研山鐵礦風化巖體邊坡穩(wěn)定性分析及綜合加固

張樹東

(河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司)

目前，我國70%以上的鐵礦為露天開采方式，有力地提高了國家鐵礦資源的安全保障程度[1]。保持露天邊坡的穩(wěn)定性是實現(xiàn)鐵礦資源安全開采的核心工作之一[2]，然而，受到礦山開采技術條件的限制，部分臺階及邊坡只能布設在軟弱、破碎、土系層等不良巖體中，在降雨、爆破震動等因素的影響下難以長期保持穩(wěn)定，對礦山的生產造成巨大的安全隱患。據統(tǒng)計，我國主要露天金屬礦存在滑坡、傾倒等潛在地質災害的邊坡占邊坡總量的15%～20%[3]。國內外學者針對露天邊坡的穩(wěn)定性及加固措施進行了深入的研究，如Xue HAN等[4]分析了高陡邊坡中誘發(fā)滑坡等地質災害的敏感性因素，提出用MSARMA法進行高陡邊坡穩(wěn)定性評估的方法；韓斌等[5]對低強度易風化破碎邊坡采取噴錨網+長錨索、HDPE防滲膜等加固措施，通過地表排水溝及坡體內部鑿泄水孔疏干排水等方式，實現(xiàn)了275 m 高邊坡的安全加固；牟春梅等[6]綜合分析了預應力錨索格構梁、預應力錨索抗滑樁在某古滑坡治理工程中的施工難易度、技術經濟指標及環(huán)境影響，確定了合理的支護方式；張樹東[7]在分析影響研山鐵礦邊坡穩(wěn)定性主要因素后，采用全長粘結錨桿、預應力錨索、噴射混凝土等措施對邊坡進行分區(qū)治理。這些類似的研究為風化巖體邊坡穩(wěn)定性分析及綜合加固提供了良好的借鑒。本文在分析研山鐵礦東幫邊坡穩(wěn)定性及地質災害體特征的基礎上，提出綜合危巖清理、錨索格構梁施工、放水孔疏干、截排水溝等措施的綜合治理方案，并通過現(xiàn)場邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測來驗證方案的可靠性，從而提高N26線區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性。

1 邊坡穩(wěn)定性分析

1.1 采場東幫邊坡現(xiàn)狀

研山鐵礦最低開采標高為-127 m，臺階高度為12～15 m，已形成+30，+6，-18，-42，-67，-97，-112，-127 m平臺；其中，采場東幫N22線以北-42 m 以上邊坡基本靠界，N26線區(qū)域邊坡-67 m以上基本靠界。采場礦石固定運輸公路沿采場東幫布置，-42 m水平以上固定公路已形成，-42 m以下為臨時公路。采場排洪管線沿東幫邊坡鋪設，位于N26線附近，鋪至采場東幫外的新河。

受東幫新河水及降雨的影響，2016年7月N26線區(qū)域-42～-67 m發(fā)生順層滑坡，滑坡體高度約25 m，南北長約40 m，體積約1 000 m3，見圖1(a)；2017年2月，同區(qū)域再次發(fā)生滑坡(圖1(b))，威脅采場下方平臺、設備、人員、車輛的安全。2次滑坡雖未造成人員重大安全事故，但礦區(qū)固定運輸公路、排水管線正處于該滑坡體區(qū)域，滑坡體造成排水管道彎曲變形，若在汛期防洪管線造成破壞，將嚴重威脅采場人員及設備安全，造成重大經濟損失。

1.2 地質災害體特征

研山鐵礦露天采場東幫上覆第四系，厚約40 m；下部為巖質邊坡，主要為強風化黑云變粒巖、微風化黑云變粒巖及黑云變粒巖，巖體傾角為40°～60°，傾向230°～270°。區(qū)內基巖只在殘丘分布部位出露地表，其余部位均為第四系覆蓋，基巖出露面積小于總面積的20%。東幫邊坡主要巖體物理力學參數(shù)見表1，可見采場上部第四系、強風化黑云變粒巖及白云母片巖的黏聚力低于其他巖體?，F(xiàn)場觀測結果也表明，該類巖體在長期風化侵蝕作用下，強度持續(xù)弱化，容易形成潛在的滑動層位。露天邊坡失穩(wěn)滑坡通常起源于該類低強度、易風化的層位，并在重力等外力的作用下進一步錯動、切割、貫通和發(fā)展，最終形成組合滑動面。另一方面，區(qū)內構造形跡以斷層為主，褶皺軸總體走向近南北向，軸面西傾，礦區(qū)地層表現(xiàn)為單斜構造；而N26線區(qū)域邊坡結構面與邊坡傾向一致(圖2)，亦是導致邊坡發(fā)生順層滑坡的主要因素之一。

圖1 東幫N26線區(qū)域滑坡情況

表1 東幫邊坡主要巖體物理力學參數(shù)

圖2 東幫N26線區(qū)域邊坡巖體層位示意

東幫鄰近新河，采場最終境界離新河的最近距離僅61 m，采場東北部第四系沖洪積砂、砂礫卵石層孔隙潛水含水層的透水性、富水性極強，新河將作為定水頭補給水源，并以N26線區(qū)域為涌水通道向采場內滲水，加劇了邊坡滑移。礦山前期已采用帷幕注漿及連續(xù)墻等堵水方案，綜合堵水效果為80%，然而，由于礦區(qū)尚未完善排水系統(tǒng)，東幫巖體受雨水及新河水侵蝕后，強風化變粒巖及云母片巖易綠泥石化，強度持續(xù)降低，綠泥石化形成軟弱層，成為發(fā)生滑坡巖層間的潤滑劑。此外，采場開采區(qū)域的融凍、爆破震動、人工開挖、礦石運輸?shù)炔焕蛩?，進一步誘發(fā)了滑坡等地質災害，嚴重威脅道路、設備及人員安全。

1.3 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

東幫第四系對應邊坡角設計為35°，第四系以下巖體設計邊坡角為65°。采用GEO-SLOPE軟件及極限平衡法分析N26線區(qū)域邊坡穩(wěn)定性，得到自然狀態(tài)下邊坡抗滑安全系數(shù)為1.163；疏干排水狀態(tài)下邊坡抗滑安全系數(shù)為1.532。

國內外大型金屬礦露天邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)一般為1.15～1.3，如大冶鐵礦為1.15～1.2，德興銅礦為1.2～1.25，大孤山鐵礦為1.15～1.25，石碌鐵礦為1.15；考慮到研山鐵礦的工程地質、水文地質及開采特點，前期確定東幫邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.15。根據GEO-SLOPE的計算分析結果，東幫邊坡在自然狀態(tài)下較難保持穩(wěn)定，疏干狀態(tài)下則可保持邊坡穩(wěn)定。然而，2次滑坡表明原有安全系數(shù)已無法滿足生產要求。根據《滑坡防治工程設計與施工技術規(guī)范》(DZ/T 0219—2006)，礦山對N26線區(qū)域的穩(wěn)定安全系數(shù)重新測算。治理區(qū)的邊坡工程安全等級為Ⅱ級，考慮到邊坡的永久性和整體性，N26線-18～-67 m坡段內加固后，自然狀態(tài)下的邊坡抗滑安全系數(shù)需達到1.22。

2 邊坡支護技術

根據滑坡的影響范圍，確定主體治理區(qū)域為東幫邊坡N26線區(qū)域，垂直方向-18～-67 m水平，水平方向南北長80 m；其中，放水孔施工區(qū)域在-18，-67 m水平，以N26線為中心的南北兩側各100 m范圍。邊坡綜合加固措施包括危巖清理、錨索格構梁、邊坡內部放水孔和地表截排水溝。

2.1 危巖清理

治理區(qū)域主要為巖質邊坡，由于邊坡高度大、巖體破碎、節(jié)理裂隙及軟弱破碎帶發(fā)育，易出現(xiàn)崩塌破壞，為保證施工安全和防護質量，施工前須對邊坡進行清坡撬毛工作，即清除坡頂上的松散、不穩(wěn)定巖塊，同時清除坡面上殘留的不穩(wěn)定巖塊及松散浮石。

首先，人工將坡面浮石除掉，掃除坡面及平臺積土，然后用水或高壓風清洗坡面；其次，人工鏟平邊坡壓頂部分，并露出堅硬地層，對于較軟或松散層，適當灑水夯實；然后，自上而下逐級進行人工清坡作業(yè)，滑塌堆積物自上而下通過斜坡通道逐級倒運至可裝車作業(yè)面；清坡作業(yè)時邊坡下方設安全警戒線，現(xiàn)場設有專職安全員。邊坡危巖清理效果見圖3。

圖3東幫N26線邊坡清理危巖效果

2.2 錨索格構梁技術

對于未達到重新測算后的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的區(qū)域，采用護坡能力強、施工簡單的錨索格構梁方式進行加固。首先，清理邊坡坡面，布設預應力錨索，錨索間距為5.0 m×6.0 m，采用鉆機成孔；其次，以錨索處為節(jié)點布置格構梁，格構梁截面尺寸為30 cm×30 cm。由于坡面部分巖石風化嚴重，在格構梁內部分坡面及坡頂部位采用C25混凝土噴射護坡，噴射混凝土厚度為5 cm，噴射區(qū)域約50%。錨索格構梁布置見圖4。

圖4 錨索格構梁布置示意

2.2.1 預應力錨索打設

預應力錨索施工順序為放孔位—穿孔(編索)—鉆孔清孔(錨索運輸)—安裝錨索—注漿—補漿—養(yǎng)護—張拉—補張拉、鎖定—錨頭包封。預應力錨索穿孔采用專用鉆機，孔徑不小于110 mm，錨索、孔位、孔徑、孔深及布置形式應符合設計要求，孔深誤差不宜超過200 mm；預應力錨索鉆孔軸線與設計偏差不大于3°，孔內積水及巖粉吹干凈，遇有塌孔情況應掃孔；錨索體應選用表面沒有損傷的高強度鋼絞線，按設計長度并考慮千斤頂張拉需要的長度，用砂輪鋸切割，綁扎編束，保證每束鋼絞線順直，不扭不交叉。施工排架須能承受大于20 kN的靜荷載及15 kN的動荷載；錨索張拉段每隔2 m設置一個鋼板或硬塑料對中支架，以保證錨索體居中，避免鋼絞線纏繞和水泥漿握裹效果降低。

注漿時采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.5∶1 (質量比)，用φ25 mm高壓膠管或塑料軟管從錨孔底部進行密實注漿，注漿壓力不小于0.4 MPa；對已澆筑完畢的混凝土錨墩及時進行灑水保溫養(yǎng)護，養(yǎng)護期為7 d以上。當錨索錨固體強度大于20 MPa并達到設計強度的80%后方可實施預應力張拉。預應力錨索正式張拉前，應以0.1～0.2倍設計軸向拉力強度預張拉1～2次，以使索體各部位接觸緊密，索體完全平直。預應力錨索采用超荷張拉，即設計拉力的25%、50%、75%、110%，每級張拉應持荷10 min，穩(wěn)定后再進行下一級張拉，最后一級應持荷20 min，當沒有明顯預應力衰減時，再卸荷至設計拉力進行鎖定。鎖定后，截除外露多余鋼絞線，保留長度不小于5 cm。錨具及保留鋼絞線采用現(xiàn)澆C30素混凝土包封防腐。

2.2.2 噴射混凝土施工

錨索格構梁完成之后分段、分片進行噴射混凝土施工，同一段內應自下而上進行噴射，噴射流應垂直噴射面，噴射機罐內壓力為0.5 MPa，噴頭處工作風壓為0.10～0.12 MPa，射距為0.8～1.5 m，輸水管壓力要穩(wěn)定。噴射水泥砂漿保護層凝結后，加遮蓋并保持濕潤14 d以上，期間，定期檢查砂漿保護層外觀和粘結情況，及時處理空臌等現(xiàn)象。

2.2.3 混凝土格構施工

混凝土格構梁截面尺寸為30 cm×30 cm，采用C25混凝土現(xiàn)澆。框架梁在節(jié)點中心預埋φ150 mm PVC管，當鋼筋與預留位置沖突時，調整鋼筋間距保證錨索預留孔位的準確。施工時嚴格按格構錨索設計與施工的有關規(guī)范、標準執(zhí)行。

2.3 邊坡內部放水孔施工

研山鐵礦東幫鄰近新河，地下水對邊坡的侵蝕影響較大，根據地質水位監(jiān)測以及實地考察，設計在-18～-67 m平臺施工深層斜孔排水工程。-18 m 平臺坡面上，距離坡底2 m鑿孔，3個鉆孔為一組，鉆孔水平仰角為10°；其中，中孔垂直鉆鑿，孔深50 m，左右孔與中孔間距為0.5 m，分別外斜15°鉆鑿，孔深55 m。-67 m平臺坡面上，同樣距離坡底2 m鉆鑿，3個鉆孔為一組，水平仰角均為10°；其中，中孔垂直鉆鑿，孔深80 m，左右孔與中孔間距為0.5 m，分別外斜15°，孔深85 m。

排水孔直徑均為90 mm，孔內安裝2寸硬質PVC管，在排水管2/3以上部分進行打孔，孔徑為6 mm，間距為25 mm，用1 mm尼龍濾布包裹并封口，以防止泥砂等進入排水孔。

2.4 地表截排水溝施工

地質鉆孔調查表明，東幫邊坡坡體內部存在一定的積水，因此，在進行疏干放水的同時，采取地表水截排措施，以減小地表水對邊坡基巖裂隙的入滲。坡面排水主要通過坡頂截水溝、平臺截水溝、邊溝和排水溝來實現(xiàn)；坡體排水設施主要有滲溝、盲溝及深層斜孔排水。在保證截住坡面外地表滲流的同時，盡快地疏干坡體積水，并結合前期臨時防排水措施，形成完整的防排水系統(tǒng)。

截排水溝采用M10漿砌片石進行砌筑，片石尺寸一般為15 cm，截面尺寸為0.5 m×0.4 m，漿砌厚度為0.3 m；同時，在截排水溝走向上每15～20 m設寬度3 cm的伸縮縫。

3 工程應用

N26線-18～-67 m坡段滑坡治理工程歷時3個月，工程費用約450萬元，工程量見表2。為監(jiān)測邊坡加固工程的實施效果及監(jiān)測其安全性，在預應力錨索上設置錨索應力計，水平布置間距為15 m，共8個。同時，在治理區(qū)域-18 m水平布置1條深40 m的水文監(jiān)測井，以監(jiān)測放水孔對地下水排泄情況。

表2 東幫邊坡N26線滑坡段治理工程量

研山鐵礦東幫邊坡綜合加固工程施工15個月以來，盡管受降水、融凍、地下水、爆破震動、礦巖運輸?shù)榷嘁蛩赜绊懀玁26線治理區(qū)域未出現(xiàn)明顯的滑坡等地質災害，邊坡始終保持穩(wěn)定狀態(tài)(圖5)；預應力錨索的錨固體強度損失在14%以內，預應力錨索通過沿軟弱層滑面施加抗滑力及垂直滑面施加法向阻滑力，使自然狀態(tài)下巖質邊坡抗滑安全系數(shù)保持為1.264；同時，新河滲水及降雨可沿地表截排水溝及放水孔迅速排出，邊坡巖體內部基本無積水，保障了采場運輸公路、排水管線等設施及采場作業(yè)的安全。

圖5 東幫N26線區(qū)域邊坡治理效果

4 結 論

(1)第四系、強風化黑云變粒巖及白云母片巖等低強度、強風化巖體是東幫邊坡N26線區(qū)域滑坡的主要層位，邊坡結構面與邊坡傾向一致、新河通過孔隙含水層涌入及爆破震動、人工開挖、礦石運輸?shù)纫蛩剡M一步誘發(fā)了滑坡等地質災害。

(2)采用危巖清理、錨索格構梁、邊坡內部放水孔和地表截排水溝綜合加固措施，邊坡加固后15個月以來均保持穩(wěn)定狀態(tài)，預應力錨索的錨固體強度損失小于14%，自然狀態(tài)下巖質邊坡抗滑安全系數(shù)為1.264，有效治理N26線風化巖體區(qū)域的滑坡。