8(2):241 要进行处理。边坡滑塌的诱因有很多,针对具体的工程,就 251. 要从最主要的因素出发,采取主要措施消除或控制其对边坡 [8]Eid H T,Stark T.D,Evans W D,et a1.Municipal Solid Waste Slope 的影响。结合本次工程,主要考虑降雨对坡面的冲刷、渗透, Failure.1:Waste and Foundation Soil Properties[J].Journal of 及垃圾土地基的处理。排水措施主要为修建截水沟、急流 Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2000,1 26(5): 槽、排水沟;坡面采取削坡填方,植被种草,坡脚护脚或用重 397—407. 力式挡土墙处理;地基处理用灰土垫层和钢筋混凝土(详见 图5)。 172