王 凱 閆永富 呂國(guó)慧

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.包鋼鋼聯(lián)股份有限公司巴潤(rùn)礦業(yè)分公司；3.包鋼集團(tuán)固陽(yáng)礦山有限公司)

某露天礦斜坡路轉(zhuǎn)角處路塹穩(wěn)定性分析及治理措施

王 凱1閆永富2呂國(guó)慧3

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.包鋼鋼聯(lián)股份有限公司巴潤(rùn)礦業(yè)分公司；3.包鋼集團(tuán)固陽(yáng)礦山有限公司)

某邊坡為大型露天礦斜坡路轉(zhuǎn)角處的路塹，位置情況特殊，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個(gè)露天礦的道路安全運(yùn)輸。目前邊坡未發(fā)現(xiàn)肉眼可觀測(cè)的破壞情形，但是位于轉(zhuǎn)角處前方的路塹延伸邊坡已經(jīng)發(fā)生破壞。利用GEO-SLOPE軟件快速準(zhǔn)確地模擬計(jì)算出邊坡的安全系數(shù)為0.949，小于1,屬于邊坡欠穩(wěn)狀態(tài)。由于邊坡不適合采用除削坡以外的其他邊坡穩(wěn)定性增強(qiáng)手段，利用GEO-SLOPE軟件模擬計(jì)算出了不同坡面角的邊坡安全系數(shù)，為礦山邊坡安全儲(chǔ)備提供參考。

GEO-SLOPE 路塹 坡面角 安全系數(shù) 削坡處理

邊坡是露天礦的重要組成部分，對(duì)整個(gè)露天礦的開(kāi)采起著至關(guān)重要的作用，既是露天礦開(kāi)采活動(dòng)的主要對(duì)象,也是制約露天礦開(kāi)采的重要因素。特別是一些處于重要位置的邊坡對(duì)露天礦的生產(chǎn)活動(dòng)有著重要的影響，需要重點(diǎn)投入精力來(lái)管理監(jiān)護(hù)。隨著露天礦的延伸，采場(chǎng)的邊坡條件逐年變差，除了一些高大邊坡成為主要的采場(chǎng)邊坡關(guān)注對(duì)象，一些位置關(guān)鍵的低矮邊坡也不能被忽略和輕視。位于特殊位置的邊坡一旦發(fā)生災(zāi)害，將會(huì)對(duì)礦山的正常生產(chǎn)產(chǎn)生致命危害。某大型露天鐵礦開(kāi)采年限較短，目前處于開(kāi)采前期，整個(gè)采場(chǎng)的邊坡并未出現(xiàn)大規(guī)模的災(zāi)害。但是本著“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的原則，針對(duì)礦區(qū)邊坡可能存在的薄弱地帶進(jìn)行穩(wěn)定性分析，為保障日后的安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 邊坡情況

某邊坡為一處由2層臺(tái)階組成高32 m的第三系紅色巖土邊坡，位于采場(chǎng)南側(cè)出入口斜坡路轉(zhuǎn)角處，斜坡路為寬約30 m的雙向行車道，該邊坡位于折返斜坡路的近轉(zhuǎn)角位置處。見(jiàn)圖1。

圖1 斜坡路轉(zhuǎn)角處路塹

該處邊坡位置靠近露天采坑的上部境界，主要由第三系紅色巖土組成，紅黏土在沉積過(guò)程中發(fā)生了強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)，并且顆粒表面含有較多的游離的氧化鐵膠結(jié)物[1]。整體邊坡巖體結(jié)構(gòu)抗破壞能力較弱，該邊坡前方延伸處已有塌方，加之爆區(qū)采掘過(guò)程中的爆破震動(dòng)，道路行駛車輛的震動(dòng)，成年累月的風(fēng)化剝蝕，雨水的沖刷等因素的作用，該處邊坡的穩(wěn)定性受到了嚴(yán)重的威脅。

該邊坡經(jīng)過(guò)幾次小型電鏟修整之后，坡面平整干凈，整體平滑度較高，目前斜坡路側(cè)上方邊坡并未出現(xiàn)破壞，但是該邊坡沿著斜坡路的延伸部位出現(xiàn)了寬約20 m的“寬扁楔形”滑移破壞體(圖2)。該破壞體位于坡面中上部，滑體上沿基本已經(jīng)與母體邊坡脫離，下部產(chǎn)生了蠕動(dòng)破壞形式所造成的“鼓包”?；w預(yù)計(jì)600 m3以上，如果全部滑移到斜坡路上，將切斷道路，影響整個(gè)礦山的生產(chǎn)?；w徹底脫離母體邊坡之后預(yù)計(jì)會(huì)在邊坡表面產(chǎn)生一個(gè)深約6 m、半徑約10 m的勺斗狀坑。此深坑周圍的邊坡體將會(huì)進(jìn)一步被破壞，嚴(yán)重影響這處邊坡的安全。

圖2 邊坡延伸處破壞現(xiàn)場(chǎng)

由于該斜坡路較長(zhǎng)，隨著路面的升高，位于路側(cè)的邊坡高度逐漸下降，其穩(wěn)定性也開(kāi)始增加，對(duì)于斜坡路的危害也開(kāi)始減少。基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，僅是位于轉(zhuǎn)角處50 m范圍內(nèi)的路側(cè)邊坡高度可達(dá)32 m，且位置關(guān)鍵，是對(duì)折返式斜坡路轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生威脅最大的部位，位于斜坡路前方的邊坡延伸處已出現(xiàn)滑移塌方，該段邊坡的穩(wěn)定性研究對(duì)于保護(hù)斜坡路的正常運(yùn)輸生產(chǎn)有著重要的意義。

2 分析方法

邊坡安全系數(shù)可以反應(yīng)邊坡的穩(wěn)定性情況，安全系數(shù)越大，則邊坡的穩(wěn)定性也相對(duì)較高。目前領(lǐng)域內(nèi)模擬計(jì)算邊坡安全系數(shù)的軟件較多，本次采用較為快速方便、精度也能達(dá)到研究要求的GEO-SLOPE軟件進(jìn)行邊坡安全系數(shù)模擬計(jì)算。GEO-SLOPE軟件是一款具有非常強(qiáng)大功能的巖土模擬分析軟件，被各大科研院所和高校學(xué)府應(yīng)用到巖土模擬分析中。利用GEO-SLOPE軟件建模方便快捷，可以快速地進(jìn)行模型尺寸及參數(shù)的調(diào)整，在短時(shí)間內(nèi)獲得需要的計(jì)算結(jié)果。該軟件內(nèi)置有豐富的計(jì)算功能，設(shè)有多種計(jì)算方式可供用戶比對(duì)，并且模擬得出的結(jié)果均可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的圖形可視化，方便用戶觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)以及波動(dòng)范圍等。GEO-SLOPE軟件中SLOPE/W模塊可以用來(lái)模擬邊坡巖體，并且利用內(nèi)置的極限平衡理論，快速計(jì)算出邊坡體的安全系數(shù)[2]。

3 模擬分析

GEO-SLOPE軟件只需要邊坡的二維剖面圖就可以進(jìn)行模擬分析。該處邊坡有效的危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)橐欢伍L(zhǎng)50 m左右的路塹，由于是第三系紅色黏土層且經(jīng)過(guò)小型挖掘機(jī)的修整，整體邊坡形態(tài)規(guī)整，坡面平整，內(nèi)部巖性穩(wěn)定一致，適宜采用單一模型(圖3)。

圖3 軟件分析模型

利用工程圖以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察所建立的模型，經(jīng)由GEO-SLOPE軟件分析模擬得知，該邊坡計(jì)算的安全系數(shù)為0.919，小于常規(guī)的邊坡安全系數(shù)臨界值1，為欠穩(wěn)狀態(tài)。加之本次分析并未將震動(dòng)因素和降水因素等考慮在內(nèi)，所以該段邊坡的安全儲(chǔ)備不足，需要提高邊坡的安全系數(shù)。

通過(guò)軟件模擬結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該處邊坡前方延伸處的破壞觀測(cè)，得知本邊坡有類似黃土邊坡的“低速緩動(dòng)滑坡”[3]。邊坡整體的滑坡形式呈現(xiàn)低速性、蠕變性。由于紅黏土受水之后沿滑移面處的抗滑阻力下降，邊坡變形破壞將進(jìn)一步加重。

該處第三系邊坡首先會(huì)發(fā)生肉眼無(wú)法觀測(cè)到的微小蠕變和發(fā)育一些細(xì)小裂隙；隨著邊坡穩(wěn)定性的下降，邊坡破壞蠕變開(kāi)始加劇，更多的細(xì)小裂隙開(kāi)始出現(xiàn)，先前形成的裂隙進(jìn)一步發(fā)育貫通，形成大的裂隙；在邊坡穩(wěn)定性進(jìn)一步下降時(shí)，邊坡開(kāi)始出現(xiàn)肉眼可觀測(cè)到的大型裂隙，主要以橫向裂隙為主，這些裂隙基本上都是日后邊坡發(fā)生破壞的邊緣地帶；最后在邊坡危險(xiǎn)滑面的抗滑阻力不足以抵抗下滑力的時(shí)候，邊坡體發(fā)生破壞變形。

4 治理措施

目前針對(duì)不同的邊坡破壞形式，礦山較為常用的邊坡治理手段有削坡，壓腳，施工抗滑擋墻、抗滑樁、抗滑梁，錨桿錨固，錨索錨固等。由于該段邊坡高度較小，土石方滑移量不大，坡腳處空間有限，邊坡巖性為第三系紅色黏土，且位于采坑上部境界無(wú)邊坡深部基巖，因此，針對(duì)該邊坡的實(shí)際情況，建議采用削坡措施來(lái)提高邊坡的安全系數(shù)。

利用GEO-SLOPE軟件調(diào)整該邊坡的坡面角，得出邊坡角與邊坡安全系數(shù)之間的規(guī)律。以目前邊坡的坡面角為基礎(chǔ)，每隔0.5°設(shè)置一個(gè)坡面角試驗(yàn)?zāi)M組，利用軟件模擬找到安全系數(shù)首次達(dá)到1時(shí)的坡面角，此坡面角為邊坡安全的臨界坡面角；再在臨界坡面角的基礎(chǔ)上同樣每隔0.5°設(shè)置15個(gè)坡面角試驗(yàn)?zāi)M組；另外，為了對(duì)比，以目前邊坡坡面角為基礎(chǔ)，每隔0.5°設(shè)置5個(gè)對(duì)比試驗(yàn)?zāi)M組。模擬試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。安全系數(shù)與坡面角的關(guān)系見(jiàn)圖4。

表1 模擬試驗(yàn)結(jié)果

圖4 安全系數(shù)與坡面角的關(guān)系

由表1可知，在目前邊坡坡面角為48°時(shí)，邊坡的安全系數(shù)為0.949，小于常規(guī)的邊坡安全系數(shù)1，所以邊坡處于欠穩(wěn)狀態(tài)。模擬分析試驗(yàn)中邊坡安全系數(shù)首次達(dá)到1時(shí)的坡面角為44.5°，此時(shí)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。以臨界穩(wěn)定邊坡坡面角44.5°為基礎(chǔ)，設(shè)置了15組模擬分析試驗(yàn)組，所得的結(jié)果安全系數(shù)均大于1。由圖4可知，隨著坡面角的減緩，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，隨著坡面角的增大，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，這也驗(yàn)證了減小坡面角可以增加邊坡的安全系數(shù)，提高邊坡的穩(wěn)定性。

露天礦可以根據(jù)本礦山對(duì)邊坡安全儲(chǔ)備所能承受的限度采取適用的坡面角進(jìn)行削坡工作，表1可以為礦山安全生產(chǎn)的邊坡角度選取提供參考。

5 結(jié) 語(yǔ)

本次研究的邊坡為一處位于斜坡路轉(zhuǎn)角處第三系紅色黏土路塹，雖然不是高大邊坡，也不是老舊邊坡，但是由于其位置的特殊性以及邊坡巖體的情況，對(duì)該處邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性模擬分析，制定出提高邊坡穩(wěn)定性的措施。通過(guò)利用GEO-SLOPE軟件分析得知在不考慮水和震動(dòng)的影響下，邊坡處于欠穩(wěn)狀態(tài)，邊坡抵抗外界破壞擾動(dòng)的能力較差，對(duì)保證斜坡路的安全運(yùn)輸有威脅。由于邊坡巖體為第三系紅色黏土，邊坡位置距離斜坡路較近且坡腳區(qū)域場(chǎng)地有限，邊坡后部并沒(méi)有深層厚穩(wěn)基巖，所以不適于采用壓坡腳，打抗滑樁，錨桿錨索錨固，施工抗滑擋墻等加固措施，采用經(jīng)濟(jì)合理的削坡加固措施。利用GEO-SLOPE軟件模擬分析不同邊坡坡面角的邊坡安全系數(shù)，礦山可以采取適用于本礦安全儲(chǔ)備的坡面角進(jìn)行削坡作業(yè)。削坡后可以提高邊坡的安全系數(shù)，增加邊坡的穩(wěn)定性，保證礦山的安全運(yùn)輸，對(duì)整個(gè)礦山的安全生產(chǎn)有著重要的意義。

[1] 程向民,陳書文,呂振. 晉西北上第三系紅黏土工程地質(zhì)特性與隧洞施工措施[J]. 資源環(huán)境與工程,2013(4):390-393.

[2] 劉潭璞.基于GEOSLOPE的曉街河水庫(kù)壩體滲流穩(wěn)定分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[3] 祝 建,黃強(qiáng)盛,姜海波.青蘭公路陜西境K103～K113沿線滑坡特征及成因機(jī)制[J].工程勘察,2009(7):18-22.

2015-03-31)

王 凱(1988—)，男，碩士，014020 內(nèi)蒙古包頭市阿爾丁大街7號(hào)。