斷層高陡邊坡穩定性分析及加固設計

戴 欣，朱建方，任 文

（濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，山東濟南 250101）

0 前言

隨著露天開采深度的增加,露天坑越來越深,開采難度越來越大,剝采比明顯變大,高陡邊坡問題也變得越來越嚴重,尤其是受斷層、裂隙等影響的高陡邊坡。不穩定邊坡受到外界包括降雨、爆破振動等影響后較容易發生破壞，變壞后輕則影響局部的正常生產，重則造成重大的生命、財產損失甚至是導致整個礦井無法生產。目前國內許多露天礦面臨類似的問題，如武鋼的大冶鐵礦等，在露天開采的后期邊坡穩定問題尤為突出[1-3]，一是原始邊坡受到采動和爆破等的影響巖體強度降低，節理、裂隙增多。二是為了追求較大的資源利用率和經濟效益，邊坡角度也在開采的過程中不斷變大[4-5]。

本邊坡主要由中等風化的大理巖組成。邊坡大理巖的風化差異很大，表層局部已呈全風化，節理裂隙很發育，松動的巖體在采場爆破及大氣降水等誘因作用下，易產生滑塌、崩落。在邊坡上部及周邊已形成過多次的垮塌及滑坡，很多地方的邊坡由于垮塌導致雙或三臺階自然并段。在該段邊坡上的楔形體主要由兩條斷層控制，其產狀分別為346°∠65°、58°∠65°，邊坡的走向近于280°產狀為10°∠90°。因此對該部分邊坡進行穩定性分析和加固設計是很有必要的，特別是對于保障正常的生產和生命財產安全起著重大意義。本文采用加拿大GEO-SLOPE公司研制的巖土工程分析軟件的SLOPE/W模塊對邊坡穩定性進行評價和分析。

1 邊坡穩定性模擬方案

1.1 降雨情況

本研究區屬山區谷地亞熱帶半干燥氣候，一年分雨旱兩季，每年的5月底或6月初至10月中下旬為雨季，其余時間為旱季，雨季降水量占全年降水量的90%以上。四年中年平均降雨量為1 005.2 mm，月最大降雨量是515.7 mm，日最大降雨量是126 mm。因此可以說礦區降雨具有雨量集中、降水強度大的特點，這就使得雨季地下水能得到大氣降水的連續補給，地下水位有明顯抬高。

1.2 模型設計

邊坡穩定性計算一般可以簡化為平面問題，用平面計算結果近似代替三維計算結果，計算剖面的選取要與下部的礦體和采礦工程建立必要的聯系。根據模擬范圍的確定原則：在采礦期間，模擬的最小范圍應該是應力擾動不會波及到的邊界，亦即周邊始終保持初始應力狀態。根據采場地質圖、巖石物理力學性質等有關地質采礦資料確定與研究對象和研究任務相適應的模型，本試驗模型截面尺寸為130 m×150 m。

1.3 數值模擬計算

共分三組進行模擬，其中第一組不加固、無降雨影響，第二組不加固，有降雨。第三組有加固、有降雨。其余參數均相同。

邊坡中根據巖性的不同分為大理巖、局部有巖漿侵入形成的輝長巖透鏡體、斷層結構面，具體的巖石力學參數見表1。

表1 巖石力學參數

2 邊坡穩定性模擬結果分析

2.1 第一組方案模擬

第一組情況主要模擬在正常情況下，即在正常的地下水位和無降雨的影響。建立的初始模型見圖1。

圖1 初始模型圖

輸入所需的巖石參數后，運行軟件得出此條件下的安全系數和危險滑移面。計算出的最小安全系數為1.14，最危險的滑移面見圖2。由圖2可以看出此邊坡屬于不穩定邊坡，最小安全系數只有1.14。邊坡受斷層影響容易在斷層附近產生滑移。特別是在邊坡受到外界影響的情況下很容易發生垮落。

圖2 有地下水作用滑移面

2.2 第二組方案模擬(無加固有降雨的條件)

此時計算出的安全系數為1.07，此時邊坡已處于臨危狀態。最危險的滑移面見圖3。極有可能發生垮落和滑移。在受降雨影響的時候，邊坡巖體，特別是斷層破碎帶由于內部結構較為破碎，均為破碎的巖石結構，在遇到強降雨時通過邊坡裂隙滲入到斷層內，使原本就較為破碎的巖體更加破碎。雨水滲入后，通過弱化巖體，泥化軟化滑帶，粘土礦物的水化作用導致粘著力降低，使軟弱結構面抗剪強度明顯降低，最終導致邊坡的滑落。

2.3 第三組方案模擬（有加固、有降雨的條件）

錨固設計依據：

圖3 受降雨影響的滑移面

（1）剩余推力的計算和基本物理力學參數：楔形體體積約36 743.44 m3，重約9.355萬t。

剩余推力法的平衡表達式：

式中：ψi——第i條塊的推力傳遞系數；

Ei——第i條塊的剩余推力；

Wi——第i條塊的重量；

αi——第i條塊的滑面內聚力；

φi——第i條塊的滑面摩擦角；

ci——第i條塊的滑面內聚力；

Li——第i條塊的底面長度；

k——穩定系數。在計算過程中，若出現Ei小于零對下一條塊取Ei=0。

因為模型假定條塊間不承受相互的拉力作用，帶入數據由上式算出的剩余推力為17 640 kN。加固前安全系數為1.15，加固后安全系數為1.30。

（2）錨桿支護設計

根據目前常用的巖石邊坡支護錨桿種類，初步選用直徑Φ32，抗剪強度為340 MPa的錨桿。

錨桿受力計算如下：

a.錨桿承載力計算

式中：[σ]——設計強度。根據目前常用的錨桿種類，抗拉強度270 kN。

b.砂漿同錨桿間握裹力計算

式中：T2——鋼筋與砂漿間抗剪強度；

d——錨桿換算直徑；

L效——錨桿有效錨固長度；

T2=KR（R為砂漿極限抗壓強度），K取0.5～0.55，若取M20砂漿，L效取5 m時，則單根錨桿可提供的極限抗力可達1 004.8 kN以上。

c.砂漿同孔壁摩阻力

式中：T3——砂漿同孔壁平均摩阻力；

D——孔徑。取D=110 mm，T3=500 kPa，L效取5 m則有P3=863 kN。取小值863 kN。取安全系數1.5，則每根錨桿可承擔575.3 kN的極限抗拔力。

d.錨固力提供的抗滑阻力的確定

式中：P——錨固力；

Pn——錨固力沿滑面的法向分量；

PT——錨固力沿滑面方向的分量；

α——滑面傾角；

θ——錨桿與水平方向的夾角。根據計算結果，滑坡傾角65°，φ為滑面內摩擦角，φ=12°，θ取與水平方向夾角 22°，P取575 kN，則有Fp=142 kN。為安全考慮，取單根錨桿提供142 kN的抗滑阻力進行設計，需要錨桿的數量為 N＝G/Fp=17 640/142=125。

有加固和降雨時，模擬見圖4、圖5。

此時所計算出的最小安全系數為1.307，符合安全生產要求。對加固坡面設立觀測標志，進行必要的位移觀測，并應在邊坡局部進行掛網以防止小范圍垮落。

3 結論

（1）數值模擬過程中根據在不同條件下對邊坡進行了穩定性研究，第一種情況是在無加固無降雨時邊坡的穩定系數為1.14，此時邊坡處于危險狀態很容易在外界因素的干擾下發生滑坡。第二種情況是在無加固有降雨的情況下得出邊坡的安全系數為1.07。此時邊坡已處于臨界狀態，極易發生危險。第三種情況是在有加固有降雨的情況下，安全系數為1.307此時為邊坡為安全的。并應在表面進行掛網支護。

（2）以極限平衡法為基礎，把邊坡內斷層、軟弱夾層，地下水位，和降雨對地下水位的影響等外界因素考慮在內，更真實的反應了現場實際狀況，提高了模擬的真實度。

圖4 錨桿加固時的模型

圖5 受降雨影響的滑移面

（3）對不穩定邊坡根據剩余推力法和相關設計規范進行了錨固設計，通過模擬來印證了設計的合理性和安全性，并應加強監測工作，隨時掌握邊坡失穩的前兆。

[1]蔡美峰,劉相壽,黃志彬.巖石力學與工程[M].北京:科學出版社,2002.

[2]宋衛東,萬海文,吳姍,等.蘭尖鐵礦深凹露天礦山高陡邊坡穩定性分析[J].金屬礦山,2011,416(2):36-39.

[3]張宏濤,紀洪廣,王金安,等.巖土邊坡穩定的機動極限分析方法[J].金屬礦山,2010(4):53-57.

[4]鄭濤,張玉燈,毛新生.基于Geo-Slope軟件的土質邊坡穩定性分析[J].水利與建筑工程學報,2008,6(1):6-8.

[5]John Krahn.Stability Modeling with Slope／W[M].Canada.Montreal:GEO-SLOPE／W International Ltd,2004,69-72.