低強度易風化破碎露天邊坡綜合加固與排水技術*

韓 斌 儀海豹 鄭祿璟 李佳夢 沈顯嶺

(1.北京科技大學土木與環境工程學院;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室;3.貴州大學資源與環境學院)

隨著露天開采深度的逐漸增加、邊坡垂直高度的不斷增大，露天邊坡的穩定性問題日益成為限制礦山安全生產的一大技術難題。為最大程度提高礦山經濟效益、降低剝采比，一般需要增大最終邊坡角;然而最終邊坡角的提高勢必將降低邊坡的穩定性，當巖體松散破碎、節理裂隙較為發育時，受巖體結構、礦山生產爆破、降雨等的影響，這一問題更加突出［1-2］。針對露天邊坡穩定性問題，許多學者做了大量研究工作［3-6］:金愛兵等根據現場地質狀況分析、試驗研究和理論計算，開展了某露天鐵礦邊坡穩定性研究，提出了邊坡綜合加固治理方案;高玉坤等采用模糊綜合評價模型和模糊層次分析法開展了巖質邊坡安全指標體系研究;Yang Jun等采用基于MSARMA法的“邊坡工程穩定性MSARMA法評價分析系統”進行了南芬鐵礦邊坡穩定性定量評價;石露等采用基于邊坡應力場的矢量和法求解邊坡滑動面的安全系數，結合蟻群算法與遺傳算法，揭示了地下礦體開采對露天采場邊坡的穩定性的影響。錦豐露天礦巖體具有強度低、易風化崩解、遇水易泥化等特點［7-8］，為確保露天生產的順利進行，露天礦根據不同區域巖體工程地質條件、邊坡使用期限、邊坡重要程度等，采取了不同邊坡加固支護和排水措施，總加固面積達到了53 200 m2。目前礦山采用的露天臺階高度為10 m和20 m 2種，邊坡坡面角為55°～65°，整體邊坡角達到34°～40°，邊坡高度大于275 m，實現了低強度易風化破碎深凹露天礦的陡幫開采。

1 礦區工程地質

1.1 構造特征

錦豐露天礦位于揚子準地臺西南緣，望漠北西向構造變形區西側，挾持于北北東向的賴子山背斜及其東翼的洛帆逆沖斷層(F1)，北西向板昌逆沖斷層及冊亨東西向構造帶組成的三角形構造變形區內。礦區范圍內斷裂構造極其發育，主要斷裂有F2、F3、F4、F5、F6、F8等，F2、F3、F6為礦區控礦斷層，F3為主要控礦斷裂，斷層帶寬5～30 m，帶內巖石強烈變形。

1.2 巖體特征

礦區內巖體劃分為3個工程地質組:

(1)松散巖組。其RQD值為0.55%～14%，主要分布于磺廠溝內。由殘坡積物、人工堆積物與強風化帶組成，巖體破碎，工程地質性質差。由于表層風化帶節理裂隙發育，在大氣降水補給下形成含水層。

(2)砂巖夾黏土巖半堅硬～軟弱巖組。RQD值為40%～91%，平均55%，Ra=18.18～59.92 MPa，廣泛分布于礦區中部和東部。巖性總體上以簿至中厚、厚層的塊狀細砂巖、中粒砂巖與粉砂巖為主，夾有簿至中厚層黏土巖，巖體節理裂隙較發育，黏土巖軟弱夾層浸水后軟化成泥狀而易發生垮塌。

(3)黏土巖夾砂巖半堅硬～軟弱巖組。RQD值為30%～58%，平均45%，Ra=3.46～37.21 MPa，主要分布于礦區中部和南部。巖性為簿層狀、少許中厚層狀黏土巖，夾有簿至中厚層狀粉砂巖，具有軟化性強，抗水抗風化性弱，為典型的軟弱巖石，巖體完整性差。黏土巖易軟化發生垮塌。

2 邊坡加固措施及應用效果

2.1 加固原則

調查表明，錦豐露天邊坡破壞模式主要包括順層滑坡、楔形體滑坡、傾倒滑坡和松散土體整體滑坡4種類型;錦豐露天礦邊坡加固的區域選取一般依據邊坡重要性、邊坡坡面與巖層產狀的空間關系、巖體特征及可能出現的破壞模式確定;重點支護區域包括運礦道上下部邊坡、永久邊坡、構造帶附近邊坡、可能產生順層滑移和傾倒滑移的邊坡。采取的加固措施包括噴錨網+長錨索支護、長錨索+鋼帶支護、噴錨網支護、抗滑樁支護及HDPE防滲膜護坡等方式。

2.2 加固手段

2.2.1 噴錨網+長錨索支護

(1)技術參數。長錨索孔直徑90 mm，每孔安裝2根長12 m的?15.24 mm鋼絞線，沿坡面上、下排錨索傾斜排距3.6 m，水平方向間距2 m;噴射混凝土厚為60～80 mm，28 d單軸抗壓強度大于15 MPa;采用長1.8 m的管縫錨桿固定鋼網，錨桿間排距2 m×2 m;鋼網尺寸為2.5 m×4 m，網格100 mm ×100 mm，鋼筋直徑5 mm。

(2)施工步驟。施工過程如下:隨著邊坡開挖作業的進行，采用淺孔沖擊式鉆機逐層開鑿長錨索孔，孔深達到設計位置后采用高壓風清孔，然后安裝錨索并完成錨索張拉和注漿工序;對于臺階高度為10 m的邊坡，實行一次性掛網，采用長1.8 m的管縫錨桿將鋼網固定，使其緊貼巖面，安裝長錨索錨具，然后噴射混凝土以封閉巖面，防止巖層進一步風化破碎。

2.2.2 長錨索+鋼帶支護

(1)技術參數。長錨索孔直徑為90 mm，每孔安裝2根長度12m的直徑為15.2mm的鋼絞線，臺階高度為10 m時，布置3排長錨索，沿坡面上、下排錨索傾斜排距3.6 m，水平方向間距2 m;注漿水灰比0.35～0.40;采用直徑?5 mm的鋼筋焊接成長6 m，寬0.5 m的鋼網，鋼網的網格間距100 mm。采用鋼帶將同水平相鄰長錨索連接起來，搭接長度大于0.5 m。

(2)施工步驟。隨著露天邊坡施工作業的進行，采用沖擊式鉆機逐層開鑿長錨索孔，采用高壓風清洗錨索孔達到要求后進行錨索安裝作業，并完成錨索注漿，采用鋼帶將同水平相鄰長錨索連接，并用長錨索托盤將鋼帶固定。

2.2.3 噴錨網支護

(1)技術參數。噴射混凝土厚度為60 mm，28 d單軸抗壓強度大于15 MPa;錨桿采用長度1.8 m的?34 mm管縫錨桿，錨桿間排距2 m×2 m;鋼網尺寸為2.5 m×4 m，網格100 mm×100 mm，鋼筋直徑5 mm。

(2)施工步驟。施工時，邊坡坡面形成后，首先將邊坡表面浮石清理干凈，然后人工放置錨網，采用管縫錨桿將錨網固定，使其最大限度緊貼表面，并一次性噴射混凝土覆蓋錨網以封閉巖面。

2.2.4 抗滑樁支護

(1)技術參數?？够瑯犊字睆綖?15 mm，孔深9 m，孔向與地面垂直;抗滑樁采用直徑78 mm、壁厚4 mm的鋼管，樁孔澆灌水泥漿的水灰比為0.35;抗滑樁間距為2.5 m，其與坡頂線的距離為1.5 m。

(2)施工步驟。運礦道或安全平臺形成后，采用鉆機鉆鑿下向抗滑樁孔，鉆孔驗收合格后安裝鋼管至孔底，然后采用灌漿泵向管壁與孔壁間的環形空間和鋼管內部的圓形空間注滿水泥漿，完成抗滑樁安裝作業。

2.2.5 HDPE防滲膜護坡

(1)技術參數。覆蓋松散土體的HDPE防滲膜厚度1.0 mm，采用溝槽錨固法將防滲膜固定，溝槽尺寸:寬度×深度=0.6 m×0.5 m，相鄰防滲膜搭接寬度為100 mm，且接縫與坡腳線平行;為便于覆膜施工，工作平臺寬度1 m，間隔10 m的臺階高度布置一個。

(2)施工步驟。首先對需要做防滲處理的邊坡坡面進行平整工作，保證坡面規整度較好，無明顯的凹陷和突起，然后人工將防滲膜敷設在松散土體上，采用回填混凝土的錨固槽將其邊緣固定牢靠。

2.3 加固效果及適用性

(1)噴錨網 +長錨索支護共計支護面積約42 000 m2，特點是加固效果好、適用性廣，能有效維護邊坡的穩定，但施工工序繁多、施工周期長、支護費用相對較高。

(2)長錨索+鋼帶支護共計支護面積約2 000 m2，特點是工藝簡單，施工速度快、效率高，支護成本較低，但如果長錨索間所加固巖體發生松動脫落，易引起長錨索支護失效，最終導致邊坡失穩破壞，適用于巖體相對完整，邊坡較穩定的區域。

(3)噴錨網支護共計支護面積約4 000m2，它能夠有效地封閉巖面，提高巖體的整體穩定性，防止巖體風化和自承能力的降低，施工工藝簡單、簡便易行、支護成本較低，但是管縫錨桿錨固力有限，噴錨網支護抗力較小，難以阻止邊坡巖體的整體位移，因此適用于總體穩定性相對較好的邊坡。

(4)抗滑樁支護總面積約500 m2，具有施工方便、工藝簡單、支護材料來源廣泛、支護成本低廉的特點;但由于抗滑樁不施加預應力，屬于被動支護方式，支護抗力有限，若巖體較為破碎，則難以充分發揮維護邊坡穩定的作用。該支護方式適用于巖體整體穩定性相對較好，但結構面間光滑或充填物易泥化的巖體邊坡。

(5)HDPE防滲膜護坡總計4 700 m2，有施工工藝簡單，支護成本低的優點，適用于受降雨影響顯著的松散土體邊坡。

3 邊坡排水措施及應用效果

3.1 邊坡排水原則

錦豐露天礦礦區構造裂隙發育，地表水易滲入邊坡巖體內，礦巖具有明顯的遇水膨脹、泥化或崩解現象。巖體以泥巖為主，透水性差;邊坡內賦存水源主要為地表降雨下滲并集中在構造帶、巖石破碎區以及順、反傾斜巖層處，如南部邊坡(順層巖層)和北部局部區域(反傾斜巖層);該礦地處我國西南山區，具有雨季持續時間長、暴雨及大暴雨頻率高、空氣濕度大、常年平均氣溫高且晝夜溫差變化較大等特點。

邊坡排水主要包括地表排水和邊坡內部排水:對于露天地表排水，主要排水工程包括660 m水平截水溝(南部)、620 m水平環形水溝和主采坑水泵排水;邊坡內部排水則采用打泄水孔排水方式。

3.2 技術參數

地表排水溝一般尺寸為0.6 m(寬)×0.8 m (深)，部分采用砂漿片石修建，部分采用在溝面上噴漿成溝的施工方法。邊坡內部的排水采用打泄水孔方式，泄水孔參數如下。

(1)580 m水平以上為水平孔間距10 m，垂直方向孔間距10 m，孔深20 m，孔徑?80 mm，方向為上向5°～10°。

(2)580 m水平以下根據巖石構造及其他含水區域進行參數優化，如北部和東部邊坡泄水孔參數為水平孔間距15～20 m，垂直方向孔間距10 m，孔深、孔徑及泄水孔方向同上;南部和西部邊坡泄水孔參數為水平孔間距5～10 m，垂直方向孔間距10 m，孔深、孔徑及泄水孔方向同上。

3.3 排水效果

工程實踐表明，采用砂漿片石修建的排水溝排水能力大，但該類排水溝施工周期長、建設成本高;采用溝內噴漿形成排水溝的方法施工速度快、受地形限制小、建設成本低。

邊坡內泄水孔排水應用效果較好，部分孔泄水量達到5～12 m3/d，如表1所示，各水平泄水孔出水率平均達到了51%，尤其是靠近地表淺部區域和深部各水平(560 m水平以下)，泄水孔出水率最高達75%，有效疏干了邊坡內積水，提高了邊坡的穩定性。

表1 露天邊坡泄水孔出水率

4 結論

(1)錦豐露天礦巖體具有強度低、易風化崩解、遇水易泥化等特點，通過大面積綜合加固和排水措施，使坡面角達到55°～65°，整體邊坡角達到34°～40°，邊坡高度超過275 m。

(2)噴錨網及長錨索支護的支護效果好，具有廣泛的適應性，但施工周期長、支護成本較高;長錨索+鋼帶支護施工效率高、支護成本低，但存在長錨索失效并導致邊坡失穩破壞的較大風險;噴錨網支護能夠有效地封閉巖面，防止巖體風化和自承能力的降低，簡便易行、支護成本低，但錨固能力有限;抗滑樁支護施工方便、支護成本低，但由于抗滑樁屬于被動支護方式，支護抗力有限;HDPE防滲膜護坡具有施工工藝簡單、成本較低的優點，較好地適用于受降雨影響顯著的松散土體。

(3)地表排水溝采用砂漿片石修建和噴漿成溝形成，邊坡內部排水采用打上向5°～10°泄水孔方式，各水平泄水孔出水率平均達到了51%，尤其是靠近地表淺部區域和深部各水平(560 m水平以下)，泄水孔出水率最高達75%，有效疏干了邊坡內積水，提高了邊坡穩定性。

(4)根據邊坡坡面與巖體層面空間關系、巖體質量及邊坡重要程度等因素，采用多種形式的支護手段和排水措施，可有效保障邊坡的穩定性，實現易風化復雜破碎深凹露天礦的陡幫開采，能夠獲得良好的經濟效益。

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