斷層高陡邊坡穩(wěn)定性分析及加固設(shè)計

戴 欣，朱建方，任 文

（濟南市市政工程設(shè)計研究院（集團）有限責任公司，山東濟南 250101）

0 前言

隨著露天開采深度的增加,露天坑越來越深,開采難度越來越大,剝采比明顯變大,高陡邊坡問題也變得越來越嚴重,尤其是受斷層、裂隙等影響的高陡邊坡。不穩(wěn)定邊坡受到外界包括降雨、爆破振動等影響后較容易發(fā)生破壞，變壞后輕則影響局部的正常生產(chǎn)，重則造成重大的生命、財產(chǎn)損失甚至是導致整個礦井無法生產(chǎn)。目前國內(nèi)許多露天礦面臨類似的問題，如武鋼的大冶鐵礦等，在露天開采的后期邊坡穩(wěn)定問題尤為突出[1-3]，一是原始邊坡受到采動和爆破等的影響巖體強度降低，節(jié)理、裂隙增多。二是為了追求較大的資源利用率和經(jīng)濟效益，邊坡角度也在開采的過程中不斷變大[4-5]。

本邊坡主要由中等風化的大理巖組成。邊坡大理巖的風化差異很大，表層局部已呈全風化，節(jié)理裂隙很發(fā)育，松動的巖體在采場爆破及大氣降水等誘因作用下，易產(chǎn)生滑塌、崩落。在邊坡上部及周邊已形成過多次的垮塌及滑坡，很多地方的邊坡由于垮塌導致雙或三臺階自然并段。在該段邊坡上的楔形體主要由兩條斷層控制，其產(chǎn)狀分別為346°∠65°、58°∠65°，邊坡的走向近于280°產(chǎn)狀為10°∠90°。因此對該部分邊坡進行穩(wěn)定性分析和加固設(shè)計是很有必要的，特別是對于保障正常的生產(chǎn)和生命財產(chǎn)安全起著重大意義。本文采用加拿大GEO-SLOPE公司研制的巖土工程分析軟件的SLOPE/W模塊對邊坡穩(wěn)定性進行評價和分析。

1 邊坡穩(wěn)定性模擬方案

1.1 降雨情況

本研究區(qū)屬山區(qū)谷地亞熱帶半干燥氣候，一年分雨旱兩季，每年的5月底或6月初至10月中下旬為雨季，其余時間為旱季，雨季降水量占全年降水量的90%以上。四年中年平均降雨量為1 005.2 mm，月最大降雨量是515.7 mm，日最大降雨量是126 mm。因此可以說礦區(qū)降雨具有雨量集中、降水強度大的特點，這就使得雨季地下水能得到大氣降水的連續(xù)補給，地下水位有明顯抬高。

1.2 模型設(shè)計

邊坡穩(wěn)定性計算一般可以簡化為平面問題，用平面計算結(jié)果近似代替三維計算結(jié)果，計算剖面的選取要與下部的礦體和采礦工程建立必要的聯(lián)系。根據(jù)模擬范圍的確定原則：在采礦期間，模擬的最小范圍應(yīng)該是應(yīng)力擾動不會波及到的邊界，亦即周邊始終保持初始應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)采場地質(zhì)圖、巖石物理力學性質(zhì)等有關(guān)地質(zhì)采礦資料確定與研究對象和研究任務(wù)相適應(yīng)的模型，本試驗?zāi)Ｐ徒孛娉叽鐬?30 m×150 m。

1.3 數(shù)值模擬計算

共分三組進行模擬，其中第一組不加固、無降雨影響，第二組不加固，有降雨。第三組有加固、有降雨。其余參數(shù)均相同。

邊坡中根據(jù)巖性的不同分為大理巖、局部有巖漿侵入形成的輝長巖透鏡體、斷層結(jié)構(gòu)面，具體的巖石力學參數(shù)見表1。

表1 巖石力學參數(shù)

2 邊坡穩(wěn)定性模擬結(jié)果分析

2.1 第一組方案模擬

第一組情況主要模擬在正常情況下，即在正常的地下水位和無降雨的影響。建立的初始模型見圖1。

圖1 初始模型圖

輸入所需的巖石參數(shù)后，運行軟件得出此條件下的安全系數(shù)和危險滑移面。計算出的最小安全系數(shù)為1.14，最危險的滑移面見圖2。由圖2可以看出此邊坡屬于不穩(wěn)定邊坡，最小安全系數(shù)只有1.14。邊坡受斷層影響容易在斷層附近產(chǎn)生滑移。特別是在邊坡受到外界影響的情況下很容易發(fā)生垮落。

圖2 有地下水作用滑移面

2.2 第二組方案模擬(無加固有降雨的條件)

此時計算出的安全系數(shù)為1.07，此時邊坡已處于臨危狀態(tài)。最危險的滑移面見圖3。極有可能發(fā)生垮落和滑移。在受降雨影響的時候，邊坡巖體，特別是斷層破碎帶由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為破碎，均為破碎的巖石結(jié)構(gòu)，在遇到強降雨時通過邊坡裂隙滲入到斷層內(nèi)，使原本就較為破碎的巖體更加破碎。雨水滲入后，通過弱化巖體，泥化軟化滑帶，粘土礦物的水化作用導致粘著力降低，使軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強度明顯降低，最終導致邊坡的滑落。

2.3 第三組方案模擬（有加固、有降雨的條件）

錨固設(shè)計依據(jù)：

圖3 受降雨影響的滑移面

（1）剩余推力的計算和基本物理力學參數(shù)：楔形體體積約36 743.44 m3，重約9.355萬t。

剩余推力法的平衡表達式：

式中：ψi——第i條塊的推力傳遞系數(shù)；

Ei——第i條塊的剩余推力；

Wi——第i條塊的重量；

αi——第i條塊的滑面內(nèi)聚力；

φi——第i條塊的滑面摩擦角；

ci——第i條塊的滑面內(nèi)聚力；

Li——第i條塊的底面長度；

k——穩(wěn)定系數(shù)。在計算過程中，若出現(xiàn)Ei小于零對下一條塊取Ei=0。

因為模型假定條塊間不承受相互的拉力作用，帶入數(shù)據(jù)由上式算出的剩余推力為17 640 kN。加固前安全系數(shù)為1.15，加固后安全系數(shù)為1.30。

（2）錨桿支護設(shè)計

根據(jù)目前常用的巖石邊坡支護錨桿種類，初步選用直徑Φ32，抗剪強度為340 MPa的錨桿。

錨桿受力計算如下：

a.錨桿承載力計算

式中：[σ]——設(shè)計強度。根據(jù)目前常用的錨桿種類，抗拉強度270 kN。

b.砂漿同錨桿間握裹力計算

式中：T2——鋼筋與砂漿間抗剪強度；

d——錨桿換算直徑；

L效——錨桿有效錨固長度；

T2=KR（R為砂漿極限抗壓強度），K取0.5～0.55，若取M20砂漿，L效取5 m時，則單根錨桿可提供的極限抗力可達1 004.8 kN以上。

c.砂漿同孔壁摩阻力

式中：T3——砂漿同孔壁平均摩阻力；

D——孔徑。取D=110 mm，T3=500 kPa，L效取5 m則有P3=863 kN。取小值863 kN。取安全系數(shù)1.5，則每根錨桿可承擔575.3 kN的極限抗拔力。

d.錨固力提供的抗滑阻力的確定

式中：P——錨固力；

Pn——錨固力沿滑面的法向分量；

PT——錨固力沿滑面方向的分量；

α——滑面傾角；

θ——錨桿與水平方向的夾角。根據(jù)計算結(jié)果，滑坡傾角65°，φ為滑面內(nèi)摩擦角，φ=12°，θ取與水平方向夾角 22°，P取575 kN，則有Fp=142 kN。為安全考慮，取單根錨桿提供142 kN的抗滑阻力進行設(shè)計，需要錨桿的數(shù)量為 N＝G/Fp=17 640/142=125。

有加固和降雨時，模擬見圖4、圖5。

此時所計算出的最小安全系數(shù)為1.307，符合安全生產(chǎn)要求。對加固坡面設(shè)立觀測標志，進行必要的位移觀測，并應(yīng)在邊坡局部進行掛網(wǎng)以防止小范圍垮落。

3 結(jié)論

（1）數(shù)值模擬過程中根據(jù)在不同條件下對邊坡進行了穩(wěn)定性研究，第一種情況是在無加固無降雨時邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.14，此時邊坡處于危險狀態(tài)很容易在外界因素的干擾下發(fā)生滑坡。第二種情況是在無加固有降雨的情況下得出邊坡的安全系數(shù)為1.07。此時邊坡已處于臨界狀態(tài)，極易發(fā)生危險。第三種情況是在有加固有降雨的情況下，安全系數(shù)為1.307此時為邊坡為安全的。并應(yīng)在表面進行掛網(wǎng)支護。

（2）以極限平衡法為基礎(chǔ)，把邊坡內(nèi)斷層、軟弱夾層，地下水位，和降雨對地下水位的影響等外界因素考慮在內(nèi)，更真實的反應(yīng)了現(xiàn)場實際狀況，提高了模擬的真實度。

圖4 錨桿加固時的模型

圖5 受降雨影響的滑移面

（3）對不穩(wěn)定邊坡根據(jù)剩余推力法和相關(guān)設(shè)計規(guī)范進行了錨固設(shè)計，通過模擬來印證了設(shè)計的合理性和安全性，并應(yīng)加強監(jiān)測工作，隨時掌握邊坡失穩(wěn)的前兆。

[1]蔡美峰,劉相壽,黃志彬.巖石力學與工程[M].北京:科學出版社,2002.

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[4]鄭濤,張玉燈,毛新生.基于Geo-Slope軟件的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J].水利與建筑工程學報,2008,6(1):6-8.

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