剛果(金)SICOMINES銅鈷礦礦區(qū)邊坡敏感性分析

楊春發(fā),周文斌

(1.華北有色工程勘察院有限公司,河北石家莊050021;2.四川省蜀通巖土工程公司,四川成都610081)

露采礦山邊坡角設(shè)計(jì)及滑坡治理工程中,分析邊坡影響因子的變化與邊坡安全系數(shù)的相關(guān)性,即敏感性分析,不但可以找出邊坡失穩(wěn)的主導(dǎo)因素,而且對邊坡失穩(wěn)災(zāi)害的防治及礦區(qū)坡角優(yōu)化設(shè)計(jì)都具有重要意義。

剛果金SICOMINES銅鈷礦位于剛果金Kolwezi西南約7 km處,擬露天開采。該礦區(qū)與其它礦區(qū)相比較,具有以下特點(diǎn):①礦區(qū)面積大,最終采場邊界線9 970 m,采坑面積5.26 km2,開采深,深度可達(dá)400 m以上,形成深凹高邊坡;②礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜,背斜、向斜、斷層構(gòu)造發(fā)育;③地層巖性差異大,水平方向、垂直向上軟硬相間,完整程度變化大,無明顯規(guī)律,300 m深度下常見土柱狀,散體結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)巖體;④礦區(qū)地表和深部巖土體風(fēng)化強(qiáng)烈,1、2、3級結(jié)構(gòu)面不明顯,4、5級結(jié)構(gòu)面非常發(fā)育。

以上特點(diǎn)決定了礦區(qū)巖土體參數(shù)空間離散性大,難以準(zhǔn)確獲取,進(jìn)行坡角設(shè)計(jì)和滑坡治理時(shí),需要對參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。下面以代表礦區(qū)第6邊坡區(qū)的2-2'剖面為例,考慮巖土體重度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、地下水和坡角等敏感因子,分別進(jìn)行敏感性分析,以獲得礦區(qū)邊坡最合理邊坡角,以及滑坡治理的主要對象。

1 敏感性分析

敏感性分析最早出現(xiàn)在投資項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)評價(jià)中,常作為一種研究不確定性因子的方法。20世紀(jì)90年代,才逐漸應(yīng)用于邊坡工程,大多采用單因子敏感性分析法。敏感性分析是在確定性分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析不確定性因素對邊坡安全系數(shù)的影響及影響程度,其實(shí)質(zhì)是通過逐一改變相關(guān)變量數(shù)值的方法來解釋關(guān)鍵指標(biāo)受這些因素變動(dòng)影響大小的規(guī)律。敏感性因素一般可選擇主要參數(shù)(如巖土體重度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、地下水、坡高、坡角、震動(dòng)等)進(jìn)行分析。若某參數(shù)的小幅度變化能導(dǎo)致安全系數(shù)指標(biāo)的較大變化,則稱此參數(shù)為敏感性因素,反之則稱其為非敏感性因素[1]。

假定邊坡安全系數(shù)Fs為各影響因素的函數(shù),即

則安全系數(shù)對第 i個(gè)影響因素的變化率可表示為

第i個(gè)影響因素的敏感度Si可表示為

ΔFs表示安全系數(shù)差值,Δxi表示第i個(gè)影響因素的差值。

η與Si是有區(qū)別的。η是安全系數(shù)變化量與因子變化量之比,是有量綱的。只能在同一因子間比較大小,不同因子的安全系數(shù)變化率不能比較大小。該指標(biāo)有正負(fù)號,正號表示安全系數(shù)隨著因子增大而增大,負(fù)號表示安全系數(shù)隨著因子增大而減小。敏感度Si是安全系數(shù)變化率與因子變化率之比的絕對值,無量綱。不同因子的敏感度可以比較大小,能反映不同因子引起安全系數(shù)的變化幅度。因此,通過某一因子的安全系數(shù)變化率,可以反映安全系數(shù)變化趨勢;通過因子的敏感度,可以找出最敏感因子,即敏感因素[1～3]。

許文年為了研究邊坡影響因素對安全系數(shù)的敏感性大小,分別將安全系數(shù)推導(dǎo)式(1)中Fs對γ、c、φ求偏導(dǎo)數(shù),即,比較不同 γ、c、φ值下各偏導(dǎo)數(shù)的值(γ、c、φ分別表示巖土體重度、粘聚力、內(nèi)摩擦角),以此確定出各因子的敏感度大小,判定各影響因素對滑坡的不同影響程度,從而可確定邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)及滑坡治理的主要目標(biāo)[4]。

敏感性分析具體計(jì)算可按以下步驟進(jìn)行[5,6]:①按現(xiàn)場原位測試或室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果選取一組基準(zhǔn)土工參數(shù),計(jì)算出該基準(zhǔn)條件下的邊坡安全系數(shù),然后將其中的一個(gè)影響因素在基準(zhǔn)值附近變化,同時(shí)保持其它因素水平不變,計(jì)算出該因素不同取值條件下相對應(yīng)的安全系數(shù)值。②按上述方法,分別計(jì)算出其它影響因素變化時(shí)所對應(yīng)的安全系數(shù)值。③根據(jù)式(3)求解各因素的敏感度Si,分析對比各Si的大小,得出各影響因素對邊坡穩(wěn)定的影響程度大小,從而得到影響邊坡穩(wěn)定的主要因素和次要因素。

2 工程實(shí)例

剛果金SICOMINES銅鈷礦區(qū)位于KOLWEZI市西南約7 km處,地勢起伏較小,為低緩丘陵地貌。礦體埋藏深,平均在地表下380 m左右,緩傾狀,傾向西北,擬采用露天開采方式,勢必形成礦區(qū)高邊坡。其中2-2'剖面邊坡,坡高405 m,坡頂標(biāo)高1 425 m,坡底標(biāo)高1 005 m,上部90 m,原設(shè)計(jì)坡角39°,巖土體受礦區(qū)斷層及Mashamba向斜等地質(zhì)構(gòu)造作用,巖體破碎,呈散體結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu),γ為19.4 kN/m3,c 為 36 kPa,φ為 24°;下部坡高 315 m,原設(shè)計(jì)坡角28°,巖體相對完整,呈層狀結(jié)構(gòu)、次塊狀結(jié)構(gòu) ,γ為24.8 kN/m3,c 為 500 kPa,φ為 35°[7]?？紤]該邊坡巖土體混合,既有上部較厚的土質(zhì)邊坡,又有下部的巖質(zhì)邊坡。整體坡結(jié)構(gòu)面極其發(fā)育,邊坡破壞模式為折面狀,破壞機(jī)理為滑移—拉裂或蠕滑—剪斷—拉裂型。因此,采用Sarma法分析邊坡穩(wěn)定性,得到該剖面邊坡穩(wěn)定性分析圖(見圖1)。

圖1 2-2'原設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性分析圖(Fs=1.443)

2.1 巖土體重度敏感性分析

從圖2可以看出,邊坡安全系數(shù)隨著巖土體重度的增大逐漸減小。安全系數(shù)對土體和巖體重度較敏感,Fs-γ關(guān)系曲線為陡傾直線。其中土體安全系數(shù)變化率為-0.0058 kN/m3,敏感度S平均值為0.102;巖體安全系數(shù)變化率為-0.0044 kN/m3,敏感度S為0.084。

圖2 巖土體重度敏感性分析

2.2 巖土體粘聚力敏感性分析

從圖3、圖4可以看出,邊坡安全系數(shù)隨著巖土體粘聚力增大而增大。安全系數(shù)對土體粘聚力不敏感,Fs-c關(guān)系曲線為對數(shù)直線,變化率為0.0002/kPa,敏感度S為0.009;安全系數(shù)對巖體粘聚力較敏感,Fs-c關(guān)系曲線為直線,安全系數(shù)對粘聚力的變化率為0.0003/kPa,敏感度S為0.118。

圖3 土體c值敏感性分析

圖4 巖體c值敏感性分析

2.3 巖土體內(nèi)摩擦角敏感性分析

從圖5可以看出,邊坡安全系數(shù)隨著巖土體內(nèi)摩擦角的增大而逐漸增大。安全系數(shù)對土體內(nèi)摩擦角不敏感,Fs-φ關(guān)系曲線為直線,近似水平,變化率為0.0001/度,敏感度S值為0.004;安全系數(shù)對巖體內(nèi)摩擦角非常敏感,Fs-φ關(guān)系曲線為直線,變化率為0.0109/度,敏感度 S為0.237。

圖5 巖土體內(nèi)摩擦角敏感性分析

2.4 地下水敏感性分析

計(jì)算中采用2-2'剖面上部邊界水頭1 300 m,坑底水頭1 003 m,通過滲流分析算出的浸潤線為基準(zhǔn)線,上下平移,分別計(jì)算安全系數(shù)。從圖6可以看出,安全系數(shù)對地下水較敏感,隨著地下水位降低而增大,Fs-φ關(guān)系曲線為陡傾直線,變化率為0.0016/m,敏感度 S為0.132。

圖6 地下水敏感性分析

2.5 敏感性綜合分析

由上面計(jì)算分析,可得表1、表2。

表1 邊坡安全系數(shù)變化率

表2 邊坡影響因子敏感度統(tǒng)計(jì)表

(1)巖土體重度的增大將使邊坡安全系數(shù)減小,降低邊坡穩(wěn)定程度;而巖土體粘聚力和內(nèi)摩擦角的增大能提高邊坡安全系數(shù),增加邊坡穩(wěn)定性。

(2)各因子對土坡和巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)變化率的影響差異大。在影響安全系數(shù)變化率的因子中,土體重度大于巖體重度,土體粘聚力小于巖體粘聚力,而巖體內(nèi)摩擦角遠(yuǎn)大于土體內(nèi)摩擦角。

(3)地下水位升高將大大降低邊坡穩(wěn)定性,安全系數(shù)對地下水位較敏感,敏感度介于巖體內(nèi)摩擦角與土體重度敏感度之間。由于計(jì)算中采用單因子敏感性分析,沒考慮地下水位變化,引起其它因子發(fā)生變化,以及地下水滲流作用對邊坡的破壞。考慮這些影響,實(shí)際地下水敏感度比此次計(jì)算的敏感度要大得多。

(4)總體來說,土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性對土體重度反應(yīng)最敏感,粘聚力次之,內(nèi)摩擦角最小;巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性對內(nèi)摩擦角最敏感,粘聚力次之,重度最小。

3 邊坡角優(yōu)化

通過敏感性分析法研究坡角因子對邊坡安全系數(shù)的影響,對礦區(qū)原設(shè)計(jì)邊坡角進(jìn)行了合理優(yōu)化。通過計(jì)算,對具有加陡坡角潛力的邊坡,給出安全系數(shù)限值為1.250,邊坡所能達(dá)到的最大坡角。分析結(jié)果見表3。

表3 2-2'坡角敏感性計(jì)算

從表3可以看出,上部邊坡原設(shè)計(jì)坡角為39°,經(jīng)坡角優(yōu)化,可提高4°;下部邊坡原設(shè)計(jì)坡角為28°,經(jīng)坡角優(yōu)化,可提高14°。與原設(shè)計(jì)相比,該剖面所代表的邊坡區(qū)可減少剝巖量約2.20×106t,按現(xiàn)在的剝巖成本計(jì)算,預(yù)計(jì)節(jié)省剝巖費(fèi)用約5.28×107元,經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

4 結(jié) 論

(1)介紹了剛果(金)礦區(qū)特點(diǎn)。重點(diǎn)論述了敏感性分析的基本概念、分析原理和求解步驟,并以礦區(qū)具體實(shí)例加以說明。

(2)采用坡角敏感性分析,進(jìn)行坡角優(yōu)化,為礦區(qū)提供最合理邊坡角。就2-2'剖面而言,原設(shè)計(jì)邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài),進(jìn)行坡角挖潛,上部可加陡4°,下部可加陡14°,降低了剝離量,大大提高了工程經(jīng)濟(jì)效益。

(3)通過巖土體重度、粘聚力、內(nèi)摩擦角敏感因子分析,土坡重度最敏感,巖質(zhì)邊坡內(nèi)摩擦角最敏感。因此,進(jìn)行滑坡治理時(shí),對于土質(zhì)邊坡,應(yīng)重點(diǎn)考慮土體重度影響,通過削方減載有效提高邊坡穩(wěn)定性;下部巖質(zhì)邊坡,應(yīng)重點(diǎn)考慮巖體內(nèi)摩擦角對邊坡安全系數(shù)的影響,可采用錨固支護(hù),開挖后要及時(shí)支護(hù),同時(shí)做好爆破減震措施,減少對巖體擾動(dòng),保證坡體內(nèi)摩擦角不發(fā)生較大變化。

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[7] 楊春發(fā).剛果金SICOMINES銅鈷礦礦區(qū)工程地質(zhì)報(bào)告[R].石家莊.華北有色工程勘察院有限公司,2010.