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摘要：针对降雨对露天矿山反倾斜边坡稳定性的影响以及滑坡防治问题，以某露天矿山降雨后失稳的反倾边坡为工程背景，分析了边坡失稳的变形破坏机理以及边坡破坏模式；并采用位移监测的方法对边坡上目标点降雨前后的位移过程进行了记录，经过前后对比分析得到了不同目标点在24小时期间的位移量，量化了降雨对于边坡的影响；同时利用极限平衡分析法对潜在破坏区域进行稳定性分析，结果显示：在干燥条件下边坡稳定性系数处于临界值1.0，而在降雨条件下安全系数将低于1.0，计算结果表明此类边坡极易发生事故；最后基于理论分析并结合工程实际确定了该失稳边坡工程安全、经济的治理方案，同时也为类似矿山的安全、高效生产提供借鉴和参考。
关键词：露天矿；反倾边坡；降雨；破坏模式；极限平衡分析法
Stability Analysis and Treatment of Open-pit Anti-dip Slope Under Rainfall
Abstract：Aiming at the influence of rainfall on the stability of open-pit anti-dip slope and the prevention and treatment of slope instability，taking the instability of an open-pit mine slope after rainfall as the engineering background，the deformation failure mechanism and the failure mode of the slope instability were analyzed；The displacement monitoring method was used to record the position of the same target point on the slope before and after the rain.After comparative analysis before and after，the displacement of target points during the 24-hour period was obtained，and the impact of rainfall on the slope was quantified；The limit equilibrium analysis method was used to analyze the area above the damaged area，the safety factor just reached the critical value of 1.0 under dry conditions and the safety factor was lower than 1.0 under rainfall conditions，hence the slope was extremely prone to accidents；Finally，based on the theoretical analysis and combined with the actual project，a safe and economical treatment plan for the unstable slope project was determined，which provided a reference for the safe and efficient production of similar mines.
Keywords：Open-pit mine；Anti -dip Slope；Rainfall；Destruction mode；Limit equilibrium analysis method
1引言
露天矿山的边坡稳定性对于矿山的安全生产意义重大，边坡的不可控失稳将会对作业人员的安全和矿山的生产运营造成重大影响。因此，对边坡的稳定性进行科学有效的分析，可以为露天矿山生产作业提供有力的技术支撑并有效防止灾害的发生。
近年来，边坡的稳定性和破坏机理、水对边坡稳定性的影响等一系列问题引起了国内外有关学者的高度关注[1-5]。本文以某露天矿山为例，通过矿区地质条件以及岩石的风化状况的综合分析，并结合降雨过后边坡的位移监测和边坡破坏形式，对降雨导致的边坡失稳机理进行了具体阐述。并且以滑动面演化过程为基础，建立边坡变形破坏的模型，通过极限平衡分析的方法研究了降雨对边坡稳定的影响，从而得出稳定性判据与失稳准则。最后基于综合评估得出已失稳边坡的经济性处理方案。
本文为该工程的边坡失稳控制以及边坡失稳后的应对措施提供了可靠的依据，同时对类似该露天矿的边坡工程有着一定的借鉴意义。
2 研究区域地质特征
2.1 矿山概况
该露天矿为某大型有色金属矿山，矿山位于厄立特里亚北部的山区（如图1），该矿位于陡峭的西倾山坡上。矿山的气候为半干旱至干旱，干湿季节明显，大部分年度降雨发生在4月至9月之间。历史记录显示，日降雨量超过25毫米的降雨事件预计每年会发生几次，强降雨将会引起不同程度的自然灾害，对矿山的安全生产具有一定的威胁。
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图1.某金属矿山地表地形图
2.2 地质条件
该矿区主要地层位于前寒武纪褶皱带内，该褶皱带倾向北东。矿山陡倾地层涉及的岩性主要由细花岗岩、变质岩、长英质火山岩熔岩、火山碎屑沉积物和镁铁质岩等，该地质区域模型的横截面如图2所示。
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图2.地质区域模型剖面（北向）
风化程度对岩体的强度和性能有着重要影响，因此对边坡设计和边坡稳定性分析来说，了解风化的程度和深度有着重要的意义。该矿区风化模型至少至少包含4个区域：1）高度风化区，包括土壤和受风化作用的表层岩石；2）中等风化区，岩石基本上被氧化，岩石强度明显降低，节理面主要为黏土或氧化物充填；3）轻度风化区，受氧化和风化影响的主要局限于节理面和断裂面区域；4）无风化区，岩石或其结构很少或没有氧化或强度损失的迹象。
该矿区主要边坡揭露的地形特征显示：在表土层下存在一个高度风化的岩石带，在高风化区岩石带下方位中度风化区，中度风化带的位置和深度变化较大，并受岩石类型和结构控制，由于风化引起的膨胀会增强了水向中等风化区内节理的渗透，因此该区域内的强度显着降低。最后地层由中等风化区向轻度风化区和正常岩石区逐渐过渡。如图3所示，该地形可以观察到比较明显的暴露风化面。
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图3.东北端暴露风化边界
2.3构造特征
该矿区的矿床位于NNE向的元古代褶皱带中，由中上部绿片岩相变质沉积物、变质火山岩、火山沉积凝灰岩和镁铁质火成岩以及长英质侵入岩组成。对矿区东部边坡台阶北段主要构造的代表性样本进测绘并收集了相关的数据，对东部边坡的构造分析可知一共存在四组结构面：第一组结构面为发育良好的、陡峭的、东倾向的低摩擦片状理面，结构面长度为2-20 m，结构面之间的间距为0.2-2 m，并且结构面相对光滑；第二组结构面为潜在滑动面；第三组结构面为高度平整的永久性东西走向节理；第四组结构面为西至西南方向的剪切面和断层。东坡岩体的构造分析表明，由于以上结构面的存在使得边坡极易发生破坏。因此，该矿区东部反倾边坡在构造层面具备了发生滑坡失稳的必要条件。
3 边坡变形及破坏机理
3.1 边坡风险检测
某日该露天矿山经历了强降雨事件，为评估降水事件对露天边坡稳定性的影响，对Cut 3区域的高边坡和上部坡道进行了风险监测评估（如图4），图4中红色的点代表检测的目标点。经过24小时的监测发现有些目标点出现了较大的运动，移动的方向如图5所示。边坡移动的具体数据如表1所示，表1的数据量化了降雨对于边坡影响。监测数据表明本次降雨对边坡的稳定性有显著的影响，为矿山的安全生产带来了巨大的隐患。
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图4.本次测量的目标点和岩土结构
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图5.由测量结果得到的目标点24小时的移动方向
表1.24小时期间目标点的移动汇总表（mm）
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注释：X，Y，Z分别为三维坐标系的三个方向，具体方向如图3左下角所示。
通过对坡道的实地考察，观察到Cut 3以上的旧坡道（旧Cut 4通道）的大部分的裂缝正在扩大，并且在24小时内有显著的移动。在坡道的北方向有一个较大的裂缝出现，并且它表现出一个向西方向和上升的运动。并且通过考察发现在从底部和上部坡道之间的高边坡部分发生楔形破坏，这次事故严重的影响了矿山的安全生产。
3.2 边坡破坏模式
降雨后该矿区的东部边坡发生失稳，主要破坏机制为岩石倾倒，破坏是由高强度降水事件引起的雨水侵蚀反倾斜边坡引起的。降雨事件导致了反倾边坡节理构造面抗剪强度突然丧失，使得东部边坡出现了大面积的坍塌（如图6a），这次破坏导致大约5×105 m3的岩石倾覆。并且通过图6a可以观察到本次边坡破坏不仅直接对破坏区造成了影响，并且破坏区上方的台阶因为受力发生改变从而产生失稳，从图6b观察到的失稳区形成的次生拉裂缝也更好的证实了这一点。图6c为破坏区模型，从该图中可以观察到这次破坏的深度约为40m，并且在破坏区上方的台阶边坡也由于下部反倾斜边坡的失稳产生了破坏。
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图6.（a）破坏区和失稳区；（b）失稳区形成的新拉裂缝；
（c）破坏区模型和破坏深度
3.3 边坡破坏原因分析
针对本次反倾斜边坡的失稳事件，为快速恢复矿区开采建设并预防此类事故的再次发生，对边坡失稳机理进行了系统的分析。本文中将该类反倾边坡工程稳定性的影响因素分为外部因素和内部因素。
3.3.1 内部因素
边坡岩土体的力学性质决定边坡的稳定性和破坏模式，而该边坡存在风化的夹层和岩性较差的砂岩，使得边坡容易发生失稳。并且边坡内部存在不同的结构面，不同结构面的产出状态会影响边坡的稳定性，结构面通过岩土体不均匀性对边坡的应力场发生了作用，从而造成结构面周围的应力发生集中，因此发生变形和破坏。并且该边坡破坏区域的上部明显存在一个陡坡，该陡坡的倾角超过了设计的安全角度，该陡坡的存在是边坡破坏的重要原因。
3.3.1 外部因素
主要分为风化因素和降雨因素。风化作用造成岩石的岩性发生改变，次结构面因为风化作用产生裂隙，岩石的力学性能下降使得边坡的稳定性降低，并且随着时间的推移本身稳定的边坡也可能因为风化作用发生失稳。降雨因素是影响边坡破坏的重要因素[6]，降雨对边坡稳定性影响主要分为两个方面：（1）降雨后的雨水入渗会与岩土发生化学反应导致岩土的松软，从而影响边坡的稳定性。（2）降雨对边坡产生物理作用。从微观角度来看，雨水进入坡体内部从而破坏岩石颗粒内的胶结，使得颗粒间的胶结作用力减弱；从宏观角度来看，雨水渗入裂缝导致坡体的下滑力增加并且抗滑力降低。
4 边坡稳定性分析及治理方案
4.1 边坡稳定性分析
此次边坡失稳事件同时暴露的相应的安全隐患，即下部边坡失稳破坏后造成破坏区上方台阶有效倾角的增大，这使得东部边坡的稳定性明显降低，并且在破坏区上方形成了拉伸裂缝。因此，破坏区的上方台阶稳定性可能会随着时间推移产生进一步劣化，并产生类似破坏。为评估边坡的稳定性，我们对破坏区以上的边坡采取极限平衡分析[7]。极限平衡法是一种比较常见的用来分析边坡在各种破坏模式下的受力状态以及边坡抗滑力和下滑力之间关系来判断边坡稳定性的计算方法，通过计算得到的安全系数可以用来反映边坡稳定性。当张裂缝出现时，边坡极限平衡分析示意图如图7所示。
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图7.有张裂缝的平面滑坡
图中
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表示边坡高度，m；
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表示张裂缝深度，m；
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表示张裂缝的充水深度，m；
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和
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分别表示边坡面和滑动面倾角，（°）；
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表示张裂缝与坡顶线之间的距离，m。
根据Heok，E.T和Bray，J.W的极限平衡理论[19]，安全系数
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的表达式为：
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（1）
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为滑动面黏聚力，KPa；
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表示滑动面倾角，（°）；
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为滑动面摩擦角，（°）；
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为滑动面长度，m；
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为滑动体自重，N；
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为滑动面水压力造成的上举力，kN；
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为张裂缝中水压产生的推力，kN。
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可以根据滑动体自身的物理参数算出，
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，
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，
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是根据图5数据计算的参数。
根据边坡以及张裂缝的实际条件，通过上式带入计算得出分析结果，在干燥条件下，边坡的安全系数为临界值（1.0±0.1）。但在降雨潮湿的情况下，安全系数将小于1.0，这对于采矿安全造成了极大的威胁。
4.2 露天矿山破坏的治理方案
4.2.1 治理方案确定原则
由于破坏区域的上部边坡极不稳定，为此将制定可行性方案以便矿山快速恢复生产运营，方案制定应遵循以下原则：
（1）保证开采安全可靠，采矿的安全是进行工作的前提；
（2）在充分考虑矿山已具备的生产技术条件下，力争采矿工艺简单、技术成熟可靠；
（3）建设周期短、投资省、成本低、经济效益好。
4.2.2 治理方案的说明以及实施时的注意事项
根据以上的原则制定了相对安全可靠的技术方案，即东部边坡削减方案：从图4可以观察到边坡破坏的深度约为40 m，坡面的削减应该至少从坡面往后40 m，从而达到消除陡坡的目的，保证露天矿山的安全生产，如图8所示。
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图8.边坡削减示意图
注意事项：（1）在破坏区域上方的边坡已经处于极限稳定状态，在施工时应注意防止比较剧烈的扰动以防止边坡失稳；（2）为了能实时监测斜坡的稳定性，确保采矿设备和工人安全作业，应当采取边坡监测系统坡稳定性雷达或连续激光光学扫描仪系统，并配置相应的警报阈值以保证边坡治理期间的作业安全；（3）如果与边坡监测结合进行工作，削减坡度至少需要将总坡度角减小到39°；（4）失稳边坡可能受渗水的影响，在降雨的时候会发生进一步失稳，对此应采用斜坡降压，以减轻降雨期间渗水的影响。
5 结论
本文分析并总结了某露天反倾边坡的节理发育特征、边坡失稳机理、次级边坡稳定性以及治理方案，得到以下结论：
（1）针对东部边坡的构造分析表明，四组结构面的组合使得边坡稳定性显著下降，并且由于节理构造的存在该边坡存在弯曲倾倒破坏的必要条件。
（2）基于综合评估可获得反倾边坡失稳的内部因素和外部因素。对于由降雨导致的边坡外部失稳因素，经过边坡位移监测分析可知，由于降雨侵蚀节理面将使得边坡产生明显的整体位移，并且根据实际的勘察分析可得降雨会导致边坡出现不同程度的次生拉裂纹甚至是楔形破坏。
（3）采用极限平衡分析法，分析了本次边坡失稳之后破坏区上方的台阶边坡稳定性，在干燥状态下的其边坡稳定性安全系数处于临界值1.0，当在降雨条件下该安全系数将会低于1.0，极易造成次生的边坡失稳。
（4）结合矿区的地质条件以及本次边坡失稳对矿区生产运营的影响，在考虑安全、可行、经济和高效的条件下提出了东部边坡削减的方案，并阐述了该方案需注意的具体事项，为类似露天矿山的安全、高效开采提供了相应的参考。
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