露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及綜合加固措施

任紅崗，譚卓英，董葉茂

(1.北京礦冶研究總院，北京100160;2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083)

露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及綜合加固措施

任紅崗1，2，譚卓英2，董葉茂1

(1.北京礦冶研究總院，北京100160;2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083)

以某露天礦高陡邊坡為例，采用ANSYS有限元軟件對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，針對(duì)A區(qū)邊坡穩(wěn)定性差且易風(fēng)化的特點(diǎn)，采取預(yù)應(yīng)力錨索和噴射混凝土護(hù)坡綜合加固措施，有效增強(qiáng)邊坡的整體穩(wěn)定性?？紤]巖體受斷層、節(jié)理面、裂隙面等軟弱結(jié)構(gòu)面以及其中的巖體結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)面等綜合影響，利用經(jīng)驗(yàn)法對(duì)巖體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減。為確保邊坡在采礦過程中的安全穩(wěn)定，利用ANSYS軟件驗(yàn)算預(yù)應(yīng)力錨索加固后邊坡的穩(wěn)定性，結(jié)果顯示邊坡穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到規(guī)范要求，并采用GPS-RTK系統(tǒng)對(duì)邊坡進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，為礦山的安全高效開采提供有效指導(dǎo)。

有限元;預(yù)應(yīng)力錨索;噴射混凝土;邊坡監(jiān)測(cè)

1 概述

邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法可分為定性分析和定量分析兩個(gè)主要方向。近幾十年來，隨著近代計(jì)算技術(shù)的飛躍發(fā)展，學(xué)術(shù)界在探索邊坡穩(wěn)定性分析方法以及相應(yīng)的軟件程序方面，取得了巨大的進(jìn)展和成就。目前，較為權(quán)威的數(shù)值模擬方法有有限元法、離散元法、快速拉格朗日分析法、邊界元法、流形元法、不連續(xù)變形分析法等(見圖1)。常見的邊坡穩(wěn)定性分析理論方法有極限平衡法［1］、強(qiáng)度折減法［2－3］。

有限元法［4］可以給出巖體的應(yīng)力、應(yīng)變大小和分布，避免了單一極限平衡分析法中將滑體視為剛體而過于簡(jiǎn)化的缺點(diǎn)，可近似地根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律去分析邊坡的變形破壞機(jī)制。極限平衡法是邊坡穩(wěn)定性分析的主要手段，可以計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，但要事先假定滑動(dòng)面的位置和形狀。與傳統(tǒng)的極限平衡法相比，強(qiáng)度折減法算法更為嚴(yán)格，但判別方法不太成熟。因此，將有限單元法與極限平衡分析法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合是分析邊坡穩(wěn)定的有效途徑［5－7］。

在邊坡監(jiān)測(cè)方面，隨著航天技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，基于全球定位系統(tǒng)GPS的監(jiān)測(cè)手段極大地推動(dòng)了邊坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作的發(fā)展［8］。西班牙的Josep·A·Gill等利用GPS監(jiān)測(cè)Vallcebre滑坡，精度達(dá)到毫米級(jí)，與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段相比，GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)以其覆蓋面廣、監(jiān)測(cè)時(shí)間短、全天候、全自動(dòng)、連續(xù)同步等優(yōu)點(diǎn)逐漸得到推廣應(yīng)用［9－10］。

圖1 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法Fig.1 Evaluation methods of slope stability

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 工程背景

某金礦屬于山坡+凹陷露天開采礦山，邊坡高度差異較大，邊坡主要巖性由黏土巖和砂巖組成，巖體受構(gòu)造等因素影響，產(chǎn)狀變化復(fù)雜，總體穩(wěn)定性較差。

受區(qū)域構(gòu)造的影響，礦區(qū)含礦層地層中節(jié)理較為發(fā)育，有北東、北西及近南北向節(jié)理及層理3組結(jié)構(gòu)面，其走向、傾向延展有限，結(jié)構(gòu)面發(fā)育密度一般為1～3條/m。節(jié)理裂隙傾角為60°～80°，多為張性裂隙，泥質(zhì)充填，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度低，結(jié)合力差，常形成板狀結(jié)構(gòu)體，在地下水的滲透軟化作用下易產(chǎn)生崩落、坍塌。含礦層地層軟質(zhì)巖組大多為薄-中厚層，層理發(fā)育，層理膠結(jié)差。

邊坡主要巖性由硬質(zhì)夾軟質(zhì)巖組、軟質(zhì)夾硬質(zhì)巖組、松散巖組構(gòu)成。巖體質(zhì)量總體較差。主要巖體物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 主要巖體物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 The physical and mechanical properties of main rock mass

露天礦邊坡三維模型見圖2。按照邊坡傾角、巖性、地質(zhì)構(gòu)造等特點(diǎn)將邊坡共分為5個(gè)分區(qū)，分區(qū)示意圖見圖3。最高邊坡A區(qū)高度為190 m，位于露天境界的北端。

圖2 露天礦邊坡三維模型Fig.2 3D model of open pit slope

圖3 露天礦邊坡分區(qū)示意圖Fig.3 The partition sketch of open pit slope

A、B區(qū)邊坡坡面走向與巖層、斷層走向相交，夾角大于40°，此區(qū)域邊坡從巖體結(jié)構(gòu)情況分析，總體趨于穩(wěn)定。但區(qū)域A邊坡頂部，巖體局部較破碎，且風(fēng)化嚴(yán)重，屬于碎裂結(jié)構(gòu)邊坡，邊坡穩(wěn)定性較差，易發(fā)生局部弧面滑動(dòng)。

C、D區(qū)邊坡坡面走向與地層、斷層走向近于平行，從地質(zhì)剖面上分析，地層傾向受褶皺影響變化較大。優(yōu)勢(shì)面為沉積結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，易產(chǎn)生順層臨空面滑動(dòng)。

E區(qū)邊坡坡面與地層走向垂直，另有次級(jí)斷層通過，斷層走向與邊坡垂直，優(yōu)勢(shì)面為構(gòu)造結(jié)構(gòu)面中的節(jié)理、裂隙及次生結(jié)構(gòu)面，從巖體結(jié)構(gòu)情況分析，此區(qū)域總體趨于穩(wěn)定模式。

2.2 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

地質(zhì)報(bào)告中，給出了邊坡巖石的強(qiáng)度參數(shù)，但是在實(shí)際工程中，由于邊坡受圍巖斷層、節(jié)理面、裂隙面、巖體結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)面的組合等影響，工程巖體強(qiáng)度并不同于巖石強(qiáng)度，參考現(xiàn)有的成果，在對(duì)CSIR法、費(fèi)辛柯法、Georgi法、Hoek法以及經(jīng)驗(yàn)法等方法的研究基礎(chǔ)上，針對(duì)露天邊坡實(shí)際情況，依據(jù)地質(zhì)報(bào)告中給出的巖石強(qiáng)度參數(shù)，采用經(jīng)驗(yàn)法對(duì)巖體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，露天礦邊坡巖體強(qiáng)度指標(biāo)如表2所示。

表2 采用經(jīng)驗(yàn)折減法后巖體強(qiáng)度Table 2 The rock mass strength estimates based on empirical reduction method

計(jì)算采用ANSYS軟件，按照平面應(yīng)變建立有限元模型，邊界條件為左右兩側(cè)水平約束，下部固定，上部為自由邊界，如圖4、5所示。A截面單元數(shù)量為5 035個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為12 828個(gè)。D截面單元數(shù)量為4 234個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為7 075個(gè)。采用一次性施加全部重力荷載，荷載增量步設(shè)置為1步，ANSYS程序提供的稀疏矩陣求解器(Sparse Matrix Direct Solver)，采用全牛頓-拉普森迭代方法計(jì)算(Full Newton-Raphson)。

圖4 A區(qū)有限元模型Fig.4 The finite element model of A area

通過不斷降低巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)直至達(dá)到極限破壞狀態(tài)，ANSYS軟件根據(jù)彈塑性有限元計(jì)算結(jié)果得出潛在滑動(dòng)面，根據(jù)有限元軟件中顯示活動(dòng)面趨勢(shì)構(gòu)成滑動(dòng)圓弧，將邊坡巖體參數(shù)、滑動(dòng)面位置導(dǎo)入軟件，可得到邊坡強(qiáng)度安全系數(shù)。

圖6中，A區(qū)邊坡截面高度為190 m，最終邊坡角為41.6°，采用有限元軟件，確定了邊坡剪切滑動(dòng)面參數(shù)。通過計(jì)算，瑞典條分法得到的安全系數(shù)為1.176，簡(jiǎn)化Bishop法得到的安全系數(shù)為1.262，Janbu法得到的安全系數(shù)為1.267。此區(qū)域邊坡為工作幫永久邊坡，根據(jù)《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50771-2012)，穩(wěn)定系數(shù)要達(dá)到1.2～1.3。為確保邊坡的安全性，本區(qū)邊坡需采取加固措施，來提高邊坡的穩(wěn)定性。

圖7中，D區(qū)邊坡截面高度為80 m，最終邊坡角為35.8°，通過計(jì)算，瑞典條分法得到的安全系數(shù)為1.544，簡(jiǎn)化Bishop法得到的安全系數(shù)為1.599，Janbu法得到的安全系數(shù)為1.600，該邊坡設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。在B、C、E三個(gè)分區(qū)中，選取典型斷面，計(jì)算得到了典型斷面的安全系數(shù)，邊坡參數(shù)與安全系數(shù)表見表3。

圖5 D區(qū)有限元模型Fig.5 The finite element model of D area

3 邊坡加固措施

因礦區(qū)地層巖性較復(fù)雜，巖體穩(wěn)定性較差、抗風(fēng)化能力弱，且?guī)r體受構(gòu)造等因素影響，本次設(shè)計(jì)推薦對(duì)A區(qū)邊坡采用綜合加固措施進(jìn)行加固。

1)預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡

圖6 A區(qū)滑動(dòng)面位置示意圖Fig.6 The sketch of sliding surfaces in A area

圖7 D區(qū)滑動(dòng)面位置示意圖Fig.7 The sketch of sliding surfaces in D area

表3 邊坡參數(shù)與安全系數(shù)表Table 3 The slope parameters and safety coefficient

滑體所需要總錨固力P可按式(1)計(jì)算:

式中:K-滑體穩(wěn)定系數(shù)，1.1～1.2;W-滑體重量;β-滑動(dòng)面傾角;c-滑動(dòng)面單位黏聚力;S-滑動(dòng)面面積;Δ-錨桿安裝角;φ-內(nèi)摩擦角。

錨索加固邊坡及安裝示意圖見圖8、9。

圖8 錨索加固邊坡示意圖Fig.8 The sketch slope reinforced by anchor cable

在邊坡中用鉆機(jī)每隔一定距離打鉆孔，將錨索插入鉆孔中用砂漿錨固后，用張拉設(shè)備在錨頭給錨桿施加預(yù)應(yīng)力，使滑體向穩(wěn)固的巖體壓緊，錨固段砂漿與鉆孔壁周圍間的摩擦阻力將錨索的應(yīng)力傳遞至鉆孔深部穩(wěn)固的巖體中，因而滑動(dòng)面處增加了摩擦阻力，提高了滑體的穩(wěn)定性。

圖9 錨索安裝示意圖Fig.9 The sketch of anchor cable installation

預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡具體參數(shù)如下:

1)長(zhǎng)錨索。長(zhǎng)錨索孔直徑為110 mm，內(nèi)裝6根直徑為15.24 mm的鋼絞線，鉆孔軸線與水平面夾角為俯角31°，錨索平均長(zhǎng)25 m(最長(zhǎng)33 m)，錨固端長(zhǎng)8 m。利用工程類比法［11］，錨索設(shè)計(jì)荷載為900 kN級(jí)。選擇QLM15-7錨具，垂高為10 m的臺(tái)階，共布置2排長(zhǎng)錨索，排距2.5 m，間距5 m。

2)錨索注漿。采用P.C32.5級(jí)水泥配制純水泥漿，水灰比0.35～0.40。

3)錨墩為梯形，底面截面尺寸1 m×1 m，高0.6 m，頂面尺寸為0.4 m×0.4 m。

施工時(shí)，隨著邊坡的開挖，逐層鉆鑿長(zhǎng)錨索孔，安裝錨索，錨索加固邊坡區(qū)域見圖10。A區(qū)邊坡錨索加固示意圖見圖11。

圖10 錨索加固區(qū)域Fig.10 The anchor reinforcement area

2)加固后邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算

利用上述預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)A區(qū)邊坡加固后，其穩(wěn)定系數(shù)按式(2)進(jìn)行驗(yàn)算。

通過ANSYS軟件計(jì)算得出A區(qū)邊坡錨索加固后的安全系數(shù)，瑞典條分法得到的安全系數(shù)為1.234，簡(jiǎn)化Bishop法得到的安全系數(shù)為1.319，Janbu法得到的安全系數(shù)為1.322，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3)噴射混凝土護(hù)坡

由于該礦區(qū)邊坡巖體抗風(fēng)化能力弱，風(fēng)化后巖體十分破碎，對(duì)堅(jiān)硬易風(fēng)化，但還未遭嚴(yán)重風(fēng)化的巖石邊坡，為防止進(jìn)一步風(fēng)化，剝落及零星掉塊，采用噴射混凝土方式，在邊坡上形成一層保護(hù)層。噴射混凝土層封閉了圍巖表面，隔絕了空氣、水與圍巖的接觸，有效地防止了風(fēng)化潮解而引起的圍巖破壞與剝落。同時(shí)，由于圍巖裂縫中充填了混凝土，使裂隙深處原有的充填物不致因風(fēng)化作用而降低強(qiáng)度，也不致因水的作用而使得原有的充填物流失，使圍巖保持原有的穩(wěn)定和強(qiáng)度。

由于噴射速度很高，混凝土能及時(shí)地充填圍巖的裂隙、節(jié)理和凹穴的巖石，大大提高了圍巖的強(qiáng)度。且噴射混凝土護(hù)坡具有質(zhì)量輕、施工所需設(shè)備簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。施工時(shí)根據(jù)邊坡開采實(shí)際情況進(jìn)行護(hù)坡，采用不低于425號(hào)普通硅酸鹽水泥，噴混凝土厚度以3～5 cm為宜。

4 邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

為確保邊坡在采礦過程中的安全穩(wěn)定，本文提出采用GPS-RTK三維位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)邊坡進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。GPS-RTK三維監(jiān)測(cè)技術(shù)具有全天候作業(yè)、自動(dòng)化程度高、快速獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)、定位精度高、測(cè)站間無需通視、受天氣影響小等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)物的變形監(jiān)測(cè)工作，并獲得很好的監(jiān)測(cè)效果。

建立邊坡位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)永久邊幫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其次對(duì)涉及到整體邊坡穩(wěn)定性的區(qū)段邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)過程中，通過對(duì)位移的變化分析，發(fā)現(xiàn)露天開挖引起的巖體移動(dòng)規(guī)律存在邊坡失穩(wěn)征兆時(shí)，采取工程加固或其它治理措施。另外，根據(jù)獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)算邊坡穩(wěn)定性，對(duì)影響邊坡穩(wěn)定性的參數(shù)進(jìn)行反分析，以保證礦山生產(chǎn)的安全。

邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)包括礦坑外地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)、開采層坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)、運(yùn)輸?shù)辣O(jiān)測(cè)點(diǎn)。礦坑外地表監(jiān)測(cè)相鄰點(diǎn)間距離約100 m，開采層坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿開采層坡頂線和坡底線均勻布置，同一線上相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的距離為50～100 m，運(yùn)輸?shù)辣O(jiān)測(cè)點(diǎn)沿運(yùn)輸?shù)肋吘壘鶆虿贾?，相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的距離約為50 m。

5 結(jié)論

1)以某露天礦高陡邊坡為例，基于ANSYS有限元軟件對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)?？紤]巖體受斷層、節(jié)理面、裂隙面、巖體結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)面等組合影響，利用經(jīng)驗(yàn)法對(duì)巖體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，結(jié)論表明A區(qū)邊坡穩(wěn)定性較差，不能滿足相關(guān)安全規(guī)范要求，需進(jìn)行加固處理。

2)針對(duì)A區(qū)邊坡穩(wěn)定性差且易風(fēng)化等特點(diǎn)，采取預(yù)應(yīng)力錨索和噴漿及噴射混凝土護(hù)坡綜合措施加固邊坡，并對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索加固后邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，其穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到規(guī)范要求。為確保邊坡在采礦過程中的安全穩(wěn)定，提出采用GPS三維位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)邊坡進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)邊坡的跟蹤監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。

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Stability evaluation and comprehensive reinforcement measures of high steep open pit slope

REN Honggang1，2，TAN Zhuoying2，DONG Yemao1
(1.Beijing General Research Institute of Mining＆Metallurgy，Beijing 100160，China; 2.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

Taken a high steep open pit slope as an example，ANSYS finite element software is carried out on the slope stability evaluation，in view of the poor stability and easy weathering characteristics of region A slope，the comprehensive reinforcement method is adopted by use of the prestressed anchor cable and shotcrete support to increase whole stability of the rock slope.This paper uses the empirical method to make reduction for rock mass strength parameters，which considers the combination influence of many factors such as fault，joint plane，fissure-plane，rock mass and its structure plane and so on.To ensure the security and stability of slope in the mining process，stability of the slope is checked by using the ANSYS software after reinforcement by the prestressed anchor cable，the stability coefficient meet requirement，and the GPS-RTK system is used for tracking slope monitoring，it provides guidance for safe and efficient mining.

finite element;prestressed anchor cable;shotcrete;slope monitoring

TD854+.6

Α

1671-4172(2015)01-0077-06

國(guó)家自然科學(xué)基金(51174013)

任紅崗(1986－)，男，工程師，博士研究生，主要從事采礦工程和巖土工程設(shè)計(jì)及研究工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.01.018