三道莊露天礦邊坡滑坡治理穩(wěn)定性分析

蔣文斌，彭府華

三道莊露天礦邊坡滑坡治理穩(wěn)定性分析

蔣文斌1，彭府華2

(1.洛陽(yáng)欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南 洛陽(yáng)市 471500；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

利用MIDAS GTS有限元方法，對(duì)三道莊露天礦觀禮臺(tái)邊坡滑坡治理穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算研究。通過(guò)建立三維幾何模型、網(wǎng)格劃分、確定邊界條件和初始應(yīng)力場(chǎng)等，對(duì)觀禮臺(tái)邊坡治理前后穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算，得到了邊坡治理前后邊坡安全系數(shù)、應(yīng)力場(chǎng)和位移變化情況，并對(duì)治理后重要構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行分析，獲得的研究成果可為后續(xù)邊坡治理施工提供理論參考。

邊坡;有限元模擬;穩(wěn)定性;滑坡治理

0 前 言

近年來(lái)，礦業(yè)公司為提升經(jīng)濟(jì)效益，一些大型露天礦出現(xiàn)了許多高于300 m、坡度角達(dá)到45°以上的邊坡，如南芬露天鐵礦邊坡達(dá)到了46°~54°。據(jù)估算，大型露天礦邊坡每加陡1°，可減少剝離費(fèi)用2000~3000萬(wàn)美元[1]。但在降低成本，提高收益的同時(shí)，高陡邊坡也在嚴(yán)重威脅著露天礦的生產(chǎn)安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，滑坡占全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的10%，僅次于地面塌陷與地裂縫[2]。1990年代撫順西露天礦北幫邊坡大規(guī)模傾倒滑移變形，嚴(yán)重影響地面工業(yè)、民用建筑的安全，國(guó)家投入幾億資金開(kāi)展大規(guī)模滑坡治理[3]。同時(shí)，另一些露天礦每年花費(fèi)數(shù)千萬(wàn)甚至上億的經(jīng)費(fèi)用于邊坡維護(hù)與加固治理，使得露天礦高陡邊坡的設(shè)計(jì)、穩(wěn)定分析、治理、加固等成為相當(dāng)重要而復(fù)雜的工程項(xiàng)目。

洛陽(yáng)欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司三道莊露天礦是我國(guó)特大型露天礦山。近年來(lái)年采剝總量超過(guò)3000萬(wàn)t，設(shè)計(jì)露天最低開(kāi)采標(biāo)高+1072 m，最大開(kāi)采深度+486 m，目前礦山局部已形成最終邊坡。2016年11月礦山觀禮臺(tái)下部+1550 m~+1474 m區(qū)域邊坡發(fā)生局部滑坡，嚴(yán)重威脅著下部臺(tái)階開(kāi)采作業(yè)人員和設(shè)備的安全。為此三道莊露天礦專門(mén)立項(xiàng)對(duì)該區(qū)域滑坡進(jìn)行工程治理，為礦山安全生產(chǎn)提供保障[4]。本文利用MIDAS GTS有限元方法，對(duì)觀禮臺(tái)邊坡滑坡治理前后穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算研究，為后續(xù)邊坡治理施工提供理論參考。

1 工程背景

觀禮臺(tái)下方滑坡位于礦區(qū)觀禮臺(tái)下部北側(cè)邊坡，地貌為中低山，整體地形坡角一般為30°~40°，局部可達(dá)50°左右?；虑熬墭?biāo)高1474 m，后緣標(biāo)高1550 m，總體形態(tài)為前緣碎石土斜坡、后緣頂部為人工填土堆載，滑坡區(qū)為一略低洼的負(fù)地形（見(jiàn)圖1）。坡體中下部發(fā)育斷裂帶1處，為F1，該斷層產(chǎn)狀330°∠40°，破碎帶寬度約7~10 m，鉆孔揭露厚度9.1 m，破碎帶主要為壓碎巖，灰白色?淺灰色，片巖碎屑，碎裂結(jié)構(gòu)，巖芯極破碎～較破碎。該斷層的存在，造成了滑坡坡體基巖破碎，為滑坡堆積物的產(chǎn)生和軟弱帶的形成提供了一定的條件?；伦冃翁卣髅黠@，早期主要為崩坡積塊石土、碎石土堆積于斜坡，由于礦坑內(nèi)側(cè)邊坡開(kāi)挖形成較高的臨空面使得前緣垮塌，在頂部堆載、地下水和破碎帶的作用下，導(dǎo)致后緣逐級(jí)滑動(dòng)，目前已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的失穩(wěn)破壞?；伦冃螀^(qū)平面形態(tài)總體上略呈“倒梯形”，為縱長(zhǎng)式滑坡，地勢(shì)總體南高北低。橫向平均寬度70 m，縱向平均長(zhǎng)度120 m，面積約8099 m2，滑體平均厚度約15 m，體積約12.15×104m3。根據(jù)變形跡象（裂縫展布）及鉆探揭露滑床頂面變化情況，綜合確定了該滑坡主滑方向?yàn)?°。該滑坡為中型中層滑坡，主要表現(xiàn)為整體變形、多級(jí)滑動(dòng)，其破壞模式主要有下部牽引，上部推移[5]。

針對(duì)本次滑坡特征，設(shè)計(jì)采用多級(jí)抗滑綜合治理方案。在1522，1498和1474 m平臺(tái)設(shè)置微型抗滑孔樁群，樁長(zhǎng)20~27 m不等，樁排距2 m，孔距1.5~3 m不等，并在1522 m平臺(tái)布置擋土墻，1498和1474 m平臺(tái)布置地梁；在1550~1474 m邊坡面上布置預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿；在1522和1498平臺(tái)對(duì)破碎巖體進(jìn)行高壓注漿；對(duì)坡面巖體進(jìn)行噴射混凝土封閉，并布置系統(tǒng)排水設(shè)施等。

圖1 邊坡滑坡典型剖面

2 邊坡應(yīng)力場(chǎng)及位移分析

在MIDAS/GTS中，根據(jù)工程剖面圖建立二維模型，再通過(guò)擴(kuò)展網(wǎng)格方式，建立三維模型。3種土體均采用莫爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，擋土墻、抗滑樁等混凝土構(gòu)件使用彈性本構(gòu)模型，錨桿、錨索采用1D植入式桁架，抗滑樁采用1D植入式梁?jiǎn)卧?，噴射混凝土采用板單元，其余均采?D實(shí)體單元。初始邊坡模型大小為54630個(gè)單元，59536個(gè)節(jié)點(diǎn)。加固措施完成后整個(gè)模型大小為42548個(gè)單元，46756個(gè)節(jié)點(diǎn)。

模型邊界由許多面組成，在=0的面，限制其、和方向的位移，=0和30的面，限制其方向的位移，=0和225的面，限制其方向的位移。其余面為自由面。

2.1 邊坡治理前

對(duì)加固前的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)計(jì)算其安全系數(shù)為0.931，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。應(yīng)變、位移結(jié)果如圖2和圖3所示。應(yīng)變應(yīng)力主要集中在碎石層、塊石層出露點(diǎn)，最大有效應(yīng)變產(chǎn)生在塊石層出露點(diǎn)附近，數(shù)值為0.0589。最大位移出現(xiàn)在頂部，數(shù)值為0.0596 m。

計(jì)算結(jié)果表明，邊坡滑移帶集中在塊石層及碎石層內(nèi)，沿碎石層與塊石層交界延伸，塊石層出露點(diǎn)附近亦有一條明顯滑移帶延伸到1522平臺(tái)擋土墻后方，形成局部塑性應(yīng)變集中帶。片巖層內(nèi)部無(wú)塑性應(yīng)變現(xiàn)象。所以治理前邊坡較易發(fā)生沿碎石層、塊石層及片巖交界面滑動(dòng)的滑移破壞，符合下部遷移，上部推移的判斷。

圖2 無(wú)加固措施邊坡有效應(yīng)變結(jié)果

圖3 無(wú)加固措施邊坡總位移結(jié)果

2.2 加固措后邊坡

對(duì)加固后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)計(jì)算其安全系數(shù)為1.584，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，較為安全。圖4、圖5應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果表明，治理后塑性應(yīng)變不再局限于碎石堆積體和塊石堆積體處，在邊坡內(nèi)部大范圍分布，位置較治理前更加深入邊坡內(nèi)部。在塊石堆積體內(nèi)部有部分集中帶，但屬于大集中帶的一部分，并未沿交界面延伸至邊坡外部。同時(shí)，邊坡位移為整體位移，沿片巖深部滑移面滑動(dòng)，不存在集中于不同巖體交界面等情況。

3 構(gòu)件內(nèi)力分析

錨索最大軸力出現(xiàn)在1498平臺(tái)附近，1498平臺(tái)下方錨桿受力較?。ㄒ?jiàn)圖6）。1498平臺(tái)下方預(yù)應(yīng)力錨索錨固段位于塊石堆積體與片巖交界處，最大軸力為567.279 kN，使塊石堆積體內(nèi)塑性滑移區(qū)向邊坡內(nèi)部轉(zhuǎn)移，減少塊石等松散堆積體對(duì)邊坡造成的不利影響，發(fā)生局部破壞的可能性變小。

圖4 加固后邊坡有效應(yīng)變結(jié)果

圖5 加固后邊坡總位移結(jié)果

圖6 預(yù)應(yīng)力錨索軸向力計(jì)算結(jié)果

抗滑樁最大彎矩出現(xiàn)在1498平臺(tái)的抗滑樁（見(jiàn)圖7）。1498平臺(tái)抗滑樁彎矩集中于中部塊石堆積體與片巖相交處，以及下部灌漿澆筑體與片巖相交處。塊石與片巖相交處彎矩在抗滑樁右側(cè)，最大數(shù)值為0.2734 kN·m。證明塊石堆積體下部存在較大沿交界面滑動(dòng)的應(yīng)力，而抗滑樁有效阻擋了塊石堆積體沿交界面向下滑動(dòng)的趨勢(shì)。

圖7 抗滑樁彎矩計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）治理前邊坡內(nèi)部存在位于巖土體淺層、不同巖土體交界處的明顯滑移帶。在采取治理措施后，碎石堆積體和塊石堆積體內(nèi)塑性應(yīng)變集中處消失，滑移帶向巖土體深處轉(zhuǎn)移。邊坡最大位移減小，安全系數(shù)從0.931提升到1.584，加固效果明顯。

（2）通過(guò)構(gòu)件分析得出，構(gòu)件中受力最大的構(gòu)件，均出現(xiàn)在1498平臺(tái)附近。碎石層出露點(diǎn)及塊石層出露點(diǎn)均位于1498平臺(tái)附近。由此可知，1498平臺(tái)為治理重點(diǎn)，應(yīng)多加關(guān)注。預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑樁等支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況能夠反映邊坡內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變情況。

（3）預(yù)應(yīng)力錨索、擋土墻、抗滑樁、灌漿澆筑體等支護(hù)措施能夠有效發(fā)揮加固作用，將較易滑動(dòng)的松散堆積體嵌固在強(qiáng)度較大的底層穩(wěn)定巖體上，降低松散堆積體的不利影響，預(yù)防易發(fā)生的邊坡局部滑坡，提高安全系數(shù)，對(duì)露天礦生產(chǎn)活動(dòng)及人員財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

[1] 焦玉書(shū).露天礦山金屬開(kāi)采[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1989.

[2] 何 芳,徐友寧,喬 岡,等.中國(guó)礦山地質(zhì)災(zāi)害分布特征[J].地質(zhì)通報(bào),2012,3(2~3):344-349.

[3] 楊天鴻,解連庫(kù),唐春安,等.撫順西露天礦北幫邊坡治理工程效果初步評(píng)價(jià)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,2(11):1841-1846.

[4] 彭府華,程建勇,賈寶珊,等.三道莊露天礦D采區(qū)多通道微震監(jiān)測(cè)的可行性研究[J].采礦技術(shù),2013,13(1):33-36.

[5] 馮振國(guó).三道莊露天礦觀禮臺(tái)下方滑坡防治工程勘查報(bào)告[R].西安:西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)院,2017:24-31.

[6] 趙尚毅,鄭穎人,時(shí)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(bào),2002,24(3):343-346.

[7] 鄭穎人,趙尚毅.有限元強(qiáng)度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(19):3381-3388.

[8] 楊光華,張玉成,張有祥.變模量彈塑性強(qiáng)度折減法及其在邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(7):1506-1512.

[9] 李小春,袁 維,白 冰,等.基于局部強(qiáng)度折減法的邊坡多滑面分析方法及應(yīng)用研究[J].巖土力學(xué),2014,35(3):847-854.

[10] 陳國(guó)慶,黃潤(rùn)秋,周 輝,等.邊坡漸進(jìn)破壞的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法研究[J].巖土力學(xué),2013,34(4):1140-1146.

[11] 陳國(guó)慶,黃潤(rùn)秋,石豫川,等.基于動(dòng)態(tài)和整體強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(2):243-256.

[12] 陳力華,靳曉光.有限元強(qiáng)度折減法中邊坡三種失效判據(jù)中的適用性研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2012,45(9):136-146.

(2019-06-04)

蔣文斌(1980—) ，男，河南河南省柘城縣人，土木工程專業(yè)，工程師，從事工程施工管理工作，Email: 13783196507@126.com。