某礦山場地復(fù)雜超高填方邊坡設(shè)計(jì)方案研究

孫 揚(yáng), 習(xí) 泳, 齊路路, 萬 毅, 湯 靖

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038; 2.宜春時(shí)代新能源礦業(yè)有限公司, 宜春 336300)

1 前言

隨著當(dāng)前全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革,創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)將成為推動(dòng)全球經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和增長的主動(dòng)力。礦業(yè)作為工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的糧食,伴隨著新能源時(shí)代踏上了新一輪發(fā)展快車。綠色、安全、高效、智能開采是未來礦山的發(fā)展方向,礦山建設(shè)設(shè)計(jì)要遵從新的發(fā)展理念,“綠水青山就是金山銀山”的理念成為全社會(huì)的共識(shí)和共同行動(dòng),綠色高質(zhì)量發(fā)展是礦業(yè)發(fā)展的“風(fēng)向標(biāo)”[1]。露天礦產(chǎn)資源主要賦存在山嶺、丘陵地區(qū),其開采建設(shè)的場內(nèi)道路、工業(yè)場地等建構(gòu)筑物設(shè)施均位于山嶺之中,不可避免存在大量的挖方與填方邊坡工程。為節(jié)約土地、高效、綠色開發(fā)礦產(chǎn)資源,場地的用地往往受林地、農(nóng)田、批復(fù)指標(biāo)限制,采選工業(yè)場地總圖布置受限。金屬礦山場地中高度超高30 m的填方場地邊坡較為常見。

高填筑邊坡受用地限制,對(duì)于無法用坡率法達(dá)到穩(wěn)定的邊坡,采取合理的加固設(shè)計(jì)方案對(duì)于工程造價(jià)、施工進(jìn)度及安全儲(chǔ)備的影響巨大。開展復(fù)雜超高邊坡設(shè)計(jì)方案研究工作,能夠?yàn)橥七M(jìn)工程正常建設(shè)、保證安全生產(chǎn)、節(jié)約用地具有重要實(shí)際意義。

2 工程背景

2.1 礦區(qū)場地環(huán)境

某金屬礦區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)型氣候,氣候四季分明。年平均氣溫17.9 ℃,1月平均氣溫最低為6.0 ℃,7月平均氣溫最高為28.6 ℃。礦區(qū)多年年平均降雨量1 841 mm,歷史最大年降雨量2 363.85 mm,最大月降雨量845.21 mm,最大日降雨量298.1 mm。降雨多集中在3月～6月,占全年降雨量的55.8%,平均降雨量256.7 mm。

礦區(qū)構(gòu)造屬侵蝕中低山-丘陵地貌,地形地貌較復(fù)雜,山嶺總體呈南北走向,地形總體由北向南逐漸變緩。礦區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)海拔標(biāo)高783 m,其附近山嶺呈近東西走向,為礦區(qū)附近溝谷的分水嶺,向南和向北海拔逐步降低,礦權(quán)區(qū)北部邊界一帶海拔標(biāo)高200～350 m不等,其南部邊界最低標(biāo)高約330 m。區(qū)內(nèi)植物發(fā)育,竹木繁茂,森林覆蓋率達(dá)90%以上。礦區(qū)山體由花崗巖體組成,自然斜坡坡度一般為 25°～40°,礦區(qū)未發(fā)現(xiàn)崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害。礦區(qū)地貌如圖1所示。

圖1 礦區(qū)地形地貌圖

2.2 礦區(qū)工程地質(zhì)及水文條件

礦區(qū)場地地層結(jié)構(gòu)由第四系全新統(tǒng)雜填土(Q4ml)與燕山晚期花崗巖(K)組成。按其巖性及其工程特性,場地內(nèi)地層自上而下分別為雜填土(Q4ml)、全風(fēng)化花崗巖(K)、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(K)、中風(fēng)化花崗巖(K)。

擬建場地為山地,未發(fā)現(xiàn)滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)作用;場地基巖為花崗巖,不存在巖溶問題;在勘探深度內(nèi),花崗巖中未見洞穴、地下管線、施工遺留物、臨空面等,部分全風(fēng)化花崗巖中含未風(fēng)化的花崗巖球體;部分中風(fēng)花崗巖內(nèi)局部含強(qiáng)風(fēng)化花崗巖破碎帶;擬建場地?zé)o人為的地下開采活動(dòng),不存在采空區(qū)不良地質(zhì)現(xiàn)象,場地適宜性較好。場地抗震設(shè)防烈度為6度,屬設(shè)計(jì)地震分組第一組,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05 g。

礦區(qū)內(nèi)地表水系總體發(fā)育,山間溪流均呈季節(jié)變化,與降雨量關(guān)系密切。礦區(qū)地下水為上層滯水和基巖裂隙水,上層滯水主要分布在山谷雜填土層與全風(fēng)化花崗巖中,基巖裂隙水主要賦存于下部燕山晚期強(qiáng)風(fēng)化花崗巖與中風(fēng)化花崗巖中?；鶐r裂隙水的透水性受基巖裂隙性質(zhì)及發(fā)育程度控制,總體屬弱透水層,水量不大。場地內(nèi)地下水主要賦存于土體空隙及全風(fēng)化花崗巖中,屬于上層滯水,受大氣降水與地表水補(bǔ)給,排泄方式主要為蒸發(fā)排泄和人工開采排泄。地下水位動(dòng)態(tài)變化主要受季節(jié)性降水的影響,從4月至9月是每年的豐水期,每年10月至來年3月為枯水期。上層滯水年內(nèi)變化幅度為3.0～8.0 m。

2.3 工業(yè)場地概述

項(xiàng)目高填方場地為采礦場破碎站工業(yè)場地,場地長約350 m,寬約210 m;場地布置破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載膠帶、主運(yùn)輸膠帶、配套的供配電機(jī)房、供水等輔助構(gòu)筑物。場地北東側(cè)為挖方邊坡,南西側(cè)為填方邊坡,最大填方高度70 m。場地除北側(cè)緊鄰露天坑采場近,受爆破擾動(dòng)影響,場地西側(cè)和南側(cè)局部采用自然坡率填方方案設(shè)計(jì),場地東南側(cè)區(qū)域受道路限制,無法采用坡率法。場地初步設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 破碎站場地平面圖

礦山為滿足基建期剝離礦石運(yùn)輸及后期場地維檢需求,需在東南側(cè)與南側(cè)填方邊坡修筑道路至破碎工業(yè)場地。工程條件使得場地東南側(cè)邊坡設(shè)計(jì)復(fù)雜,無法采用常規(guī)的坡率法與護(hù)角擋墻設(shè)計(jì);同時(shí)由于坡腰設(shè)有重載卡車通過道路,為填方區(qū)域擋墻設(shè)計(jì)增加了難度。

3 設(shè)計(jì)方案

破碎站西南側(cè)區(qū)域邊坡和南側(cè)邊坡具備坡率法穩(wěn)定的條件,均按照緩坡方案設(shè)計(jì)坡腳。本文研究分析區(qū)域?yàn)闁|南側(cè)邊坡。東南側(cè)邊坡坡角有既有道路通過,坡中設(shè)計(jì)道路通過,該道路重載卡車最大重量約116 t。

道路修筑在填方場地,采用普通混凝土剛性擋墻受不均勻沉降引起開裂的風(fēng)險(xiǎn)較高,因此需要采用其他受沉降影響小的支擋方案。采用抗滑維護(hù)樁方案具備可性,能夠滿足坡體整體穩(wěn)定性及重載卡車通行功能要求,但道路下方的填方自穩(wěn)仍不能滿足規(guī)范要求。近年來隨著加筋材料應(yīng)用技術(shù)成熟,在機(jī)場、公路、電力、市政等行業(yè)被廣泛利用[2-3];針對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)際條件,應(yīng)用加筋擋墻既能滿足坡體整體穩(wěn)定性、也能滿足道路重卡通行及路下坡體穩(wěn)定。常見的加筋支擋有格賓籠加筋擋墻、面板加筋擋墻、筋材反包等幾種形式擋墻,具體如圖3所示。

圖3 常見加筋擋墻類型

本項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度緊張,場地合格石塊較少,綜合考慮實(shí)際可用場地空間,采用反包土工袋的加筋擋墻結(jié)構(gòu)。土工袋反包加筋的施工速度較格賓籠快,不需要石材構(gòu)建墻面;反包體坡面同時(shí)具備復(fù)綠條件,滿足綠色礦山建設(shè)發(fā)展理念;反包加筋擋墻的缺陷是其最陡坡率不超過1∶0.5。加筋擋墻建設(shè)完成后,現(xiàn)場擬采用客土噴播方式復(fù)綠,坡率宜緩于1∶0.75。

針對(duì)破碎站東南側(cè)的坡頂與坡底場地空間及道路設(shè)計(jì)條件,路面至坡腳剛性擋墻的高差30 m,路面至坡頂?shù)膱龅馗卟?8 m,據(jù)此設(shè)計(jì)了兩種不同形式加筋擋墻方案如圖4示。方案一是常規(guī)的坡腳兩級(jí)1∶1.75的緩坡填方,路基為1∶0.75的陡填路基;方案二是坡腳兩級(jí)1∶1.0的較陡填方,路基為1∶1.75的緩坡填方。路面上部的設(shè)計(jì)方案一致,均為1∶1.4的非加筋填方。考慮重載道路后期重載卡車與礦山生產(chǎn)服務(wù)年限,選用高密度聚乙烯單向土工格柵,格柵強(qiáng)度均選用HDPE170型單向土工筋帶,筋帶豎向鋪設(shè)間距設(shè)計(jì)為0.6 m每層。

圖4 加筋填方擋墻方案

4 穩(wěn)定性分析

4.1 計(jì)算參數(shù)

填方上修建的道路生產(chǎn)前期將通行116 t的重型礦卡,在有限空間中選擇安全儲(chǔ)備更高的加筋擋墻方案更為重要。場地填方采用強(qiáng)夯處理,設(shè)計(jì)要求場地承載力值為200 kPa;選取場地不同區(qū)域,現(xiàn)場剪切實(shí)驗(yàn)測定強(qiáng)夯處理后的填土參數(shù)見表,考慮加筋區(qū)域碾壓工藝的變化,填方土層分析參數(shù)進(jìn)行了折減。

根據(jù)卡車載重及車輪受載面積,路面施加120 kPa的卡車荷載。填方原始地貌均按照全風(fēng)化花崗巖層簡化考慮,據(jù)此結(jié)合設(shè)計(jì)方案建立模型。

表1 填方邊坡土層物理力學(xué)參數(shù)

加筋材料抗拉強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值選用需要考慮蠕變折減、老化折減及施工損傷折減[4-5],通過以下公式計(jì)算確定:

Tα=T/RF

(1)

RF=RF=RFC×RFID×RFD

(2)

式中,Tα是筋材設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度。T是實(shí)測極限抗拉強(qiáng)度。RF是綜合折減系數(shù);RFC是蠕變強(qiáng)度折減系數(shù);RFID是施工損傷的強(qiáng)度折減系數(shù)。RFD是考慮微生物、熱化學(xué)、熱氧化等影響的老化折減系數(shù)。經(jīng)初步計(jì)算及現(xiàn)場實(shí)際施工條件,本次綜合折減系數(shù)取為3.0。

4.2 分析結(jié)果

按照兩種設(shè)計(jì)方案及計(jì)算參數(shù)建立極限平衡分析模型,對(duì)兩個(gè)設(shè)計(jì)方案分別計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。方案一的整體安全系數(shù)1.19,路下方安全系數(shù)為1.45;方案二的整體安全系數(shù)1.29,路下方安全系數(shù)為1.44。

圖5 方案一加筋填方穩(wěn)定分析結(jié)果

圖6 方案二加筋填方穩(wěn)定分析結(jié)果

5 結(jié)論

基于本項(xiàng)目復(fù)雜場地48 m高填方工程,對(duì)合理邊坡的支護(hù)方案提出了較高要求,通過方案設(shè)計(jì)對(duì)比分析,得到主要結(jié)論如下:

(1)高填方邊坡的處理是一項(xiàng)較復(fù)雜的巖土工程,其支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要因地制宜地選擇合適的結(jié)構(gòu)形式,否則耗費(fèi)大量投入仍達(dá)不到工程應(yīng)用性能要求,且嚴(yán)重影響工程要求。

(2)在填方區(qū)域修建支擋結(jié)構(gòu),要充分考慮不均勻沉降、坡體整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。復(fù)雜的高填方場地邊坡區(qū)域應(yīng)用加筋材擋墻是可靠技術(shù)的方案,本案例應(yīng)用后其路基下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到了1.4,坡體整體穩(wěn)定性達(dá)到了1.29。

(3)加筋后的填方區(qū)域具有良好的穩(wěn)定性,在坡腳設(shè)置陡填起到了高邊坡穩(wěn)腳反壓的作用,方案二的整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果高于方案一。

(4)加筋擋墻的結(jié)構(gòu)形式選用要結(jié)合工期進(jìn)度要求、場地可用空間、現(xiàn)場可用石材、填方邊坡高度、填方場地用途的多因素綜合確定設(shè)計(jì)方案。