露天邊坡大型滑坡穩(wěn)定性分析與治理方案

賈住平 鄭祿璟 鄭祿林

(1.貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550023；2.貴州錦豐礦業(yè)有限公司，貴州 貴陽 550027；3.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

露天邊坡大型滑坡穩(wěn)定性分析與治理方案

賈住平1鄭祿璟2鄭祿林3

(1.貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550023；2.貴州錦豐礦業(yè)有限公司，貴州 貴陽 550027；3.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

針對錦豐露天金礦西部運礦道大型滑坡，從地質(zhì)構(gòu)造、水、風(fēng)化、爆破及采礦活動等多方面進行滑坡原因分析，提出預(yù)應(yīng)力長錨索、噴錨網(wǎng)、抗滑樁、重力式擋墻及泄水泄壓孔對滑坡進行綜合治理，毛石混凝土分層回填修復(fù)西部運礦道的方案。應(yīng)用巖石力學(xué)軟件Slide 對修復(fù)后的運礦道邊坡進行模擬，從理論上分析修復(fù)后的邊坡穩(wěn)定性，模擬結(jié)果顯示邊坡最低安全系數(shù)為1.13，大于邊坡破壞安全系數(shù)1.0。采用機器人監(jiān)測系統(tǒng)Autoslope和地質(zhì)雷達監(jiān)測系統(tǒng)Radar Monitoring System對邊坡進行變形監(jiān)測，監(jiān)測精度最高可達0.1 mm；經(jīng)過1 a多的監(jiān)測,結(jié)果顯示邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。理論分析和實際監(jiān)測結(jié)果表明：①采用長錨索、噴錨網(wǎng)，抗滑樁、重力式擋墻及泄水泄壓孔對滑坡進行綜合治理具有良好的加固效果；②毛石混凝土分層回填對大型滑坡進行處理效果明顯。該處理方法在相關(guān)滑坡治理中具有一定借鑒意義。

露天邊坡 滑坡 邊坡穩(wěn)定性分析 邊坡治理 邊坡變形監(jiān)測 Slide軟件分析

隨著采礦技術(shù)的不斷提高，露天采礦深度和邊坡角度也不斷增大，邊坡的穩(wěn)定性成為露天采礦關(guān)注的重大問題。貴州錦豐露天金礦巖石類型主要為泥巖、砂巖及泥巖和砂巖的互層結(jié)構(gòu)，巖體具有強度低、較破碎、易風(fēng)化崩解、遇水易泥化等特點。開采過程中，邊坡的東南西北4個方位都出現(xiàn)不同程度的失穩(wěn)破壞，以西部邊坡最為嚴重。

1 工程概況

1.1 滑坡概況

錦豐露天金礦西部運礦道路發(fā)生滑坡，滑坡體面積約650 m2，體積約5 000 m3，高35 m(從運礦路560 m到525 m平臺)?；聦?dǎo)致西部運礦道路完全中斷，生產(chǎn)被迫中止。如圖1所示。滑坡段原設(shè)計臺階高20 m，平臺寬8 m，臺階坡面角55°。

圖1 西部運礦道路滑坡Fig.1 The collapse of the west haul road

1.2 工程地質(zhì)概況

錦豐露天礦區(qū)處于賴子山背斜東翼的鼻狀突起部位，其礦床主要賦存于北東、北西向斷裂帶中。礦區(qū)巖層主要為中三疊統(tǒng)邊陽組、尼羅組、許滿組沉積巖，其巖性總體上以砂巖、黏土巖為主，其中砂巖單軸抗壓強度為27～59 MPa，黏土巖單軸抗壓強度為21.1～37.2 MPa，在分布上砂巖、黏土巖構(gòu)成厚薄不均的互層。工程地質(zhì)調(diào)查表明，巖體質(zhì)量分類指標值Q介于0.8～42.0。

礦區(qū)內(nèi)規(guī)模較大的褶皺有林壇背斜、爛泥溝向斜及上冗半向斜。次有北東、北西西向、近東西向的褶曲疊加于上述北西向主體褶皺構(gòu)造之上，以及與主干斷裂構(gòu)造伴生的同斜褶曲、倒轉(zhuǎn)褶曲、平臥褶曲等。

礦區(qū)范圍內(nèi)斷裂構(gòu)造極其發(fā)育，主要有北西向、北東向及南北向3個走向組。北西向組主要有F14、F5、F3、F4、F6、F8、F20，廣布于礦區(qū)中部、東部及北部，為礦區(qū)之主體構(gòu)造；北東向組斷裂構(gòu)造主要有F2、F13、F10；南北向組有F1、F9、F7等。其中F2、F3、F5、F6、F8是影響礦區(qū)邊坡穩(wěn)定的主要斷層。

1.3 氣候條件

錦豐礦區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，冬無嚴寒，夏季炎熱。據(jù)錦豐現(xiàn)場2008—2013年氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，年平均氣溫為24.9 ℃，最低月平均氣溫為11.8 ℃(1—2月)，最高月平均氣溫33.4 ℃(7—8月)。年蒸發(fā)量1 408 mm，年降雨量1 118.80 mm，降雨量多集中在5—9月，降雨量達872.10 mm，占全年降雨量的77.95%。單日最大降雨量為224 mm。

2 滑坡原因分析

經(jīng)過對露天西部邊坡的深入分析，其滑坡的主要原因可分為以下幾個方面。

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

巖體結(jié)構(gòu)面是巖體在形成過程中或開裂之后出現(xiàn)的具有一定產(chǎn)狀、規(guī)模、形態(tài)和特性的面、縫、層、帶狀的地質(zhì)界面,包括斷層、節(jié)理、裂隙、軟弱夾層及層間錯動等。結(jié)構(gòu)面使巖體表現(xiàn)出非均質(zhì)、不連續(xù)、各向異性的特征，對巖體的變形、破壞發(fā)展具有直接影響。

西部運礦道滑坡處于主要控礦斷層F2和F3交匯處，節(jié)理和裂隙發(fā)育，巖體極其破碎。此處巖性主要為砂巖和泥巖互層，厚度為0.2～0.8 m。滑坡發(fā)生在泥巖軟弱面與次生斷裂相交形成的圓弧形滑動面上。

影響滑坡的次生斷裂產(chǎn)狀為86°∠283°，另外2組主要節(jié)理面產(chǎn)狀分別為70°∠127°，50°∠160°。滑坡體上部邊坡角度較陡，下部較緩，使得滑坡下滑分力較大。如圖2。

圖2 滑坡體剖面Fig.2 The cross view of the collapse

2.2 水的影響

水是影響露天邊坡穩(wěn)定性的主要因素，包括地表水和地下水，地表水又可通過滲流轉(zhuǎn)為地下水。根據(jù)歷年數(shù)據(jù)，錦豐金礦露天邊坡的失穩(wěn)破壞60.3%發(fā)生在雨季(5—9月)，并且邊坡失穩(wěn)與降雨量的大小密切相關(guān)。水的影響主要包括靜水壓力、動水壓力和軟化。

西部運礦道滑坡前1周連續(xù)降雨，降雨量達到153 mm。大量雨水進入邊坡，使地下水位升高，增大靜水壓力；雨水沖刷巖體軟弱層，產(chǎn)生動水壓力，同時軟化軟弱巖層，降低巖層之間的摩擦力。

2.3 爆 破

爆破是在邊坡的靜態(tài)載荷基礎(chǔ)上施加動態(tài)作用，從而改變邊坡巖體的內(nèi)部應(yīng)力。爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波對爆破漏斗以外巖體造成損傷，包括促使裂紋的產(chǎn)生、擴展和惡化。

滑坡前1 d，在滑坡體下方525 m水平進行生產(chǎn)爆破，該處爆破孔排距分別為4 m和5 m，鉆孔深5 m，孔徑115 mm，炸藥量為3 650 kg，爆破作業(yè)為上方滑坡的發(fā)生增加了潛在隱患。

2.4 生產(chǎn)作業(yè)

生產(chǎn)作業(yè)對邊坡穩(wěn)定性的影響主要包括開挖和運輸。錦豐露天金礦采用PC1250挖掘機和HD605卡車裝運，大型機械設(shè)備作業(yè)對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。西部運礦道屬于永久性運礦道路，是所有運礦卡車及設(shè)備的必經(jīng)之路，頻繁使用給道路穩(wěn)定造成一定影響。尤其大型卡車運輸時，最大負荷可達到115 t，對運礦道路的穩(wěn)定構(gòu)成威脅。

3 道路恢復(fù)治理方案

西部運礦道路是露天礦生產(chǎn)的主要運礦道，道路中斷導(dǎo)致整個露天生產(chǎn)被迫中止。為了盡快恢復(fù)露天生產(chǎn)，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，從施工安全、邊坡穩(wěn)定性及修復(fù)時間等方面綜合考慮，確定了如下的滑坡清理加固和運礦道路修復(fù)施工方案。

3.1 滑坡清理與基巖加固

根據(jù)現(xiàn)場使用的設(shè)備能力和滑坡狀況，首先選用質(zhì)量較輕的PC400挖掘機對滑坡體進行清理，清理從上至下沿滑坡軟弱面開挖，每層開挖2.5 m。清理過程中將塌方料逐層向下甩，在清理基巖面的同時滑坡體下部也得以加固。清理過程中時刻保持外界與滑坡區(qū)域的應(yīng)急道路暢通，防止大雨及二次滑坡等突發(fā)情況給現(xiàn)場人員及設(shè)備造成安全風(fēng)險。邊坡清理完成后對滑坡體后方深部邊坡的基巖進行加固，主要目的是防止后繼滑坡。加固措施主要有長錨索、抗滑樁、噴漿及鋼網(wǎng)，并采用泄水泄壓孔疏導(dǎo)地下水和釋放壓力。主要作用機理及技術(shù)參數(shù)如下。

3.1.1 長錨索+鋼網(wǎng)加固

(1)作用機理。預(yù)應(yīng)力長錨索加固深度大，能夠通過水泥漿的黏結(jié)作用將潛在滑坡體錨固于穩(wěn)定的巖體中，對潛在滑坡體提供正應(yīng)力，從而提高邊坡抗滑力以達到穩(wěn)定狀態(tài)；鋼網(wǎng)將錨索連接在一起，形成一個加固體系。

(2)技術(shù)參數(shù)。長錨索長度10 m,錨索孔直徑115 mm，每孔安裝2根鋼絞線，鋼絞線直徑15.24 mm。長錨索孔水平間距2 m，垂直間距2.5 m(第1排距坡頂線1.5 m)。鋼網(wǎng)規(guī)格5 m×2.6 m(長×寬)，網(wǎng)度20 cm×20 cm。

(3)應(yīng)用效果。長錨索有效加固了邊坡，使其處于穩(wěn)定狀態(tài)；鋼網(wǎng)防止了浮石滾落，確保下方施工安全。

3.1.2 抗滑樁

(1)作用機理?？够瑯犊辜魪姸却螅m用于具有潛在軟弱滑動面的邊坡加固，屬于被動的加固方式。

(2)技術(shù)參數(shù)?？够瑯犊咨?2 m，孔徑115 mm，孔距2 m，分別安裝在540 m和525 m水平，方向與水平方向夾角75°(便于施工且盡量垂直于巖層面)?？够瑯恫牧喜捎?0#工字鋼，全孔灌注水灰比為0.35的純水泥漿。

(3)應(yīng)用效果。通過在540 m水平和525 m水平分別安裝1排抗滑樁，為滑坡體下方基巖的穩(wěn)定提供了有力保障。

3.1.3 噴 漿

(1)作用機理。噴漿支護使?jié){體滲入并充填巖體節(jié)理、裂隙等巖體構(gòu)造，防止構(gòu)造進一步惡化，可增強支護區(qū)域巖體本身的強度，同時防止巖體風(fēng)化脫落。

(2)技術(shù)參數(shù)。噴射混凝土厚60 mm，28 d單軸抗壓強度大于15 MPa。

(3)應(yīng)用效果。清理出的基巖面局部區(qū)域巖體破碎，采用噴漿支護后，有效防止了碎石掉落，從而保證了下方作業(yè)人員及設(shè)備的安全。

3.1.4 泄水泄壓孔

雨水下滲進入構(gòu)造破碎帶后對邊坡穩(wěn)定造成極大影響。泄水泄壓孔可疏引地下水，同時降低邊坡內(nèi)水壓和氣壓。采用仰斜泄水孔進行排水，減小地下水壓效果尤其明顯。泄水孔參數(shù)主要為7 m×5 m×30 m(排距×孔距×孔深)，上向傾斜5°～10°，采用扇形布置，在泄水孔中插入PVC排水管(PVC管表面按一定參數(shù)鉆小孔，泄水孔內(nèi)的水經(jīng)由小孔流入PVC管內(nèi))。

3.2 運礦道修復(fù)方案

根據(jù)錦豐露天礦采礦設(shè)備運行要求及實際情況，確定修復(fù)后的道路規(guī)格為寬10 m的單車道。由于現(xiàn)場巖石自然安息角為37°，為確?；靥詈筮吰碌姆€(wěn)定性，確定回填后整體邊坡角度為35°。運礦道的主要修復(fù)方案如下。

3.2.1 重力式擋墻

(1)場地準備。用PC1250挖機將525 m平臺的虛渣清理至見硬底，平均深0.6 m。

(2)安裝抗滑樁。以清理后的場地為基礎(chǔ)，安裝2排抗滑樁，抗滑樁孔深4 m，孔徑115 mm，10#工字鋼長6 m，安裝后4 m埋于地下，2 m露出地表。抗滑樁排距2 m，間距2 m，交叉布置。在擋墻中加入抗滑樁能夠有效提高擋墻的抗傾覆能力。

(3)擋墻修建。在清理過的基巖面上采用強度為M15的漿砌片石分層澆筑，擋墻總長56 m，高4 m，底寬1.5 m，頂寬1.0 m。每隔15 m設(shè)置1條伸縮縫，縫寬20 mm。

3.2.2 滑坡區(qū)回填

采用摻入一定比例混凝土的砂巖進行回填以修復(fù)運礦道路，混凝土可提供給回填體較高強度，從而提高其整體穩(wěn)定性?；靥罘譃?個階段進行，第一段從底板525 m水平至530 m水平；第二段從530 m水平到540 m水平；第三段從540 m水到560 m運礦路面，總高35 m。

(1)525～530 m基礎(chǔ)回填。清理地表浮渣后，采用水泥含量為20%的毛石混泥土分層回填?；靥顣r，先在底板鋪1層粒徑較大(大于40 cm)的砂巖，用攪拌好的水泥砂漿倒入墊層推平，再用壓路機壓實。每層厚1～1.5 m，逐層進行直到530 m水平。在回填體與擋墻之間留出1.5 m寬的溝，防止上方回填時浮石滾落到下方平臺。

(2)530～540 m回填。采用水泥含量10%的毛石混凝土分層回填，需選用粒徑為20～40 cm的砂巖?；靥钪?40 m后，在邊沿做1個1 m高的擋土墻，防止上方回填時有石頭滾落至下方作業(yè)區(qū)域。

(3)540 m～運礦路面回填。挑選粒徑均勻的砂巖(20～40 cm)從路面往下回填，回填過程中摻入約5%的水泥砂漿?；靥钪谅访婧螅诼访驿?層細砂，推平壓實，外高內(nèi)低，雨水可自然流入里側(cè)的排水溝。

滑坡區(qū)回填設(shè)計及修復(fù)后的運礦路如圖3、圖4所示。

圖3 道路恢復(fù)回填設(shè)計(單位:m)Fig.3 The design of road rehabilitation (Unit:m)

圖4 修復(fù)后的西部運礦路Fig.4 The west road after rehabilitated

3.3 邊坡變形監(jiān)測方案

貴州錦豐露天金礦采用意大利IDS公司進口的地質(zhì)雷達監(jiān)測儀(Radar monitoring system)對邊坡進行變形監(jiān)測，該系統(tǒng)采用先進的合成孔徑雷達技術(shù)對邊坡實現(xiàn)24 h不間斷監(jiān)測，變形量精度最高可達到0.1 mm。

3.3.1 監(jiān)測機理

合成孔徑雷達屬于微波成像雷達，也是一種可以產(chǎn)生高分辨率圖像的機載雷達或星載雷達。它是以電磁波的獨立傳播原理和疊加原理為基礎(chǔ)，應(yīng)用計算機技術(shù)而發(fā)展起來的一種相干雷達。通過電磁波在方位和距離上獲得的高分辨率，實現(xiàn)對被測目標形成三維圖像，通過多次圖像疊加得出各像素之間的變形速率和位移量。合成孔徑雷達具有可穿透云霧、雨雪、粉塵及植被，可檢查目標物的相干性，從而排除卡車、挖機等設(shè)備作業(yè)干擾的優(yōu)勢。

3.3.2 實時報警

地質(zhì)雷達監(jiān)測儀對目標范圍掃描1次僅5′25″，采集到的數(shù)據(jù)通過IBIS Controller處理后傳輸?shù)街锌厥?，用?shù)據(jù)處理軟件IBIS Guardian對數(shù)據(jù)進行疊加處理，便可得到監(jiān)測目標物變形速率和位移量等結(jié)果。當變形速率超過設(shè)定的報警閾值后，電腦發(fā)出報警聲響，同時自動通過手機短信SMS和電子郵件向監(jiān)控人員發(fā)送警報，達到實時報警目的。

3.3.3 監(jiān)測結(jié)果

自西部邊坡運礦路修復(fù)后，對滑坡區(qū)及其附近邊坡進行了重點跟蹤監(jiān)測，限于篇幅，相關(guān)監(jiān)測圖件從略。選取該邊坡變形較大區(qū)域為分析對象，2013年8月4日到11月27日邊坡變形最大速率為0.6 mm/h，低于報警閾值1.2 mm/h，累計位移量為5 mm?？梢娀聟^(qū)邊坡修復(fù)后處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 穩(wěn)定性分析

4.1 參數(shù)選擇

根據(jù)錦豐巖土樣室內(nèi)土工實驗及類似巖體的其他礦山參數(shù)取值，確定參與穩(wěn)定性分析計算的物質(zhì)的力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 The physical parameters of the slope rock and earth mass

根據(jù)邊坡巖土體物理參數(shù)、邊坡幾何參數(shù)及邊坡加固方案建立穩(wěn)定性計算模型。根據(jù)卡車核定載重，在模型中增加660 kN/m2的荷載。

4.2 穩(wěn)定性計算

根據(jù)滑坡體基巖加固設(shè)計、回填設(shè)計及所選巖土體物理力學(xué)參數(shù)，在Slide中建立計算模型。計算結(jié)果顯示，邊坡加固修復(fù)區(qū)域的總體安全系數(shù)達到1.54，遠遠超過安全系數(shù)為1.1的邊坡臨界破壞點，如圖5中所示，說明邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。其中，從540 m水平到運礦路面的局部最小安全系數(shù)為1.13，后期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，此處路面出現(xiàn)裂縫并緩慢下沉(根據(jù)運礦道的實際使用情況，局部的沉降和變形屬于可接受范圍)，與Slide軟件模擬結(jié)論基本吻合,說明該穩(wěn)定性計算參數(shù)選擇合理，邊坡整體穩(wěn)定情況良好。

圖5 Slide 6.0模擬邊坡穩(wěn)定性Fig.5 The slope stability analysis with Slide 6.0

5 結(jié) 論

(1)錦豐露天金礦西部運礦路滑坡為圓弧形滑坡，滑坡體方量達5 000 m3，垂高達35 m?；聦?dǎo)致運礦道路中斷，生產(chǎn)中止，對正常生產(chǎn)造成極大的影響。引起滑坡的主要因素包括巖體構(gòu)造、降雨、爆破及生產(chǎn)作業(yè)等。

(2)在清理過程中需要分層進行，將軟弱夾層挖掉，且需要對滑坡體下方基巖進行加固，防止滑坡擴大。長錨索屬于主動支護，可大大增強巖層之間的抗滑力；抗滑樁屬于被動支護，具有較強的抗剪能力。實踐經(jīng)驗表明，長錨索+鋼網(wǎng)及抗滑樁用于存在潛在滑動面的巖層具有良好的支護效果。

(3)在重力式擋墻中加入抗滑樁可大大提高擋墻的抗傾覆能力；采用不同比例的毛石混凝土分層回填修復(fù)運礦道路，安全性高、施工快捷、方便，且修復(fù)后的邊坡穩(wěn)定性高。

(4)采用地質(zhì)雷達監(jiān)測儀，可實現(xiàn)對邊坡24 h監(jiān)測，監(jiān)測精度高達到0.1 mm，監(jiān)測范圍可覆蓋整個西部邊坡。監(jiān)測結(jié)果顯示，修復(fù)后的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(5)采用巖石力學(xué)軟件Slide對修復(fù)后的邊坡進行穩(wěn)定性分析，除局部安全系數(shù)為1.13之外，其他區(qū)域最小安全系數(shù)可達1.54，邊坡整體穩(wěn)定。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Stability Analysis and Treatment Scheme of Large-scale Landslide of Open Pit Slope

Jia Zhuping1Zheng Lujing2Zheng Lulin3

(1.GuizhouVocationalTechnologyInstitute，Guiyang550023，China;2.GuizhouJinfengGoldMiningLtd.，Guiyang550027，China;3.CollegeofResourceandEnvironmentEngineering，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China)

In view of large-scale landslides in western mine transport of Jinfeng Open Pit Gold Mine，the reasons for it were analyzed from aspects of geological structure，water，weathering，blasting and mining activities etc..It is proposed that landslides be comprehensively treated by long pre-stressed anchor，bolt-shotcrete-net，anti-sliding pile，gravity guard wall and dewatering/depressurization holes etc.，and stone-concretes were backfilled in layers to reconstruct western the mine transport road. With application of rock mechanics software Slide，the reconstructed slopes of the mine transport road were simulated to make theoretical analysis its slope stability.The simulation results showed that the minimum safety factor of the slope is 1.13，greater than the safety factor 1.0 of slope failure.Robotic monitoring systems Autoslope and geological radar monitoring systems are adopted to survey the slope deformation with monitoring accuracy up to 0.1 mm.1-year monitoring result showed that the slope was in a stable condition.Through theoretical analysis and practical monitoring，the results showed that：① The adoption of long cable，bolt-shotcrete-net，anti-sliding pile，gravity guard wall and dewatering/depressurization holes had a good reinforcement effect; ② Stone-concrete backfilling in layers had an obvious effect in large-scale landslide treatment.This treatment method has some reference in the relevant landslide treatment.

Open pit slope，Land shide,Slope stability analysis，Slope treatment，Slope deformation monitoring,Slide software analysis

2014-03-02

賈住平(1986—)，女，助教。通訊作者 鄭祿璟(1983—)，男，工程師。

TD824.7

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1001-1250(2014)-05-027-05