預(yù)應(yīng)力錨索地梁在礦山已變形邊坡加固中的應(yīng)用

魏萬鴻， 宿 星,2， 葉偉林,2， 吳瑋江， 申虎軍， 楊 濤

(1.甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所，甘肅 蘭州 730000； 2.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000； 3.酒泉鋼鐵〈集團(tuán)〉有限責(zé)任公司鏡鐵山礦，甘肅 嘉峪關(guān) 735101)

預(yù)應(yīng)力錨索地梁在礦山已變形邊坡加固中的應(yīng)用

魏萬鴻1， 宿 星1,2， 葉偉林1,2， 吳瑋江1， 申虎軍3， 楊 濤1

(1.甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所，甘肅 蘭州 730000； 2.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000； 3.酒泉鋼鐵〈集團(tuán)〉有限責(zé)任公司鏡鐵山礦，甘肅 嘉峪關(guān) 735101)

巖土錨固是邊坡巖土體加固的主要措施。以酒泉鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司鏡鐵山礦黑溝礦區(qū)已變形邊坡加固工程為例，利用Slide軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)已變形邊坡采取預(yù)應(yīng)力地梁錨固+坡頂防滲排水+主、被動(dòng)網(wǎng)防護(hù)+隨機(jī)錨固的綜合治理工程措施，闡明了高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索地梁的一般程序與方法。實(shí)踐表明，采用以預(yù)應(yīng)力錨索地梁為主的綜合防治措施，對(duì)已變形高邊坡的變形控制和支護(hù)效果較好。

預(yù)應(yīng)力錨索地梁；變形邊坡；邊坡穩(wěn)定性計(jì)算；邊坡加固；巖土錨固

巖土錨固是邊坡巖土體加固的主要措施，以其能充分發(fā)揮巖土體自身強(qiáng)度，增加自穩(wěn)能力，加固效果好，地層適用范圍廣，作業(yè)空間占用少，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能保證工程長(zhǎng)期穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在礦山、水利水電、交通、建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。對(duì)已變形邊坡體或?qū)ψ冃慰刂埔筝^高的邊坡，預(yù)應(yīng)力錨固不失為一種較為科學(xué)可靠的加固手段[4-9]。以酒泉鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司鏡鐵山礦黑溝礦區(qū)已變形邊坡加固工程為例，說明預(yù)應(yīng)力錨固的設(shè)計(jì)、施工與實(shí)效。

1 問題的提出

酒泉鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司鏡鐵山礦黑溝礦區(qū)一工程邊坡上部為黑溝礦區(qū)3470 m提升機(jī)房，下部為3400 m作業(yè)平臺(tái)(見圖1)，兩處設(shè)施均為礦山生產(chǎn)的關(guān)鍵，其安全運(yùn)行直接關(guān)系到礦山的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)[10]。

該邊坡原為自然邊坡，由于3400m平臺(tái)的開挖，形成了上緩下陡的人工邊坡，邊坡上部為礦區(qū)生產(chǎn)道路通往提升機(jī)房，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，該邊坡已發(fā)生變形，在道路路面存在3條滑動(dòng)裂縫，延伸長(zhǎng)度30～50 m，寬10～20 cm，可見深30 cm以上(見圖2)，若不采取加固措施，邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)的可能性很大。

圖1 3400～3470 m邊坡地形地貌圖

圖2 3470 m路面變形

2 邊坡概況

2.1 邊坡體地質(zhì)結(jié)構(gòu)

該邊坡位于3470～3400 m作業(yè)平臺(tái)之間，上部有1～4 m的殘坡積碎石土層極不均質(zhì)，具架空結(jié)構(gòu)；下部為基巖，巖性為鈣質(zhì)千枚巖，屬軟巖，抗風(fēng)化能力較差，軟化系數(shù)大，表層風(fēng)化裂隙發(fā)育，節(jié)理裂隙密度較大，強(qiáng)風(fēng)化層厚度5 m左右，透水性較好(見圖3)。

2.2 坡體規(guī)模及變形特征

圖3 邊坡工程地質(zhì)剖面(2-2剖面)

邊坡相對(duì)高差70 m，坡度45°左右，下部由于3400 m平臺(tái)開拓，形成了高20 m以上的臨空面，坡面上部為碎石土層覆蓋，下部基巖裸露。3470 m道路寬8～10 m，開拓過程中，形成了較多松散物質(zhì)，自然堆放在邊坡上，加之道路車輛荷載等影響，3470 m道路發(fā)生沉陷，局部沉降量達(dá)2 m以上，路面存在3條滑動(dòng)裂縫，延伸長(zhǎng)度30～50 m，寬10～20 cm，可見深30 cm以上。道路內(nèi)側(cè)擋土墻已局部產(chǎn)生變形破壞。為此，在坡面上設(shè)置了主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，在一定程度上緩解了坡面滑動(dòng)危險(xiǎn)性，防止表層落石及崩塌的發(fā)生，但仍沒有改變邊坡的不穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)的可能性很大。

3 邊坡穩(wěn)定性分析與計(jì)算

3.1 穩(wěn)定性計(jì)算方法

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及鉆探表明，邊坡已發(fā)生蠕動(dòng)變形，滑動(dòng)變形滑面基本為基巖頂面，滑坡后緣為路面中部附近，滑面類型為折線型，穩(wěn)定性計(jì)算按勘察結(jié)果確定滑面，采用畢曉普(Bishop)條分法公式[11-12]計(jì)算。

正常條件下：

地震條件下：

式中：Fs——斜坡穩(wěn)定性系數(shù)；Wi——第i條塊邊坡土條重力，kN；αi——第i條邊坡土條傾角，(°)；ΔLi——第i條邊坡土條潛在滑面長(zhǎng)度，m；ci——第i條邊坡土條的粘聚力，kPa；φi——第i條邊坡土條的內(nèi)摩擦角，(°)；a/g——地震水平系數(shù)；Cz——地震影響系數(shù)，取0.25。

3.2 參數(shù)選取及計(jì)算結(jié)果

邊坡巖土體的重度、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力等參數(shù)在試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)邊坡穩(wěn)定情況進(jìn)行反算，并參考了有關(guān)經(jīng)驗(yàn)值綜合確定，見表1。

表1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

邊坡穩(wěn)定性采用Slide軟件計(jì)算(圖4)，計(jì)算結(jié)果如表2。

圖4 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算剖面(2-2剖面)表2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果(Bishop法)

工況條件穩(wěn)定性系數(shù)Fs2-2'剖面3-3'剖面穩(wěn)定狀態(tài)Ⅰ工況:自重 0.9811.069臨界穩(wěn)定Ⅱ工況:自重+地震0.9010.971不穩(wěn)定

計(jì)算結(jié)果表明，該邊坡穩(wěn)定性系數(shù)在正常情況下為0.981～1.069；地震條件下穩(wěn)定性系數(shù)為0.901～0.971，邊坡穩(wěn)定系數(shù)<1.0，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，之所以沒有發(fā)生滑動(dòng)，主要是因?yàn)橹鲃?dòng)防護(hù)網(wǎng)對(duì)坡體的加固作用。該邊坡長(zhǎng)期以來一直處于整體蠕動(dòng)滑移狀態(tài)，加上邊坡面較陡，前部臨空條件好，坡體的穩(wěn)定性差，在地震、降水等外部因素的引發(fā)作用下坡體有進(jìn)一步失穩(wěn)滑動(dòng)的可能。

4 邊坡加固設(shè)計(jì)

該邊坡上部為3470 m水平道路，下部為3400 m作業(yè)平臺(tái)，均為礦山運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵部位，邊坡上部無削方條件，下部無支護(hù)空間，同時(shí)，受礦山任務(wù)要求，施工期無法停止礦山生產(chǎn)，施工條件較為困難。根據(jù)國(guó)內(nèi)外巖質(zhì)邊坡加固經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合該邊坡的具體工程地質(zhì)條件，經(jīng)綜合分析后，確定采取預(yù)應(yīng)力地梁錨固+坡頂防滲排水+主、被動(dòng)網(wǎng)防護(hù)+隨機(jī)錨固綜合治理工程措施(見圖5)。

4.1 預(yù)應(yīng)力錨索地梁

圖5 邊坡加固工程平面布置

對(duì)邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)的92 m寬坡段采取預(yù)應(yīng)力地梁錨固措施。

設(shè)計(jì)在該邊坡布置24條預(yù)應(yīng)力錨索地梁，錨固段位于基巖中，錨固段長(zhǎng)度7 m，錨索地梁水平間距為4.0 m，預(yù)應(yīng)力錨索坡向垂直間距3.0 m，孔徑130 mm，傾角20°，單孔設(shè)計(jì)拉力500 kN，錨筋采用5?15.24高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線制作，錨索結(jié)構(gòu)如圖6所示。地梁截面尺寸0.6 m×0.5 m，采用C30混凝土澆筑。

圖6 預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)

錨索地梁在現(xiàn)狀坡面上設(shè)置，并在地梁下鋪5～10 cm厚的C10混凝土墊層找平。地梁設(shè)置在現(xiàn)有坡面上，各段邊坡坡率可能不一致，因而地梁長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際情況做相應(yīng)調(diào)整。

各條地梁沿坡面延伸較長(zhǎng)，為便于施工，并適應(yīng)坡面地形起伏，將地梁設(shè)計(jì)為I型地梁、II型地梁2種類型(見圖7)，其中I型地梁安裝錨索3根，II型地梁布置錨索4根，并在Ⅰ型地梁、II型地梁錨索孔間布置長(zhǎng)4 m的固定錨桿，錨桿直徑為28 mm。

圖7 邊坡預(yù)應(yīng)力錨索地梁加固剖面(2-2剖面)

采取Slide邊坡設(shè)計(jì)軟件，按設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)建立支護(hù)模型，經(jīng)計(jì)算，按設(shè)計(jì)加固后，正常工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)>1.30，滿足該工程邊坡安全要求。

4.2 隨機(jī)錨桿加固設(shè)計(jì)

該邊坡下部西側(cè)由于軟弱結(jié)構(gòu)面的存在，發(fā)育有較大危巖體，質(zhì)量達(dá)100～200 t的危巖體直接威脅礦山生產(chǎn)及人員安全，設(shè)計(jì)采用錨桿墩加固。錨桿長(zhǎng)度為8.5 m，錨桿間距2.5 m，錨桿結(jié)構(gòu)與地梁中錨桿相同。錨桿墩的尺寸為0.3 m×0.3 m×0.2 m，采用C30混凝土澆筑。

4.3 路面防滲排水設(shè)計(jì)

對(duì)該邊坡上部約132 m進(jìn)場(chǎng)道路采取路面防滲措施，對(duì)路面上部滲透性較好的砂礫石層進(jìn)行換填，換填深度為0.7 m，下部采用0.3 m厚2∶8水泥土夯填作為防滲層，上部面層采用0.4 m厚泥結(jié)石作為道路面層。道路內(nèi)側(cè)設(shè)排水邊溝，采取“遠(yuǎn)接遠(yuǎn)送”的原則，將路面匯水在加固段西側(cè)適宜路段集中疏排。

4.4 主、被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)防護(hù)設(shè)計(jì)

該邊坡下段為人工開挖邊坡，基巖裸露，坡體巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育，易產(chǎn)生崩塌、掉塊，威脅3400 m水平作業(yè)平臺(tái)財(cái)產(chǎn)及人員安全。設(shè)計(jì)在邊坡下段采用GAR2型主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。對(duì)3400 m作業(yè)平臺(tái)東、西硐口及進(jìn)場(chǎng)道路上部設(shè)主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)部位分別設(shè)長(zhǎng)50 m的RX-050型被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)。

4.5 監(jiān)測(cè)措施

施工過程中，在該邊坡坡頂、坡中各設(shè)3個(gè)臨時(shí)性位移觀測(cè)點(diǎn)，定時(shí)觀測(cè)各點(diǎn)位移狀況，密切注意邊坡穩(wěn)定性。主體工程完工后，在該邊坡坡頂、坡中各設(shè)3個(gè)永久性位移觀測(cè)點(diǎn)，并建立巡查監(jiān)測(cè)制度，專人、定期觀測(cè)各點(diǎn)位移狀況，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性長(zhǎng)期觀測(cè)。

5 邊坡加固施工及治理效果

該工程于2012年6月開工，并于2013年6月順利完成。施工中在做好下部3400 m作業(yè)平臺(tái)、3470 m道路安全防護(hù)的基礎(chǔ)上，礦山生產(chǎn)正常進(jìn)行。施工期間加強(qiáng)對(duì)邊坡穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)，所觀測(cè)到的數(shù)值均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。施工結(jié)束后，3470 m道路內(nèi)側(cè)排水渠處原主動(dòng)網(wǎng)固定鋼纜由原來的受力張拉狀態(tài)，逐漸變成松弛的卸荷狀態(tài)，說明坡面支護(hù)施加預(yù)應(yīng)力后，坡面變形得到大幅度的改善。工程竣工至今，已經(jīng)過了4個(gè)雨季的嚴(yán)峻考驗(yàn)，邊坡未曾發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定跡象，這表明加固工程設(shè)計(jì)是有效、安全可靠的(見圖8)，可為廣大工程設(shè)計(jì)人員提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

圖8 加固后整體效果明顯

6 結(jié)論

(1)對(duì)于需要嚴(yán)格控制邊坡變形，施工場(chǎng)地狹窄的礦山邊坡加固工程，可采用預(yù)應(yīng)力錨索地梁支護(hù)形式，在不停止礦山生產(chǎn)的前提下，可以實(shí)現(xiàn)順利施工和加固安全，變形控制和支護(hù)效果較好。

(2)邊坡加固應(yīng)采取綜合措施，將坡面柔性防護(hù)(主、被動(dòng)網(wǎng))與預(yù)應(yīng)力錨索地梁、坡面截排水措施結(jié)合在一起，能較好的實(shí)現(xiàn)邊坡防護(hù)目標(biāo)。

(3)該工程實(shí)踐證明，可以應(yīng)用Slide軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析，同時(shí)可以利用該軟件提供的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行邊坡加固設(shè)計(jì)，該軟件邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析符合工程實(shí)際，加固設(shè)計(jì)計(jì)算能滿足工程需要。

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[12] GB 50330—2002，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].

Application of Pre-stressed Anchor Cable Groundsill in Reinforcement Engineering of Deformed Mine Slope

WEIWan-hong1,SUXing1,2,YEWei-lin1,2,WUWei-jiang1,SHENHu-jun3,YANGTao1

(1.Hazards Prevention Institute, Gansu Academy of Sciences, Lanzhou Gansu 730000, China; 2.Key Laboratory of Western China’s Environmental Systems 〈Ministry of Education〉, College of Earth and Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou Gansu 730000, China; 3.Jiuquan Iron and Steel 〈Group〉 Co., Ltd., Jingtieshan Mine, Jiayuguan Gansu 735101, China)

Geotechnical anchoring is the main measure of slope rock and soil reinforcement. Take an example of deformed slope reinforcement project in Heigou mining area of Jingtieshan mine, the slope stability analysis and supporting structure design calculation are made by using Slide software, then the comprehensive management engineering measures of groundsill by pre-stressed anchorage + slope top seepage prevention drainage + active and passive network protection + random anchorage are adopted for the deformed slope. This paper illustrates the general construction procedure and methods of the high slope pre-stressed anchor cable groundsill. The practice shows that the comprehensive prevention and control measures based on the pre-stressed anchor cable groundsill are good for the deformation control and the supporting effect of the deformed high slope.

pre-stress anchor cable groundsill; deformed slope; slope stability calculation; slope reinforcement; geotechnical anchoring

2017-04-06；

2017-06-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“甘肅省不同類型黃土滑坡的滑動(dòng)致災(zāi)空間預(yù)測(cè)研究”(編號(hào)：41362014)；甘肅省科技廳民生計(jì)劃項(xiàng)目“蘭州北山一帶黃土山坡建筑區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)及防災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)研究”(編號(hào)：1209FCMA012)；甘肅省青年基金項(xiàng)目“永靖縣庫(kù)區(qū)黃土滑坡滑動(dòng)致災(zāi)空間預(yù)測(cè)研究”(編號(hào)：145RJYA314)；甘肅省科學(xué)院應(yīng)用研發(fā)項(xiàng)目(編號(hào)：2012JK-07、2013JK-06、2013JK-07、2013QN-13、2015JK-01)

魏萬鴻，男，漢族，1968年生，滑坡室主任，高級(jí)工程師，從事地質(zhì)工程與地質(zhì)災(zāi)害防治研究工作，甘肅省蘭州市城關(guān)區(qū)定西南路211號(hào)，873274908@qq.com。

宿星，男，漢族，1979年生，副研究員，碩士，從事地質(zhì)工程與地質(zhì)災(zāi)害防治研究工作，甘肅省蘭州市城關(guān)區(qū)定西南路211號(hào)，geocity@163.com。

P642.22；TE325+.3

A

1672-7428(2017)07-0071-05