三道莊露天礦邊坡滑坡治理穩定性分析

蔣文斌，彭府華

三道莊露天礦邊坡滑坡治理穩定性分析

蔣文斌1，彭府華2

(1.洛陽欒川鉬業集團股份有限公司，河南 洛陽市 471500；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

利用MIDAS GTS有限元方法，對三道莊露天礦觀禮臺邊坡滑坡治理穩定性問題進行了計算研究。通過建立三維幾何模型、網格劃分、確定邊界條件和初始應力場等，對觀禮臺邊坡治理前后穩定性進行了計算，得到了邊坡治理前后邊坡安全系數、應力場和位移變化情況，并對治理后重要構件內力進行分析，獲得的研究成果可為后續邊坡治理施工提供理論參考。

邊坡;有限元模擬;穩定性;滑坡治理

0 前 言

近年來，礦業公司為提升經濟效益，一些大型露天礦出現了許多高于300 m、坡度角達到45°以上的邊坡，如南芬露天鐵礦邊坡達到了46°~54°。據估算，大型露天礦邊坡每加陡1°，可減少剝離費用2000~3000萬美元[1]。但在降低成本，提高收益的同時，高陡邊坡也在嚴重威脅著露天礦的生產安全。據統計，滑坡占全國地質災害總數的10%，僅次于地面塌陷與地裂縫[2]。1990年代撫順西露天礦北幫邊坡大規模傾倒滑移變形，嚴重影響地面工業、民用建筑的安全，國家投入幾億資金開展大規模滑坡治理[3]。同時，另一些露天礦每年花費數千萬甚至上億的經費用于邊坡維護與加固治理，使得露天礦高陡邊坡的設計、穩定分析、治理、加固等成為相當重要而復雜的工程項目。

洛陽欒川鉬業集團股份有限公司三道莊露天礦是我國特大型露天礦山。近年來年采剝總量超過3000萬t，設計露天最低開采標高+1072 m，最大開采深度+486 m，目前礦山局部已形成最終邊坡。2016年11月礦山觀禮臺下部+1550 m~+1474 m區域邊坡發生局部滑坡，嚴重威脅著下部臺階開采作業人員和設備的安全。為此三道莊露天礦專門立項對該區域滑坡進行工程治理，為礦山安全生產提供保障[4]。本文利用MIDAS GTS有限元方法，對觀禮臺邊坡滑坡治理前后穩定性問題進行了計算研究，為后續邊坡治理施工提供理論參考。

1 工程背景

觀禮臺下方滑坡位于礦區觀禮臺下部北側邊坡，地貌為中低山，整體地形坡角一般為30°~40°，局部可達50°左右。滑坡前緣標高1474 m，后緣標高1550 m，總體形態為前緣碎石土斜坡、后緣頂部為人工填土堆載，滑坡區為一略低洼的負地形（見圖1）。坡體中下部發育斷裂帶1處，為F1，該斷層產狀330°∠40°，破碎帶寬度約7~10 m，鉆孔揭露厚度9.1 m，破碎帶主要為壓碎巖，灰白色?淺灰色，片巖碎屑，碎裂結構，巖芯極破碎～較破碎。該斷層的存在，造成了滑坡坡體基巖破碎，為滑坡堆積物的產生和軟弱帶的形成提供了一定的條件。滑坡變形特征明顯，早期主要為崩坡積塊石土、碎石土堆積于斜坡，由于礦坑內側邊坡開挖形成較高的臨空面使得前緣垮塌，在頂部堆載、地下水和破碎帶的作用下，導致后緣逐級滑動，目前已經發生了嚴重的失穩破壞。滑坡變形區平面形態總體上略呈“倒梯形”，為縱長式滑坡，地勢總體南高北低。橫向平均寬度70 m，縱向平均長度120 m，面積約8099 m2，滑體平均厚度約15 m，體積約12.15×104m3。根據變形跡象（裂縫展布）及鉆探揭露滑床頂面變化情況，綜合確定了該滑坡主滑方向為6°。該滑坡為中型中層滑坡，主要表現為整體變形、多級滑動，其破壞模式主要有下部牽引，上部推移[5]。

針對本次滑坡特征，設計采用多級抗滑綜合治理方案。在1522，1498和1474 m平臺設置微型抗滑孔樁群，樁長20~27 m不等，樁排距2 m，孔距1.5~3 m不等，并在1522 m平臺布置擋土墻，1498和1474 m平臺布置地梁；在1550~1474 m邊坡面上布置預應力錨索、錨桿；在1522和1498平臺對破碎巖體進行高壓注漿；對坡面巖體進行噴射混凝土封閉，并布置系統排水設施等。

圖1 邊坡滑坡典型剖面

2 邊坡應力場及位移分析

在MIDAS/GTS中，根據工程剖面圖建立二維模型，再通過擴展網格方式，建立三維模型。3種土體均采用莫爾-庫侖本構模型，擋土墻、抗滑樁等混凝土構件使用彈性本構模型，錨桿、錨索采用1D植入式桁架，抗滑樁采用1D植入式梁單元，噴射混凝土采用板單元，其余均采用3D實體單元。初始邊坡模型大小為54630個單元，59536個節點。加固措施完成后整個模型大小為42548個單元，46756個節點。

模型邊界由許多面組成，在=0的面，限制其、和方向的位移，=0和30的面，限制其方向的位移，=0和225的面，限制其方向的位移。其余面為自由面。

2.1 邊坡治理前

對加固前的邊坡穩定性進行計算，通過計算其安全系數為0.931，處于不穩定狀態。應變、位移結果如圖2和圖3所示。應變應力主要集中在碎石層、塊石層出露點，最大有效應變產生在塊石層出露點附近，數值為0.0589。最大位移出現在頂部，數值為0.0596 m。

計算結果表明，邊坡滑移帶集中在塊石層及碎石層內，沿碎石層與塊石層交界延伸，塊石層出露點附近亦有一條明顯滑移帶延伸到1522平臺擋土墻后方，形成局部塑性應變集中帶。片巖層內部無塑性應變現象。所以治理前邊坡較易發生沿碎石層、塊石層及片巖交界面滑動的滑移破壞，符合下部遷移，上部推移的判斷。

圖2 無加固措施邊坡有效應變結果

圖3 無加固措施邊坡總位移結果

2.2 加固措后邊坡

對加固后的邊坡穩定性進行計算，通過計算其安全系數為1.584，整體處于穩定狀態，較為安全。圖4、圖5應力應變計算結果表明，治理后塑性應變不再局限于碎石堆積體和塊石堆積體處，在邊坡內部大范圍分布，位置較治理前更加深入邊坡內部。在塊石堆積體內部有部分集中帶，但屬于大集中帶的一部分，并未沿交界面延伸至邊坡外部。同時，邊坡位移為整體位移，沿片巖深部滑移面滑動，不存在集中于不同巖體交界面等情況。

3 構件內力分析

錨索最大軸力出現在1498平臺附近，1498平臺下方錨桿受力較小（見圖6）。1498平臺下方預應力錨索錨固段位于塊石堆積體與片巖交界處，最大軸力為567.279 kN，使塊石堆積體內塑性滑移區向邊坡內部轉移，減少塊石等松散堆積體對邊坡造成的不利影響，發生局部破壞的可能性變小。

圖4 加固后邊坡有效應變結果

圖5 加固后邊坡總位移結果

圖6 預應力錨索軸向力計算結果

抗滑樁最大彎矩出現在1498平臺的抗滑樁（見圖7）。1498平臺抗滑樁彎矩集中于中部塊石堆積體與片巖相交處，以及下部灌漿澆筑體與片巖相交處。塊石與片巖相交處彎矩在抗滑樁右側，最大數值為0.2734 kN·m。證明塊石堆積體下部存在較大沿交界面滑動的應力，而抗滑樁有效阻擋了塊石堆積體沿交界面向下滑動的趨勢。

圖7 抗滑樁彎矩計算結果

4 結 語

（1）治理前邊坡內部存在位于巖土體淺層、不同巖土體交界處的明顯滑移帶。在采取治理措施后，碎石堆積體和塊石堆積體內塑性應變集中處消失，滑移帶向巖土體深處轉移。邊坡最大位移減小，安全系數從0.931提升到1.584，加固效果明顯。

（2）通過構件分析得出，構件中受力最大的構件，均出現在1498平臺附近。碎石層出露點及塊石層出露點均位于1498平臺附近。由此可知，1498平臺為治理重點，應多加關注。預應力錨索、抗滑樁等支護結構的受力情況能夠反映邊坡內部的應力應變情況。

（3）預應力錨索、擋土墻、抗滑樁、灌漿澆筑體等支護措施能夠有效發揮加固作用，將較易滑動的松散堆積體嵌固在強度較大的底層穩定巖體上，降低松散堆積體的不利影響，預防易發生的邊坡局部滑坡，提高安全系數，對露天礦生產活動及人員財產安全具有重要意義。

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(2019-06-04)

蔣文斌(1980—) ，男，河南河南省柘城縣人，土木工程專業，工程師，從事工程施工管理工作，Email: 13783196507@126.com。