極限平衡方法在夏日哈木鎳鈷礦山擬建露天采場(chǎng)邊坡角優(yōu)化中的應(yīng)用

李軍

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州 272100)

0 引言

邊坡穩(wěn)定性分析一直是巖土工程備受關(guān)注的內(nèi)容之一[1-3]。其失穩(wěn)給生命財(cái)產(chǎn)帶來了極大的威脅。為了對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確地分析，從而采取適當(dāng)?shù)氖┕ご胧?，研究學(xué)者們提出了很多理論方法，比如極限平衡法、模糊數(shù)學(xué)法、圖解法、數(shù)值分析法等[4-5]，這些方法各有利弊。

目前，巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有以剛體極限平衡理論為基礎(chǔ)的極限平衡法和以有限元(FEM)、有限差分(FDM)為基礎(chǔ)的數(shù)值分析法[6-9]。極限平衡法是建立在(剛體)極限狀態(tài)時(shí)的靜力基礎(chǔ)上，分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態(tài)以及邊坡體下滑力和抗滑力之間的關(guān)系來評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性[9-11]。由于該類方法原理、力學(xué)模型簡(jiǎn)單，可給出物理意義明確的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)而得到廣泛應(yīng)用[12-13]。夏日哈木鎳鈷礦山擬建露天采場(chǎng)邊坡為巖質(zhì)高邊坡，本文選用極限平衡方法對(duì)整體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并優(yōu)化設(shè)計(jì)邊坡角。

1 擬建露天采場(chǎng)概況

1.1 露天采場(chǎng)設(shè)計(jì)概況

夏日哈木鎳鈷礦地處青海省西部東昆侖山脈西段，該礦山鎳金屬資源量108萬t，為大型鎳鈷硫化物礦床[14]。擬規(guī)劃建設(shè)年產(chǎn)礦石量561萬t的露天采場(chǎng)。

可行性研究階段擬建露天采場(chǎng)設(shè)計(jì)東西長(zhǎng)1670m，南北平均寬1200m，深達(dá)300m以上，最高邊坡高度超過600m(圖1、表1)，屬于分臺(tái)階高邊坡，設(shè)計(jì)坡度40°～45°，各臺(tái)階坡面角60°～65°。工程重要性為重要工程。露天采場(chǎng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)服務(wù)年限約18年。

1—擬建露天采場(chǎng)境界;2—擬建露天采場(chǎng)內(nèi)部等高線及高程

表1 邊坡主要巖體工程地質(zhì)特征

1.2 露天采場(chǎng)工程地質(zhì)概況

本次工程地質(zhì)勘察資料和礦區(qū)地質(zhì)勘探資料分析顯示，勘察區(qū)內(nèi)斷層與褶皺構(gòu)造不發(fā)育、不存在層間軟弱結(jié)構(gòu)面及層間滑動(dòng)現(xiàn)象，各巖體僅節(jié)理及片麻理較為發(fā)育[15]。將露天采場(chǎng)界內(nèi)及周邊巖體工程地質(zhì)類型劃分為3個(gè)工程地質(zhì)巖組，分別為：堅(jiān)硬--較堅(jiān)硬塊狀輝長(zhǎng)巖--輝石巖巖組；堅(jiān)硬--較堅(jiān)硬層狀黑云斜長(zhǎng)片麻巖--片巖巖組；堅(jiān)硬層狀花崗質(zhì)片麻巖巖組(表1)。

堅(jiān)硬--較堅(jiān)硬塊狀輝長(zhǎng)巖--輝石巖巖組，露天采場(chǎng)界內(nèi)的東部廣泛分布(圖2)，巖體呈塊狀結(jié)構(gòu)，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度62.45～76.20MPa，為堅(jiān)硬巖類[16-17]，巖體體積節(jié)理數(shù)條12～13條/m3，邊坡巖體完整程度為較破碎[18-20]。

堅(jiān)硬--較堅(jiān)硬層狀黑云斜長(zhǎng)片麻巖--片巖巖組，在露天采場(chǎng)界內(nèi)的西東部廣泛分布(圖2)，巖體呈層狀，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度31.30～101.80MPa，較堅(jiān)硬--堅(jiān)硬巖類，平均巖體體積節(jié)理數(shù)條10條/m3，邊坡巖體完整程度為較完整—較破碎。

堅(jiān)硬層狀花崗質(zhì)片麻巖巖組，巖體呈層狀，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度31.30～101.80MPa，較堅(jiān)硬--堅(jiān)硬巖類，平均巖體體積節(jié)理數(shù)條9條/m3，邊坡巖體完整程度為較完整(表1)。條帶狀分布于露天采場(chǎng)界內(nèi)的中西部，各分區(qū)分布不均勻(圖2)。

1—更新世沖洪積物；2—堅(jiān)硬—較堅(jiān)硬層狀黑云斜長(zhǎng)片麻巖—片巖巖組；3—堅(jiān)硬層狀花崗質(zhì)片麻巖巖組；4—堅(jiān)硬—較堅(jiān)硬塊狀輝長(zhǎng)巖—輝石巖巖組；5—擬建露天采場(chǎng)境界；6—擬建露天采場(chǎng)分區(qū)編號(hào)；7—擬建露天采場(chǎng)分區(qū)界線；8—各分區(qū)剖面線位置；9—擬建露天采場(chǎng)內(nèi)部等高線及高程

2 極限平衡方法邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

本文采取Geostudio軟件中的Slope模塊極限平衡方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算[21-22]，優(yōu)化設(shè)計(jì)邊坡角。分析的思路為首先根據(jù)場(chǎng)地的工程地質(zhì)特征把邊坡進(jìn)行分區(qū)，選擇典型邊坡工程地質(zhì)剖面并進(jìn)行工程地質(zhì)巖體或巖組分段；然后通過巖石強(qiáng)度指標(biāo)折減計(jì)算[23-24]給各分段的巖體計(jì)算其強(qiáng)度指標(biāo)，接下來將剖面信息及各分段的巖體強(qiáng)度指標(biāo)輸入Geostudio軟件中，并對(duì)選取不同角度下對(duì)各分區(qū)邊坡的破壞形式及安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，最后提出了各分區(qū)邊坡的最佳設(shè)計(jì)邊坡角。

2.1 邊坡分區(qū)及分段

2.1.1 邊坡分區(qū)

依據(jù)邊坡高度、工程地質(zhì)巖組分布特征、各巖體的巖石質(zhì)量等級(jí)、裂隙率、優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等指標(biāo)將邊坡分為5個(gè)區(qū)，各邊坡巖體分布狀況見圖2。

2.1.2 邊坡工程地質(zhì)剖面分段

在各分區(qū)邊坡上選擇具有代表性的地段繪制邊坡剖面圖，以2號(hào)剖面工程地質(zhì)剖面圖為例(圖3)，并進(jìn)行邊坡工程地質(zhì)巖組或巖體劃分。用編號(hào)①②③④分別表示黑云斜長(zhǎng)片麻巖體、花崗質(zhì)片麻巖巖體、灰石巖體、灰長(zhǎng)巖體。再根據(jù)巖體完整程度、裂隙率、風(fēng)化及蝕變程度等對(duì)每個(gè)剖面各巖組或巖體進(jìn)一步分成各個(gè)小區(qū)，用①-1,②-1等表示。其中2號(hào)工程地質(zhì)剖面圖見圖3。

1--風(fēng)化層；2--巖體類型界線；3--擬建露天采場(chǎng)邊坡；4--巖體完整程度界線；5--巖石質(zhì)量等級(jí)；6--預(yù)測(cè)采坑開挖后地下水位；7--巖體分段編號(hào)

2.2 計(jì)算參數(shù)的確定

2.2.1 巖石強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算

由于實(shí)驗(yàn)室做出的巖石強(qiáng)度指標(biāo)不能直接應(yīng)用于實(shí)際巖體，需對(duì)其進(jìn)行折減計(jì)算。

(1)折減方法的選擇

在巖體穩(wěn)定性分析中，巖體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是最重要的計(jì)算指標(biāo)。根據(jù)巖塊的抗剪強(qiáng)度，本文采用費(fèi)辛柯法、M.Georgi法和經(jīng)驗(yàn)法等對(duì)巖體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行弱化處理，然后求其平均值[20-21]。

(2)凝聚力折減計(jì)算

用Cm表示巖體的凝聚力；CI表示測(cè)試得到的巖石的凝聚力，折減系數(shù)為I，則：

Cm=CI×I

①費(fèi)辛柯法

費(fèi)辛柯法是考慮巖體結(jié)構(gòu)面間距和巖體破壞高度兩個(gè)因素對(duì)巖塊凝聚力進(jìn)行弱化，其折減系數(shù)I計(jì)算公式為：

式中：a取決于巖石強(qiáng)度和巖體結(jié)構(gòu)面分布的特征系數(shù)，參考前人論文a取3.0[23-24]；H為巖體破壞高度，根據(jù)分區(qū)邊坡高度確定；L為破壞巖體被切割的原巖石尺寸，即結(jié)構(gòu)面間距，根據(jù)各巖體節(jié)理裂隙密度確定。

②M.Georgi法

M.Georgi對(duì)堅(jiān)硬巖漿巖和變質(zhì)巖巖塊的巖體強(qiáng)度研究以后，得出如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

I=0.114e-0.48(i-2)+0.02

式中：i為節(jié)理裂隙密度指數(shù)，根據(jù)各巖體節(jié)理裂隙密度確定。

通過上述兩種方法進(jìn)行工程折減后，取其算術(shù)平均值作為強(qiáng)度值。

(3)內(nèi)摩擦角折減計(jì)算

內(nèi)摩擦角的折減目前還沒有相關(guān)公式，一般按經(jīng)驗(yàn)系數(shù)折減，參考同類工程取法，摩擦角的折減系數(shù)取0.85[25]。

(4)折減結(jié)果

本文對(duì)勘察區(qū)內(nèi)主要巖體進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)，共取巖樣五組，其試驗(yàn)成果見表2。

表2 本次三軸壓縮試驗(yàn)成果

根據(jù)上述剖面圖上劃分的各分段巖體的裂隙密度不同，對(duì)巖體對(duì)應(yīng)的巖石三軸壓縮試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減計(jì)算。各分區(qū)邊坡巖體折減后的抗剪強(qiáng)度見表3，各分區(qū)邊坡剖面計(jì)算模型見圖4。

表3 各剖面折減后巖體抗剪強(qiáng)度

2.2.2 巖組或巖體重度的確定

根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)中各巖石的密度計(jì)算出花崗質(zhì)片麻巖、黑云斜長(zhǎng)片麻巖—片巖、輝長(zhǎng)巖和輝石巖的平均重度分別為26.16kN/m3，27.34kN/m3，27.83kN/m3和28.22kN/m3。

2.2.3 計(jì)算組合及水平地震影響系數(shù)的選擇

根據(jù)《非煤露天邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB51016—2014)，采用“自重+地下水+地震力”對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)水平地震影響系數(shù)最大值表，本文水平地震影響系數(shù)取0.08。

擬建邊坡位于抗震設(shè)防烈度7度區(qū)內(nèi)，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，建筑場(chǎng)地類別為Ⅰ類。依據(jù)《非煤露天邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016—2014)，永久邊坡整體安全性最小安全系數(shù)Fst≥1.20～1.15(自重+地下水+地震力)。參考同類工程取法[26-28]，本文最小安全系數(shù)(自重+地下水+地震力)取1.18。

2.3 極限平衡方法邊坡穩(wěn)定性計(jì)算及邊坡角的優(yōu)化

以2號(hào)剖面的各計(jì)算參數(shù)，分別對(duì)最終邊坡角取42°，43°，44°，45°，47°時(shí)采取極限平衡法計(jì)算安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表4。二區(qū)邊坡坡度為44°時(shí)，安全系數(shù)(自重+地下水+地震力)為1.188(圖4)，大于該項(xiàng)目所選最小安全系數(shù)1.18(自重+地下水+地震力)，因此44°邊坡角為二區(qū)邊坡的最佳推薦邊坡角。

圖4 各分區(qū)邊坡剖面計(jì)算模型及破壞模式圖(荷載組合Ⅲ)

表4 各分區(qū)計(jì)算的邊坡安全系數(shù)及推薦邊坡角

采用同樣的方法，分別對(duì)一區(qū)、三區(qū)、四區(qū)、五區(qū)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算及邊坡角的優(yōu)化分析，通過計(jì)算分析，一區(qū)、三區(qū)、四區(qū)、五區(qū)基巖邊坡最終邊坡角推薦值分別取45°，42°，44°，44°。各分區(qū)邊坡不同擬放邊坡角安全系數(shù)及推薦邊坡角匯總見表4。

因此通過本次計(jì)算分析，推薦邊坡角與可行性研究報(bào)告中設(shè)計(jì)邊坡角相比，一區(qū)、二區(qū)、五區(qū)邊坡角有所提高，節(jié)約了開挖成本(表4)。

3 結(jié)論

(1)通過對(duì)擬建露天采場(chǎng)及周邊工程地質(zhì)特征進(jìn)行分析：斷層與褶皺構(gòu)造不發(fā)育、不存在層間軟弱結(jié)構(gòu)面及層間滑動(dòng)現(xiàn)象；依據(jù)邊坡高度、工程地質(zhì)巖組分布特征、各巖體的巖石質(zhì)量等級(jí)、裂隙率、優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等指標(biāo)將邊坡分為5個(gè)區(qū)，各巖體僅節(jié)理及片麻理較為發(fā)育。

(2)本文采取Geostudio軟件中的Slope模塊極限平衡方法對(duì)擬建露天采場(chǎng)假設(shè)開挖邊坡角的整體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，提出最佳設(shè)計(jì)邊坡角。建議一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)、四區(qū)、五區(qū)基巖邊坡最終邊坡角分別取值為：45°，44°，42°，44°，44°。

(3)本文在穩(wěn)定性分析中采用了費(fèi)辛柯法、M.Georgi法和經(jīng)驗(yàn)法對(duì)巖石強(qiáng)度指標(biāo)(凝聚力、內(nèi)摩擦角)進(jìn)行了折減計(jì)算，使巖石實(shí)驗(yàn)參數(shù)轉(zhuǎn)換為可以進(jìn)行分析計(jì)算的巖體參數(shù)。

(4)本次高邊坡穩(wěn)定性分析、邊坡角優(yōu)化方法恰當(dāng)、軟件使用合理，建議在類似露天采場(chǎng)邊坡設(shè)計(jì)中加以推廣。