某巖質(zhì)礦山邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及加固治理研究

王小鵬

(中冀建勘集團(tuán)有限公司， 河北 石家莊 050227)

1 前言

礦產(chǎn)資源從古至今一直都是人類生產(chǎn)發(fā)展中不可或缺的重要原料，在國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)得到快速發(fā)展的情況下，我國(guó)針對(duì)礦業(yè)開采及建設(shè)的相關(guān)法規(guī)做了適當(dāng)調(diào)整和修改，礦業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。在礦業(yè)的開采建設(shè)當(dāng)中，安全生產(chǎn)始終是行業(yè)發(fā)展的重要方向，礦山在開挖后形成的高陡邊坡穩(wěn)定性成為重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象，引起了諸多研究人員的研究投入[1-6]。岳西蒙等[7]基于三維點(diǎn)云建模對(duì)某礦山邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；郭夏飛等[8]以伊敏露天礦三采區(qū)端幫邊坡為研究對(duì)象,建立相似材料模型并結(jié)合數(shù)值模擬,對(duì)滲流作用下含斷層邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬研究；陳毓[9]通過建立復(fù)合邊坡的二維理論模型,使用FLAC3D軟件建立三維數(shù)值分析模型,對(duì)外排土場(chǎng)與礦坑邊幫復(fù)合邊坡進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性分析; 王天龍采用有限差分程序FLAC2D和極限平衡法對(duì)某排土場(chǎng)的邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)在天然、地震、降雨三種工況條件下進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

綜上所述，目前對(duì)于礦山邊坡穩(wěn)定性已引起了足夠的重視，但是由于礦山開挖后地質(zhì)條件和開挖形態(tài)不一，造成相關(guān)研究不可推廣，因此本文以河北某大型露天石灰?guī)r礦山作為工程建設(shè)依托，采用FLAC數(shù)值模擬軟件，對(duì)該礦山的開采坡面建模并對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算以及進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性綜合分析和加固措施研究，以期為實(shí)際礦山工程提供一定的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和指導(dǎo)作用。

2 工程概況

2.1 地形地貌

本文針對(duì)河北省某大型石灰?guī)r礦山進(jìn)行分析和研究，該礦區(qū)的地形特點(diǎn)呈中低山分布，地貌為中等山脈切割類型，具體來說礦山海撥高度758～1 508 m，其高差為750 m，山勢(shì)較為陡峻，山體走勢(shì)為北東～南西；微地貌表現(xiàn)的不夠發(fā)育，地面坡角10°～40°，局部大于45%。礦山開采示意圖如圖1所示。

圖1 礦山開采示意圖

2.2 水文條件

該礦山整個(gè)山體呈中部較高，南部和北部較低，這種地形對(duì)自然降雨后的積水排泄有利，在礦區(qū)中部地區(qū)枯水期內(nèi)的河流排泄量是0.2 L/s，而在豐水期內(nèi)河流排泄量是0.8 L/s，基本不會(huì)影響礦山的施工作業(yè)；在資源量開采范圍之內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)含礦層的地表出現(xiàn)溶洞，可見礦山巖溶不夠發(fā)育；最低礦床預(yù)測(cè)資源的量標(biāo)要比最低當(dāng)?shù)厍治g地質(zhì)基準(zhǔn)面高些，在對(duì)資源量進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)不含礦山地下水，該礦區(qū)的地質(zhì)水文環(huán)境比較簡(jiǎn)單。

3 分層開挖下高陡邊坡穩(wěn)定性研究

3.1 計(jì)算模型的建立

通過MIDAS/GTS分析軟件對(duì)典型巖層剖面地形線進(jìn)行生成，利用FLAC3D端前應(yīng)用軟件導(dǎo)入各項(xiàng)信息參數(shù)并創(chuàng)建模型。為了避免邊界產(chǎn)生的效應(yīng)干擾，對(duì)模型相對(duì)應(yīng)的計(jì)算范圍進(jìn)行確定：其中X軸與Z軸所對(duì)應(yīng)的計(jì)算區(qū)域是380 m×236 m，而Y軸正常垂直在XZ的平面向內(nèi)，其長(zhǎng)度是8 m。該創(chuàng)建模型重點(diǎn)對(duì)開采效應(yīng)中涉及軟夾層或弱夾層的邊坡堅(jiān)固性和穩(wěn)定性進(jìn)行研究，因此要對(duì)開采區(qū)域、軟夾層、弱夾層、鄰近范圍使用密度較高的小單元式網(wǎng)格加以高精準(zhǔn)、高敏感計(jì)算，其他區(qū)域選擇適合網(wǎng)格加以過渡。共將模型劃分成99 160個(gè)單元，61 293個(gè)節(jié)點(diǎn)，具體計(jì)算的模型圖如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型圖

對(duì)邊坡進(jìn)行計(jì)算的限制條件包括：與X軸相垂直的最左端以及最右端、與Z軸相垂直的最上端以及最下端選擇的都是法向限制，對(duì)模型整體Y方向選擇全局限制。對(duì)礦山邊坡仿真模型按照分步開采計(jì)算，分析借鑒模擬邊坡的安全信息、信移、塑性區(qū)、剪應(yīng)增量等相關(guān)信息，與其云圖給出的參數(shù)信息及方向等數(shù)據(jù)相結(jié)合對(duì)邊坡具有的穩(wěn)定性加以評(píng)定。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

1)關(guān)鍵云圖分析

由圖3(a)可知，礦山的邊坡評(píng)判安全性指標(biāo)系數(shù)已經(jīng)降至1.01，由此測(cè)評(píng)坡腳處實(shí)際臨界處產(chǎn)生位移值大約是6.8 cm，小于允許安全系數(shù)，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)特征。

由圖3(b)可知，開挖完成邊坡的最大剪應(yīng)變?cè)隽繛?.41×10-2，其剪應(yīng)力所在位置處于坡頂?shù)能泭A層，這表明軟夾層因?yàn)閺?qiáng)度太低，容易出現(xiàn)剪切性的破壞，因此它是邊坡最危險(xiǎn)處。同時(shí)開挖到最后臺(tái)階的時(shí)候，剪切應(yīng)力的最大區(qū)域?qū)?huì)從坡頂?shù)能泭A層延伸到坡腳，其形成了貫通趨勢(shì)，這說明邊坡已經(jīng)達(dá)到了滑坡的條件，隨時(shí)會(huì)發(fā)生滑塌情況的出現(xiàn)。為了能夠直觀的看到邊坡發(fā)生塑性區(qū)變化的過程，本文通過三維模型對(duì)塑性區(qū)的變化分布進(jìn)行展示，如圖3(c)所示；同時(shí)繪制出塑性區(qū)逐步開挖時(shí)的變化圖，具體如圖4所示。通過上述兩圖分析可以得出沒有進(jìn)行開挖時(shí)，因?yàn)槟Ｐ驮谶\(yùn)行前實(shí)行位移和速度以及狀態(tài)的歸零，所以塑性區(qū)的狀態(tài)顯現(xiàn)成0，tension-p單元的體積在進(jìn)行開挖的全部過程里，都顯現(xiàn)平穩(wěn)的增長(zhǎng)，但是shear-p單元的體積在出現(xiàn)突然加大以后在進(jìn)行緩慢的增長(zhǎng)，對(duì)于邊坡起到穩(wěn)定作用的shear-n與tension-n，在前期始終處在較低的水平，在第6步才開始增長(zhǎng)，可是它的增長(zhǎng)不是很大，直到挖至后兩層的時(shí)候，特別是12層的時(shí)候，剪切力對(duì)巖體的破壞迅速升高，從3 966.15 m3快速增加到52 866.40 m3，張拉出現(xiàn)的破壞體積從680.01 m3升高到8 370.41 m3，這表明挖至12層的時(shí)候，邊坡出現(xiàn)的破壞非常嚴(yán)重，并且它的穩(wěn)定性出現(xiàn)快速下降。

圖3 開挖完成后邊坡關(guān)鍵位移云圖

圖4 塑性區(qū)體積隨開挖時(shí)步變化圖

2)安全系數(shù)分析

把開挖的時(shí)步存在的安全上的系數(shù)，繪制成相應(yīng)的曲線圖，具體如圖5所示，同時(shí)根據(jù)圖形進(jìn)行分析：在開挖時(shí)的1步到5步之間，安全的整體系數(shù)提升了13.29%，這主要是由于上臺(tái)階進(jìn)行開挖，能夠減輕軟夾層載荷，致使邊坡承受的載荷得到降低，這非常有利邊坡的穩(wěn)定性能，另外因?yàn)殚_挖臺(tái)階改善了邊坡原有的形狀，減少了邊坡的角度，從而提升了邊坡抗滑性能，同時(shí)也起到了消減載荷的目的。當(dāng)開挖6層以后，安全的系數(shù)比先前出現(xiàn)了降低，這主要是因?yàn)檐泭A層巖層具有潛在的滑移趨勢(shì)，在進(jìn)行后面臺(tái)階的挖掘過程，滑移實(shí)時(shí)影響邊坡穩(wěn)定的性能，直到開挖最后的臺(tái)階時(shí)，滑體就決定了邊坡的穩(wěn)定性能。

圖5 分步開挖下安全系數(shù)走勢(shì)圖

對(duì)整體進(jìn)行分析，隨著挖掘的不斷進(jìn)行，其安全上的系數(shù)顯現(xiàn)出先升高隨后再降低的態(tài)勢(shì)，在第5步開挖時(shí)安全的系數(shù)最大，可達(dá)1.96，它已經(jīng)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)的要求；在6步到12步的時(shí)候，安全系數(shù)逐步降低，最后的終了邊坡安全系數(shù)穩(wěn)定在1.01，為極不穩(wěn)定狀態(tài)。

4 抗滑樁支護(hù)形式的探究

4.1 樁參數(shù)選擇

本方式是使用全埋的方式，利用防滑樁加固邊坡，為了更加方便的進(jìn)行施工，防滑樁設(shè)計(jì)成圓形的截面，其直徑2 m。因?yàn)榈V山邊坡的安全寬度非常窄，因此加固的方案設(shè)計(jì)于清掃的平臺(tái)處。

各樁的間距：各樁之間的距離設(shè)計(jì)在6～10 m的位置為最佳，本文在設(shè)計(jì)前，進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，各樁之間的距離選擇過大，其防滑樁加固的效果也相應(yīng)的變差，選擇樁距較小的時(shí)候，加固的效果得到提高，但是其經(jīng)濟(jì)性能變差，為了達(dá)到及經(jīng)濟(jì)有使用的效果，經(jīng)過試驗(yàn)本文選取防滑樁之間的距離為8 m。

樁長(zhǎng)：當(dāng)邊坡結(jié)構(gòu)是軟巖體的時(shí)候，防滑樁固定錨的深度要達(dá)到防滑樁全長(zhǎng)的1/3～1/2。當(dāng)邊坡是堅(jiān)硬而且整巖體的時(shí)候，防滑樁固定錨的深度要達(dá)到防滑樁全長(zhǎng)的1/3～1/4，依據(jù)該礦山實(shí)際的地質(zhì)情況，以及為了能夠方便對(duì)防滑樁應(yīng)用到邊坡中的最佳位置研究，本論文統(tǒng)一了各種臺(tái)階防滑樁的相應(yīng)參數(shù)，把樁長(zhǎng)設(shè)定在35 m。

樁位：經(jīng)過前期模擬測(cè)算，抗滑樁的最優(yōu)加固位置為5號(hào)臺(tái)階的清掃平臺(tái)，即坡中偏上的部位。

參照有關(guān)防滑樁技術(shù)文獻(xiàn)以及實(shí)際施工的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合本文的模擬參數(shù)數(shù)值，本文所使用的防滑樁參數(shù)見表1。

表1 抗滑樁設(shè)計(jì)力學(xué)參數(shù)

4.2 樁單元模擬

FLAC3D軟件本身帶有pile的結(jié)構(gòu)模擬的功能。利用軟件進(jìn)行建立防滑樁模擬的受力，具體如圖6所示，利用軟件里pile模擬防滑樁的頂部與底部坐標(biāo)值和防滑樁的件數(shù)，同時(shí)模擬防滑樁和巖層網(wǎng)格連接，從而達(dá)到樁體和巖體之間進(jìn)行相互的作用，本方法是通過抽象的模擬替代復(fù)雜實(shí)體，使模型更容易建立并且能通過計(jì)算得到更多的數(shù)據(jù)。

圖6 FLAC3D抗滑柱模擬簡(jiǎn)圖

4.3 支護(hù)效果分析

將抗滑樁支護(hù)模擬結(jié)果與未支護(hù)狀態(tài)的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)上的分析對(duì)比如下。

1)終了邊坡巖體位移分析

防滑樁進(jìn)行支護(hù)以前以及支護(hù)以后，邊坡出現(xiàn)位移和矢量情況如圖7、圖8所示。從圖上可以看出，支護(hù)以前與支護(hù)以后，其位移出現(xiàn)的變化，在進(jìn)行支護(hù)以后，邊坡出現(xiàn)的位移明顯下降，并且發(fā)生位移的位置從沒有支護(hù)時(shí)的邊坡頂移到邊坡的底部，而且最大位移量遞減了29.4 mm。另外，軟夾層兩側(cè)位移差得到減小，其最大的差值是0 mm，比沒有進(jìn)行支護(hù)時(shí)的差值減小35 mm。在防滑樁的加固位置，其位移比其他處大的很多，這主要是防滑樁隔斷巖體滑動(dòng)所致，上面的巖體下滑力被防滑樁阻擋，導(dǎo)致加固處位移加大。從支護(hù)以前以及支護(hù)以后的矢量圖里可以得知，在防滑樁的加固點(diǎn)以上的巖體存在下滑的形式，但是在加固點(diǎn)之下，其巖體下滑已經(jīng)被削減，此時(shí)主要存在的是卸荷時(shí)的回彈，因此可以證明防滑樁能夠有效阻斷滑坡。

圖7 抗滑樁支護(hù)前后終了邊坡位移云圖

圖8 抗滑樁支護(hù)前后終了邊坡位移矢量圖

2)終了邊坡塑性區(qū)分析

抗滑樁在進(jìn)行支護(hù)前以及支護(hù)后，邊坡存在的塑性如圖9所示。經(jīng)過對(duì)支護(hù)以前以及支護(hù)以后的邊坡塑性區(qū)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)抗滑樁進(jìn)行支護(hù)以后，邊坡存在的塑性區(qū)將會(huì)減少，在對(duì)比數(shù)據(jù)中，剪破壞體積變成3 706.77 m3，比沒有支護(hù)時(shí)減少49 159.63 m3，張拉破壞的體積變成2 822.12 m3，比沒有支護(hù)時(shí)減少5 548.29 m3。支護(hù)后原有的剪切力以及張拉產(chǎn)生的塑性都基本消失，只有抗滑樁附近位置有極少?gòu)埨钠茐拇嬖凇＼泭A層里也存在少量shear，其他的剪切力和張拉的塑性在計(jì)算機(jī)的模擬里沒有發(fā)生，并且非常容易從模擬中看到邊坡中的塑區(qū)沒有貫通。通過上述的分析可知，防滑樁在邊坡中進(jìn)行控制的效果非常出色，能夠很好的加強(qiáng)邊坡穩(wěn)定的性能。

圖9 抗滑樁支護(hù)前后終了邊坡塑性區(qū)狀態(tài)圖

3)終了邊坡剪應(yīng)變?cè)隽糠治?/p>

防滑樁進(jìn)行支護(hù)以前和支護(hù)以后的邊坡剪切應(yīng)力如圖10所示。通過圖10能夠得出，在進(jìn)行支護(hù)以后，剪切應(yīng)力出現(xiàn)了很大的變化，剪切應(yīng)力得到了很大程度的降低。在進(jìn)行支護(hù)的前后，其最大的剪切應(yīng)力的位置在坡頂軟夾層，通過支護(hù)減輕了3.67×10-3，在坡腳處剪切應(yīng)力減小而且沒有和軟夾層貫通，這表明防滑樁的支護(hù)作用減輕了邊坡剪切應(yīng)力，從而防止邊坡由于剪切力的存在導(dǎo)致滑坡。

圖10 抗滑樁支護(hù)前后邊坡最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

5 結(jié)論

本文通過河北省某露天的石灰?guī)r工程為例，運(yùn)用FLAC對(duì)工程礦山的坡面實(shí)施建模并進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)行計(jì)算的主要目的是對(duì)邊坡安全穩(wěn)定性進(jìn)行綜合性分析，進(jìn)而根據(jù)分析結(jié)果制定出對(duì)存在安全隱患的邊坡進(jìn)行相應(yīng)的加固方案，為類似礦山的邊坡穩(wěn)定性分析提供參考。

(1)邊坡在自然工況下，隨著工程對(duì)臺(tái)階不斷地掘進(jìn)，邊坡上的巖體將會(huì)發(fā)生位移，此時(shí)邊坡的安全性會(huì)逐步顯現(xiàn)下降的發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)掘進(jìn)到最后臺(tái)階時(shí)，邊坡出現(xiàn)最大位移處于最上面的臺(tái)階頂?shù)奈恢?，兩巖層的軟夾層出現(xiàn)的位移最大，并且移動(dòng)方向正好相反，巖體最大的剪切力通過軟夾層延伸到坡腳，此時(shí)的塑性區(qū)域面積會(huì)加大，安全性的系數(shù)會(huì)降到最低點(diǎn)。受到軟夾層影響，此時(shí)的邊坡存在穩(wěn)定性非常差的情況，非常容易出現(xiàn)滑移、滑坡的事故，巖體出現(xiàn)潰決性的破壞。

(2)把坡道進(jìn)行支護(hù)以后的情況和支護(hù)以前的情況進(jìn)行對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，支護(hù)產(chǎn)生的效果非常好，它可以很好的控制其邊坡產(chǎn)生塑性區(qū)域，并且邊坡出現(xiàn)剪應(yīng)變以及位移的情況會(huì)減小，邊坡的安全上的系數(shù)得以提升，邊坡穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。