大型廢礦危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究

王采扣 濮仕坤

(1.江蘇省中成建設(shè)工程總公司，江蘇 南京 210018； 2.解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

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大型廢礦危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究

王采扣1濮仕坤2

(1.江蘇省中成建設(shè)工程總公司，江蘇 南京 210018； 2.解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

分析了某廢礦山體危巖分布狀況，對(duì)危巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行了定性及數(shù)值定量分析，并通過落石試驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值分析的可靠性，針對(duì)該危巖體在暴雨工況下呈欠穩(wěn)定狀態(tài)的問題，給出了相應(yīng)的處置建議。

廢礦，危巖體，穩(wěn)定性，數(shù)值分析

1 概述

隨著礦產(chǎn)事業(yè)的不斷發(fā)展，很多礦脈在大量采掘后趨于枯竭，這些礦址最后大多廢棄，廢礦的處置成為近年來采礦事業(yè)中研究的熱點(diǎn)問題。由于在采掘的過程中機(jī)械切割，炸藥爆破，產(chǎn)生大量陡直邊坡，而這些受到擾動(dòng)的邊坡，其穩(wěn)定性就成為廢礦治理中最突出的問題。

廢礦問題在我國由來已久。徐志英等[1]用靜力有限單元法和動(dòng)力有限單元法,考慮到尾礦材料的靜力非線性和動(dòng)力非線性；郭增濤等[2]分析了露天礦邊坡滑動(dòng)圓弧的穩(wěn)定性；王飛躍[3]首次建立了尾礦壩穩(wěn)定性的未確知綜合評(píng)價(jià)模型；嚴(yán)濤[4]利用civilfem以首云鐵礦和尚峪尾礦庫東壩為研究對(duì)象，分析了壩體的穩(wěn)定性。

2 工程概況

2.1 項(xiàng)目簡介

江南水泥廠采石公司牛山頭礦區(qū)1號(hào)宕口廢棄礦山崩塌地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)位于南京市棲霞區(qū)棲霞街道，地處棲霞山風(fēng)景區(qū)東麓。礦山始建于二十世紀(jì)六七十年代，主要開采建筑用灰?guī)r。由于城市建設(shè)、總體規(guī)劃及環(huán)境保護(hù)的需要，2000年左右，當(dāng)?shù)卣畬?duì)該礦區(qū)進(jìn)行停采關(guān)閉。由于該礦山在開采時(shí)處于計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)期，沒有制定合理的開發(fā)利用方案，導(dǎo)致礦區(qū)內(nèi)形成了高陡的巖質(zhì)邊坡。邊坡巖體中節(jié)理裂隙發(fā)育，多處可見危巖體，目前坡面節(jié)理較發(fā)育處已發(fā)生幾處規(guī)模不等的崩塌，坡面內(nèi)還存在很嚴(yán)重的崩塌隱患，對(duì)周邊活動(dòng)人員生命安全造成了較嚴(yán)重的威脅，需盡快對(duì)區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行治理。

2.2 工程地質(zhì)簡況

在工作區(qū)及其周邊，主要分布泥盆系、石炭系、二疊系、侏羅系、第四系地層。經(jīng)過詳細(xì)的地質(zhì)勘查，發(fā)現(xiàn)危巖區(qū)場地內(nèi)存在6條斷層，其中，F(xiàn)1斷層距離坡面較遠(yuǎn)，不會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。F2斷層走向與邊坡走向大致相同，出露于邊坡坡頂處。在降雨、風(fēng)化等外界因素的共同作用下，容易引發(fā)局部的崩塌地質(zhì)災(zāi)害。F3，F(xiàn)4斷層的走向也與邊坡走向大致相同，且傾角均近直立。F5，F(xiàn)6均為近直立平移斷層，且兩條斷層均近垂直地與邊坡面相交，F(xiàn)4，F(xiàn)6，坡面三者相交的區(qū)域巖體較破碎，目前已經(jīng)發(fā)生了一處規(guī)模較小的崩塌。

2.3 工程地貌簡況

在工作區(qū)內(nèi)，邊坡坡頂未受采石開挖擾動(dòng)，保留著原有的地形地貌。坡頂山體原始坡度約為30°，且完全被植被所覆蓋。坡頂最大高程為124.4 m，該最高點(diǎn)與現(xiàn)有采石坡面的最小水平距離約為72 m。

現(xiàn)有采石坡面最大高差約76 m，坡肩處的最大絕對(duì)高程為110 m，傾角55°～70°不等。坡面沿走向長約530 m，坡面內(nèi)基巖裸露，只在節(jié)理裂隙較發(fā)育的巖體處長有零星植被。

坡腳以外的宕底區(qū)域，總體地形為東高西低，東側(cè)廢棄地較平整，高程40 m～50 m，場地西側(cè)地形高低不平，高程20 m～43 m，雜草、灌木叢生，分布多處廢棄采石堆和一處高約25 m的采殘山丘，宕底低洼處積水成塘，水塘距離采石坡面坡腳的最小水平距離約為23 m。

3 危巖分布及形態(tài)特征

工作區(qū)邊坡坡面最大高差為76 m，寬約530 m，坡度為55°～70°。邊坡巖體總體為較完整～較破碎。擬治理的邊坡面投影面積約為20 302.5 m2，坡面面積約為40 605 m2，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)果，共發(fā)現(xiàn)4處已崩塌點(diǎn)，15處尚未發(fā)生崩塌的危巖體，已崩塌點(diǎn)、潛在崩塌危巖體在邊坡坡面內(nèi)的分布見圖1。

4 危巖體穩(wěn)定性分析

4.1 定量分析

勘查區(qū)一共存在三類崩塌危巖體：傾倒式、滑移式和墜落式。在進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，對(duì)于每種崩塌類型均分別選取一處有代表性的危巖體，依據(jù)相應(yīng)的計(jì)算模型，對(duì)危巖體目前的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行分析。

對(duì)于三種類型的崩塌危巖體，分別取具有代表性的危巖體進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，取4號(hào)，9號(hào)，11號(hào)危巖體來分別計(jì)算墜落式、滑移式、傾倒式崩塌危巖體的穩(wěn)定性。

通過計(jì)算，依據(jù)DZ/T 0218—2006滑坡防治工程勘查規(guī)范中危巖體穩(wěn)定程度等級(jí)劃分表(見表1)，評(píng)價(jià)危巖體的穩(wěn)定狀態(tài)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。

表1 危巖穩(wěn)定性程度劃分表

表2 危巖體穩(wěn)定性系數(shù)及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.2 數(shù)值模擬

根據(jù)治理工程的需要，本次勘查對(duì)危巖破壞后的運(yùn)動(dòng)情況采用Rockfall 軟件進(jìn)行模擬，并確定了崩塌的最大影響范圍。

根據(jù)測量得出的邊坡地形圖，沿邊坡走向，每隔一段距離截取剖面，共截取8個(gè)計(jì)算剖面，將剖面的dxf 文件導(dǎo)入Rockfall 軟件。由于邊坡現(xiàn)場的實(shí)際情況十分復(fù)雜，在模擬計(jì)算時(shí)，取偏于保守的計(jì)算方法和參數(shù)(落石重量、阻尼系數(shù)等)來進(jìn)行分析。表3中統(tǒng)計(jì)了各個(gè)剖面內(nèi)落石的最大崩塌距離。

表3 Rockfall軟件所得剖面內(nèi)落石最大崩塌距離 m

據(jù)Rockfall 軟件模擬結(jié)果可知，在現(xiàn)有邊坡地形情況下，危巖體能夠達(dá)到的最大崩塌距離為25.48 m。

5 落石試驗(yàn)

為了進(jìn)一步確定勘查區(qū)危巖失穩(wěn)后的最大崩塌距離，采用現(xiàn)場落石試驗(yàn)，來得出更加真實(shí)的結(jié)果。具體的落石試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 現(xiàn)場落石試驗(yàn)結(jié)果

由于坡頂植被發(fā)育且坡面高陡，進(jìn)行落石試驗(yàn)的難度和危險(xiǎn)系數(shù)較高，因此在坡頂僅找到3 處植被稀疏適合滾石下山的試驗(yàn)點(diǎn)。這3個(gè)點(diǎn)中包含了邊坡的最高點(diǎn)，因此試驗(yàn)結(jié)果具有很高的參考價(jià)值。進(jìn)行試驗(yàn)所用的石塊均從坡頂就地獲取，為了得到最大的崩塌距離，試驗(yàn)時(shí)盡量選擇圓度較高、質(zhì)地堅(jiān)硬、體積較大的巖塊作為崩塌源。

通過現(xiàn)場的落石試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

1)在落石從坡頂落入坡腳的過程中，基本呈滾落+跳落的運(yùn)動(dòng)形式，但由于邊坡坡面線整體較平順，落石在坡面垂直方向上的最大躍起高度基本不超過1 m。

2)由于邊坡巖體質(zhì)地堅(jiān)硬、坡面高陡，當(dāng)采用風(fēng)化程度較高的落石進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)巖石在未落至地面時(shí)已被撞碎，最后落至地面的巖塊體積基本在幾十立方厘米左右，且崩塌距離較小。

3)邊坡坡腳地勢(shì)低洼、植被較發(fā)育處，落石的崩塌距離會(huì)比地勢(shì)較高且碎石堆積體裸露的坡腳處崩塌距離小很多。

4)通過坡頂3處落石試驗(yàn)，可得落石的最大崩塌距離約20 m。

6 結(jié)論和建議

通過前述分析，危巖體的穩(wěn)定性在暴雨工況下呈欠穩(wěn)定狀態(tài)，安全儲(chǔ)備不足，需要采取工程措施對(duì)其進(jìn)行治理。根據(jù)實(shí)際情況，建議采用下列綜合措施：

1)對(duì)于塊體較小危巖，可采取人工清坡的方式清除，解除其失穩(wěn)可能對(duì)坡下人員和設(shè)施的威脅；

2)對(duì)于規(guī)模較大者，如果采取清除的方式會(huì)造成大規(guī)模的開山，以及坡面植被大面積的損毀，建議采用局部錨桿錨固的方式進(jìn)行支護(hù)；

3)對(duì)于因斷層切割而形成的已崩塌區(qū)，巖體性質(zhì)仍然較差，建議采用主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)；

4)在邊坡坡腳一定寬度范圍內(nèi)應(yīng)設(shè)置落石隔離帶，在隔離帶內(nèi)種植植被，在隔離帶外圍設(shè)置鋼絲網(wǎng)柵欄，并設(shè)立警示標(biāo)志，防止附近居民及行人進(jìn)入落石隔離帶內(nèi)造成生命、財(cái)產(chǎn)的損失；

5)在防治工程實(shí)施前以及工程實(shí)施后，制定專業(yè)監(jiān)測方案和群防群測方案，組織相關(guān)人員加強(qiáng)對(duì)該邊坡的監(jiān)測，以達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。同時(shí)制訂預(yù)案，明確工程治理前、治理過程中以及治理工程運(yùn)行后的相關(guān)防災(zāi)、減災(zāi)和受災(zāi)后的救災(zāi)工作。

[1] 徐志英,沈珠江.高尾礦壩的地震液化和穩(wěn)定分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),1981,3(4):22-32.

[2] 郭增濤,劉志斌.露天礦邊坡圓弧滑面幾種計(jì)算方法的分析研究[J].露天采礦,1986(2)：40-43.

[3] 王飛躍.基于不確定性理論的尾礦壩穩(wěn)定性分析及綜合評(píng)價(jià)研究[D].長沙：中南大學(xué),2009.

[4] 嚴(yán) 濤.基于Ansys/Civilfem尾礦壩穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)分析[D].沈陽：東北大學(xué),2008.

Evaluation of dangerous rock stability of large strip mine

Wang Caikou1Pu Shikun2

(1.JiangsuZhongchengConstructionEngineeringCorporation,Nanjing210018,China; 2.NationalDefenseCollegeofEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

Analysis of dangerous rock body repair an abandoned mine distribution, dangerous rock mass stability of the qualitative and quantitative numerical analysis, experimental verification by rockfall numerical analysis of reliability, according to the un-steady state problems of this dangerous rock mass under heavy rain condition, and the corresponding disposal comments and suggestions.

strip mine, dangerous rock mass, stability, numerical analysis

1009-6825(2016)26-0102-03

2016-07-08

王采扣(1980- )，男，工程師

TD315

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