首鋼水廠鐵礦滑坡體治理

鄧敢平

(首鋼礦業(yè)公司)

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首鋼水廠鐵礦滑坡體治理

鄧敢平

(首鋼礦業(yè)公司)

以首鋼水廠鐵礦為例,應(yīng)用極限平衡法計算了邊坡在采取錨固措施前后整體、局部的穩(wěn)定性，分析了滑動面的剩余滑動力以及錨桿、錨索的承載力，對邊坡的加固方式進(jìn)行了優(yōu)化對比，確定了框格梁、錨索、錨桿混合交叉的新型加固方式。計算結(jié)果表明:未采取加固措施前，邊坡安全系數(shù)低于規(guī)范值，邊坡局部、整體均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，破壞模式主要以滑移破壞為主；采取錨固加固措施后，穩(wěn)定性增強(qiáng)，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，安全儲備充足，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，顯示了新型加固方式的合理性、科學(xué)性，為以后類似邊坡加固治理提供了新思路。

邊坡穩(wěn)定性 安全系數(shù) 加固方式

水廠鐵礦是一座大型火山沉積變質(zhì)巖型磁鐵礦床，具有礦石儲量大、品位高、埋藏淺、便于露天開采的特征，采場邊坡最高標(biāo)高310 m，最低開采標(biāo)高-440 m，封閉圈標(biāo)高80 m，臺階高度在標(biāo)高190 m以上和10 m以下為15 m，190～10 m為12 m(其中152～166 m為14 m、34～44 m為10 m)，總體邊坡角為41°～46°，臺階坡面角巖質(zhì)邊坡75°(終了時65°)，虛方土坡面角38°。2016年,皮帶架子外側(cè)邊坡在-20 m水平按設(shè)計采裝到界的過程中發(fā)生順層滑坡，導(dǎo)致北采場上盤K2路基59#～89#皮帶架子的路基寬度由設(shè)計的8 m變窄為5～7 m，其中：72#～89#皮帶架子西側(cè)水泥基礎(chǔ)、走臺呈懸空狀態(tài)；89#～132#、75#～32#架子水泥基礎(chǔ)與走臺銜接處以及10 m轉(zhuǎn)運站內(nèi)側(cè)平臺、-20 m泵房水盒欄桿處間斷發(fā)育多條長、寬不等的裂紋，一處裂紋長35 m、二處裂紋長14 m、三處裂紋長3 m，寬度、深度0.5～5 cm。滑坡區(qū)域走向長度135 m、寬度1～3 m、段高20～28 m?；聡?yán)重?fù)p壞了K2皮帶系統(tǒng)的安全運行,給安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅，為此，對邊坡的穩(wěn)定性與安全性進(jìn)行了探討，采用一種新的邊坡加固方式，即框格梁、錨索、錨桿混合交叉加固方式，并取得了較好的加固效果，為類似工程的加固治理提供借鑒。

1 邊坡穩(wěn)定性計算

1.1 強(qiáng)度指標(biāo)選取

巖石抗剪強(qiáng)度指標(biāo)主要通過室內(nèi)變角度直剪或三軸抗壓試驗求得，C、φ值必須經(jīng)過工程處理后才能用于工程實踐，其取值見表1。

表1 巖石力學(xué)計算參數(shù)的選取

1.2 Morgenstern-Price法計算原理

摩根斯坦(Morgenstern)和普萊斯(Price)將條塊分的很細(xì)，寬度為dx，根據(jù)微條塊的力平衡關(guān)系建立微分方程。坡面線y=z(x)是已知的，滑面線y=y(x)為任意形狀，不一定是圓弧，推力線為y=h(x)。由圖1所示坐標(biāo)系，條塊上的作用力及力的作用位置建立力學(xué)平衡方程。

圖1 M-P法計算原理

(1)

(2)

式中,Ei、Xi分別為法向及切向條間力；Wi為條塊自重;Kci為水平地震作用力;Ci、φi分別為材料的有效黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角。

1.3 穩(wěn)定性計算結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件和鉆孔資料，將整個采場境界分為6個區(qū)，選取某個區(qū)最危險滑動面[1]進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算，結(jié)果如表2所示。邊坡整體、局部剖面見圖2、圖3。

表2 現(xiàn)狀條件下坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

圖2 剖面整體滑動面(Morgenstern-Price法)

圖3 剖面局部滑動面(Morgenstern-Price法)

從計算結(jié)果可以看出，現(xiàn)狀邊坡在無震與有震情況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，整體與局部臺階邊坡最低安全系數(shù)[2]為1.081，1.102，剩余滑動力分別為468.3,214.6 t，邊坡安全儲備不足。依據(jù)現(xiàn)場對邊坡的調(diào)查，平臺面存在大小不一的裂縫，且有發(fā)展的趨勢，與計算結(jié)果符合，故需對其邊坡加固。

2 邊坡加固

為提高邊坡整體穩(wěn)定性，采取預(yù)應(yīng)力錨索(錨桿)+橫豎梁+噴錨網(wǎng)方式加固。

2.1 預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿[3]

邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果顯示，當(dāng)[F]=1.30時，邊坡尚有剩余下滑力，由于空間限制，采用錨桿和錨索平衡該部分剩余下滑力。

2.1.1 錨索設(shè)計

擬采用φj15(7φ5)鋼絞線，其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 720 N/mm2，設(shè)計強(qiáng)度1 220 N/mm2，每根錨索的極限承載力為

(3)

式中,n為鋼絞線根數(shù)，根；S為每束鋼絞線折算面積，mm2；[σ]為每束鋼絞線設(shè)計強(qiáng)度，N/mm2。

2.1.2 砂漿與錨索間的握裹力

本次設(shè)計按M30砂漿考慮計算，單根錨索的極限握裹力為

(4)

式中,Le為錨索有效錨固段長度，Le=8 m；d為錨索換算直徑，m；τ2為鋼絞線與砂漿間抗剪強(qiáng)度，MPa;τ取0.8 MPa。

2.1.3 砂漿同孔壁摩阻力P3

(5)

式中，D為鉆孔直徑，D=130 mm；τ3為砂漿與孔壁的黏聚力，MPa。

根據(jù)相關(guān)錨固規(guī)范，錨索(桿)安全儲備取K=2，一般來說，P1，P2不控制錨索設(shè)計，只起校核作用，錨索與孔壁的摩阻力P3為三者中最小，因此取P3進(jìn)行錨索設(shè)計，單根錨索可提供的錨固力為P′=753 kN(8×φj15)。

2.1.4 抗滑阻力

按P=750 kN計算，則有

Fp=Pntanφ+Pt=843.15kN,

(6)

式中,Pn為錨固力沿滑面的法向分量,kN；Pt為錨固力沿滑面方向分量,kN；φ為底角出口處巖體的內(nèi)摩擦角，取28°。

為安全考慮，將這部分增量作為安全儲備，仍取單根錨索750 kN滑面方向的抗力進(jìn)行設(shè)計。

在加固區(qū)內(nèi)共布置138根錨索，水平間距3 m，長度16～22 m，鉆孔孔徑130 mm。錨索上安裝導(dǎo)正架，采用預(yù)應(yīng)力錨索，孔底注漿，材料為M30砂漿。

2.2 錨桿設(shè)計[4]

根據(jù)邊坡巖體完整性、節(jié)理構(gòu)造發(fā)育和節(jié)理產(chǎn)狀，采用水泥砂漿全長黏結(jié)型錨桿對邊坡巖體進(jìn)行加固。錨桿桿體采用2根φ32 mm螺紋鋼焊接，錨桿上焊接導(dǎo)正架，采用全長黏結(jié)性錨桿，孔內(nèi)注漿，材料為M30水泥砂漿，錨桿鉆孔孔徑≮90 mm，按3 m×4 m間距布置。

2.3 噴錨網(wǎng)

封閉邊坡巖體表面，噴錨網(wǎng)內(nèi)的鋼筋與掛網(wǎng)錨桿焊接，形成整體支護(hù)效果。

在加固區(qū)范圍內(nèi)，可根據(jù)現(xiàn)場實際條件實施局部噴錨網(wǎng)護(hù)坡，采用φ6.5 mm圓鋼，鋼筋網(wǎng)200 mm×200 mm，掛網(wǎng)錨桿選用φ18 mm螺紋鋼，長度2 m和4 m交錯布置，錨桿網(wǎng)度2 m×2 m，鉆孔孔徑42 mm，黏結(jié)劑為1∶1水泥漿，噴射混凝土為C20，厚度100 mm，在網(wǎng)噴坡面上設(shè)置導(dǎo)水孔，采用φ60 mmPVC管，網(wǎng)度2 m×2 m，長度0.20 m。

2.4 橫、豎梁

為了增強(qiáng)邊坡的整體性，使坡面受力均勻，同時達(dá)到長錨桿、錨索共同受力的目的，設(shè)置縱橫連續(xù)梁，豎梁水平間距為3 m，橫梁排距根據(jù)錨桿、錨索排距而定。橫豎梁采用C30現(xiàn)澆混凝土。

2.5 邊坡加固效果

邊坡采取框格加固措施以后，安全系數(shù)有了大幅提高，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)提高了13.75%～33.09%，達(dá)到1.3以上，滿足相應(yīng)規(guī)范要求，邊坡安全儲備充足，其穩(wěn)定性分析結(jié)果見表3。

表3 邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

2.6 邊坡加固注意事項

由于水廠鐵礦邊坡坡面巖體節(jié)理構(gòu)造發(fā)育[5]，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在采場爆破振動等綜合因素影響下，容易在施工過程中產(chǎn)生一系列安全問題，為此，需采取一些安全措施來保證生產(chǎn)中的安全：①作業(yè)前要對周圍環(huán)境、作業(yè)條件全面檢查，確認(rèn)安全后方可作業(yè)，不得冒險作業(yè),施工作業(yè)過程中要隨時觀察、確認(rèn)工作環(huán)境變化，發(fā)現(xiàn)邊坡掉塊、裂紋、崩塌、滑坡等跡象時，立即停止作業(yè)、撤離危險區(qū)域;②施工人員在腳手架上高空作業(yè)時，必須正確佩戴安全帽和安全帶等勞保防護(hù)用品；③按規(guī)定處理好基層，內(nèi)排柱距離構(gòu)筑物不得大于200 mm。

3 結(jié) 論

(1)未采取加固措施前，首鋼水廠鐵礦邊坡安全系數(shù)均低于1.15，安全儲備不足，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，主要以滑移破壞方式為主。

(2)通過確定滑動面的剩余滑動力以及錨桿、錨索的承載力，對邊坡加固方式進(jìn)行了優(yōu)化分析，確定了框格梁、錨索、錨桿混合交叉的新型加固方式。結(jié)果顯示，整體作用明顯，加固效果較優(yōu)，邊坡穩(wěn)定性增強(qiáng)，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，安全儲備充足，顯示了新型加固方式的合理性、科學(xué)性。

(3)在工程實施中應(yīng)注意施工安全，做好施工預(yù)案，加強(qiáng)雨季來臨時邊坡施工監(jiān)測；做好施工中各項工序的檢查工作，確保工程施工時邊坡安全穩(wěn)定。

[1] 趙尚毅，鄭穎人，時衛(wèi)民，等.用有限元強(qiáng)度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[J].巖土工程學(xué)報,2002,24(3):343-346.

[2] 趙尚毅，鄭穎人，張玉芳.有限元強(qiáng)度折減法中邊坡失穩(wěn)的判據(jù)探討[J].巖土力學(xué)，2005，26(2)：332-336.

[3] 鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社，2007.

[4] 連鎮(zhèn)營，韓國城，孔憲京.強(qiáng)度折減有限元法研究開挖邊破的穩(wěn)定性[J].巖土工程學(xué)報，2001，23(4)：407-411.

[5] 鄭穎人,趙尚毅.邊(滑)坡工程設(shè)計中安全系數(shù)的討論[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006,25(9):1937-1940.

2016-06-27)

鄧敢平(1970—)，科長，高級工程師，碩士，064404 河北省唐山市遷安市。