多因素作用下的露天礦邊坡穩(wěn)定性分析

張文平 胡建華 林 允

(1.太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司礦業(yè)分公司峨口鐵礦；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院)

多因素作用下的露天礦邊坡穩(wěn)定性分析

張文平1胡建華2林 允2

(1.太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司礦業(yè)分公司峨口鐵礦；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院)

邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題關(guān)系到我國(guó)露天礦的安全生產(chǎn)和企業(yè)發(fā)展，得到國(guó)家和社會(huì)的廣泛重視。針對(duì)某露天礦邊坡，在綜合分析邊坡的工程概況和地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，結(jié)合邊坡工程的具體特征，采用Slide數(shù)值分析軟件，考慮了自重、降雨、地震以及多重因素的耦合作用4種工況，分析了露天礦邊坡的穩(wěn)定性。結(jié)果表明：露天礦的上盤(pán)邊坡較穩(wěn)定，下盤(pán)邊坡易失穩(wěn)破壞；在降雨、地震作用下,邊坡安全系數(shù)降低明顯，特別是降雨與地震耦合作用時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取排水、防震措施。

露天礦邊坡 Slide Bishop法 數(shù)值模擬 穩(wěn)定性

露天開(kāi)采在采掘工業(yè)中占有舉足輕重的地位，露天礦邊坡工程是一項(xiàng)關(guān)系礦山安全生產(chǎn)、可持續(xù)發(fā)展和重大經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵課題[1]。隨著露天礦開(kāi)采進(jìn)入中后期，露天礦邊坡滑坡事故不斷增加，嚴(yán)重影響了礦山的自身安全，同時(shí)造成了重大人員傷亡和環(huán)境破壞[2]。為加強(qiáng)礦山的安全控制，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)露天礦邊坡的穩(wěn)定性做了大量的研究工作。王東等針對(duì)露井聯(lián)采逆傾邊坡破壞模式及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了詳細(xì)地分析研究[3]；曹向奎等基于遺傳算法的最小二乘支持向量回歸參數(shù)尋優(yōu)方法建立了露天礦邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型[4]；王旭春等針對(duì)露井聯(lián)采中煤平朔安太堡露天礦西北幫邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析及加固措施研究[5]；楊天鴻從邊坡穩(wěn)定性分析方法、邊坡監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法等方面總結(jié)了目前邊坡穩(wěn)定性研究方法及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀，分析了露天礦邊坡的工程特點(diǎn)[6]；曾維國(guó)采用VB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算露天礦邊坡安全系數(shù)的程序[7]。

基于某露天礦邊坡地質(zhì)勘察資料，從邊坡的地形地貌和工程地質(zhì)條件出發(fā)，針對(duì)暴雨、地震等多重作用，研究露天礦邊坡的穩(wěn)定性，為邊坡進(jìn)一步綜合防治措施的制定提供理論依據(jù)。

1 工程及水文地質(zhì)概況

1.1 工程概況

某露天礦山開(kāi)拓運(yùn)輸坑線采用折返式布置在上盤(pán)，礦石總出入溝位于采場(chǎng)北部+30 m標(biāo)高，廢石總出入溝位于西南端+34 m標(biāo)高。露天境界最低開(kāi)采標(biāo)高為-144 m，最高臺(tái)階標(biāo)高為+320 m。+36 m 至露天坑底共15個(gè)臺(tái)階，露天境界上盤(pán)最終邊坡角為44°，下盤(pán)最終邊坡角為39°～41°，臺(tái)階高12 m；上盤(pán)臺(tái)階坡面角為65°；下盤(pán)臺(tái)階坡面角36 m以上為50°，36 m以下為55°；安全平臺(tái)上盤(pán)寬6 m，下盤(pán)寬12～15 m。對(duì)邊坡巖體按照CSIR法進(jìn)行分類，該露天礦邊坡巖體為三類巖體，穩(wěn)定性一般。根據(jù)該露天礦邊坡的等高線圖采用3DMine軟件建立邊坡的三維模型，見(jiàn)圖1。

圖1 三維計(jì)算模型

1.2 水文地質(zhì)條件

邊坡地層較為復(fù)雜，有第四系、棲霞灰?guī)r、閃長(zhǎng)玢巖、褐鐵礦等。東端上部為第四系，主要為含砂礫黏土、亞黏土；棲霞灰?guī)r巖溶特別發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)為塊狀、散體結(jié)構(gòu)，閃長(zhǎng)玢巖蝕變較強(qiáng)，強(qiáng)度差別明顯，巖體結(jié)構(gòu)以塊狀結(jié)構(gòu)為主；褐鐵礦主要為粉狀?yuàn)A塊狀，巖體結(jié)構(gòu)以碎裂結(jié)構(gòu)為主。

本區(qū)屬熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，雨量充沛，無(wú)霜期長(zhǎng)，四季分明。日最高氣溫為33 ℃，年平均氣溫為16 ℃，年最大降水量為2 173.7 mm，月最大降水量為204.4 mm，年平均降水量為1 536 mm。5—8月降水比較集中，降水量約為全年的56%，最大一次降水持續(xù)13 d，總降水量達(dá)683.7 mm，占全年降水量的31.4%。年降水天數(shù)為118～160 d，年平均蒸發(fā)量為1 359.8 mm，年平均潮濕系數(shù)為0.95。每年10月至次年3月為枯水期。

1.3 地震活動(dòng)情況

本區(qū)位于華北地震區(qū)南部與華南地震區(qū)北部間的過(guò)渡區(qū)，長(zhǎng)江中下游—南黃海地震帶西南端，地震活動(dòng)強(qiáng)度和頻度相對(duì)較低，受外圍地區(qū)中強(qiáng)地震的影響較突出。本區(qū)以小震活動(dòng)為特點(diǎn)，歷史上未發(fā)生MS≥5級(jí)地震，一般在1～3級(jí)。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2001)，本區(qū)地震動(dòng)峰值加速度分區(qū)值為0.05g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度區(qū)(表1)，屬于弱震區(qū)，區(qū)域穩(wěn)定性較好。

表1 地震動(dòng)峰值加速度分區(qū)與地震烈度對(duì)照

1.4 礦巖物理力學(xué)性質(zhì)

巖石物理力學(xué)參數(shù)是計(jì)算結(jié)果可靠性的主要影響因素，針對(duì)該露天礦上下盤(pán)邊坡巖土體和礦體完成了取樣及相應(yīng)的試樣加工與巖土體物理力學(xué)參數(shù)的測(cè)試試驗(yàn)。本次模擬采用的礦巖力學(xué)參數(shù)是在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試基礎(chǔ)上，根據(jù)礦巖整體地質(zhì)情況進(jìn)行折減后的工程參數(shù)值，見(jiàn)表2。

表2 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

2 邊坡穩(wěn)定性分析

運(yùn)用Slide軟件對(duì)不同工況下邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，獲得危險(xiǎn)滑動(dòng)面和可能的滑動(dòng)區(qū)域。3種極限平衡方法進(jìn)行對(duì)比分析表明，Bishop法更接近于實(shí)際工程情況，故研究選擇Bishop法求解的安全系數(shù)值。

2.1 計(jì)算工況與模型

對(duì)該露天礦邊坡選取自重條件、暴雨、地震、暴雨+地震4種工況進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。Slide軟件計(jì)算模型見(jiàn)圖2，其中，入滲深度以上采用飽水時(shí)的計(jì)算參數(shù)；入滲深度以下采用天然狀態(tài)下的計(jì)算參數(shù)。采用圓弧滑動(dòng)面法搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，采用摩爾—庫(kù)倫模型進(jìn)行分析計(jì)算。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

據(jù)規(guī)范規(guī)定，邊坡穩(wěn)定系數(shù)的取值，對(duì)新設(shè)計(jì)的邊坡、重要工程宜取1.30～1.50，一般工程宜取1.15～1.30，次要工程宜取1.05～1.15；采用峰值強(qiáng)度時(shí)取大值，采取殘余強(qiáng)度時(shí)取小值；驗(yàn)算已有邊坡穩(wěn)定時(shí)，取1.1～1.25[8]。本露天礦邊坡為重要工程，所以，邊坡穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)大于1.30。

圖2 計(jì)算模型

2.2.1 自重條件

正常狀態(tài)下，邊坡無(wú)深部裂縫發(fā)育，可不考慮深部水壓力，同時(shí)不考慮地震作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，邊坡穩(wěn)定性結(jié)果見(jiàn)圖3?？梢钥闯?，上盤(pán)邊坡的安全系數(shù)為1.635，大于1.30，表明該露天礦上盤(pán)邊坡在自重條件下是穩(wěn)定的；下盤(pán)邊坡的安全系數(shù)為1.093，雖然大于1，但是小于規(guī)范規(guī)定的1.30，表明該露天礦下盤(pán)邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要對(duì)其進(jìn)行加固來(lái)提高邊坡的安全系數(shù)。

圖3 自重條件下邊坡安全系數(shù)

2.2.2 暴雨條件

氣象資料表明，區(qū)域內(nèi)年平均降雨量為1 536 mm。考慮邊坡巖土體在連續(xù)降雨或暴雨條件下，取邊坡的入滲深度為5 m，并取5 m巖體為飽和重度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4?？梢钥闯觯媳P(pán)邊坡安全系數(shù)為1.633，大于1.30，穩(wěn)定；下盤(pán)邊坡的安全系數(shù)為1.092，小于1.30，不穩(wěn)定。

圖4 暴雨條件下邊坡安全系數(shù)

降雨影響邊坡穩(wěn)定性，使邊坡表層巖土體達(dá)到飽和，并形成地表徑流，對(duì)坡面造成沖刷；同時(shí)重度增加導(dǎo)致下滑力增大，安全系數(shù)降低。對(duì)比自重條件下該露天礦上下盤(pán)邊坡的安全系數(shù)值可知，在持續(xù)降雨或暴雨條件下，邊坡的安全系數(shù)值有小幅度下降，但對(duì)本邊坡的影響有限。

2.2.3 地震條件

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[9]，研究場(chǎng)地主要抗震設(shè)防烈度為 5度，通過(guò)表1可知，邊坡在地震荷載作用下的穩(wěn)定狀況時(shí)取地震加速度為 0.05 g，在計(jì)算分析時(shí)，水平和豎直方向的地震加速度均取值為0.05 g。地震作用下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5?？梢钥闯?，該露天礦上盤(pán)邊坡的安全系數(shù)值為1.494，大于1.30，較穩(wěn)定；下盤(pán)邊坡的安全系數(shù)值為1.000，小于1.30，不穩(wěn)定，應(yīng)及時(shí)加固。

圖5 地震條件下邊坡安全系數(shù)

對(duì)比自重條件下該露天礦上下盤(pán)邊坡的安全系數(shù)值可知，在地震作用條件下，邊坡的安全系數(shù)值有較大幅度下降，下降幅度超過(guò)了暴雨工況的影響，易誘發(fā)邊坡破壞。地震荷載作為觸發(fā)邊坡失穩(wěn)的外在因素對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有十分重要影響。由于豎向和水平向地震力影響巖土體單元受力狀態(tài)，并與邊坡巖體結(jié)構(gòu)類型、地層巖性組合等產(chǎn)生疊加效應(yīng)，該露天礦邊坡穩(wěn)定性急劇降低。

2.2.4 暴雨與地震共同作用

為更充分全面地為該露天礦邊坡的加固處理提供依據(jù)，分析極端條件下(暴雨與地震共同作用時(shí))該露天礦邊坡的穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。可以看出，上盤(pán)邊坡的安全系數(shù)值為1.434，大于1.30，較為穩(wěn)定；下盤(pán)邊坡的安全系數(shù)值為0.946，小于1.30，很可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，應(yīng)及時(shí)加固處理。

對(duì)比自重條件下該露天礦上下盤(pán)邊坡的安全系數(shù)值可知，在暴雨和地震耦合作用條件下，邊坡的安全系數(shù)值下降明顯。地震慣性力影響巖土體單元受力狀態(tài)，并與邊坡水文條件巖體結(jié)構(gòu)類型和地層巖性組合產(chǎn)生疊加效應(yīng)，降低了邊坡的穩(wěn)定性。

由自重條件、暴雨作用、地震荷載作用和暴雨+地震耦合作用下該露天礦邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析可知，4種工況下露天礦上盤(pán)邊坡的安全系數(shù)均大于 1.30，較穩(wěn)定；下盤(pán)邊坡的安全系數(shù)均小于1.3，不穩(wěn)定。連續(xù)暴雨、地震作用對(duì)該露天礦邊坡的穩(wěn)定性將產(chǎn)生不利影響，應(yīng)針對(duì)雨水和地震等不利因素采取相關(guān)防治措施。

圖6 暴雨+地震耦合作用下邊坡安全系數(shù)

3 工程措施

針對(duì)該露天礦邊坡的具體情況，建議采取如下治理措施：

(1)采用護(hù)坡、擋墻、抗滑樁、表面噴水泥砂漿等處理措施對(duì)邊坡進(jìn)行加固。

(2) 研究適合本礦條件的爆破參數(shù)，采取一些比較先進(jìn)的爆破技術(shù)或其他減震措施。

(3)建立完整的防排水系統(tǒng)，在高邊坡區(qū)域應(yīng)設(shè)置截流或排水措施，每年雨季前應(yīng)進(jìn)行全面檢查、維修。

4 結(jié) 論

(1)采用Slide軟件分析了在自重、暴雨、地震和暴雨+地震作用下露天礦上下盤(pán)邊坡的穩(wěn)定性。結(jié)果表明：4種工況下上盤(pán)邊坡的安全系數(shù)均大于1.30，較穩(wěn)定；下盤(pán)邊坡的安全系數(shù)均小于1.30，不穩(wěn)定，應(yīng)及時(shí)加固處理。

(2)在降雨作用、地震作用和暴雨+地震耦合作用下邊坡的安全系數(shù)明顯降低，應(yīng)首先對(duì)露天礦邊坡進(jìn)行加固，加強(qiáng)排水，然后結(jié)合其他措施對(duì)邊坡進(jìn)行綜合治理，以保證礦山的安全生產(chǎn)。

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2015-05-23)

張文平(1973—)，男，副總工程師，工程師，034207 山西省忻州市峨口鎮(zhèn)。