南芬露天鐵礦排土場高陡邊坡穩(wěn)定性分析及監(jiān)測設(shè)計(jì)

王 嘉 王敬翔 張 慧 卜慶濤 董 強(qiáng) 陶志剛

(1.鞍鋼集團(tuán)本鋼礦業(yè)南芬露天鐵礦,遼寧 本溪 117014;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;3.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

淺埋金屬礦山最常見的開采方式就是露天開采。露天開采需要?jiǎng)冸x極大量巖土體,而這些巖土體大多采取排土堆積的形式。隨著礦山的不斷開采,排土場的高度也在持續(xù)增高[1-4],出現(xiàn)了大量高陡排土場邊坡,滑坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)急劇增多,災(zāi)害程度也在不斷升高[5-8]。因此,對(duì)于排土場高陡邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和研究也越發(fā)重要。

造成排土場邊坡失穩(wěn)的因素是多樣的,包括地基強(qiáng)度較低[9],邊坡坡角較大[10],外力作用[11]等原因。近些年,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于排土場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究。Steiakakis E 等[12]對(duì)希臘的南田露天礦外部排土場的破壞過程進(jìn)行了詳細(xì)介紹,并通過極限平衡分析的方法以及不同類型的模型對(duì)排土場穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行了研究。Yin Yueping 等[13]研究了排土場不同階段土體結(jié)構(gòu)變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,并使用LS-RAPID 軟件對(duì)邊坡失穩(wěn)破壞后造成的滑動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)模擬。張亞賓等[14]基于Geo-studio 軟件分析了降雨量不同的環(huán)境下,排土場邊坡的滲流情況,得出降雨強(qiáng)度以及時(shí)間增長會(huì)使邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低的速度加快。張凱等[15]運(yùn)用基于有限差分法的FLAC3D軟件對(duì)高海拔地區(qū)排土場進(jìn)行數(shù)值模擬研究,得出了高海拔地區(qū)排土場應(yīng)力和塑性區(qū)的分布情況,并對(duì)西藏甲瑪?shù)V區(qū)排土場的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析和研究。Mzyk T 等[16]對(duì)排土場邊坡的形成方式及條件等方面展開研究,對(duì)復(fù)雜條件下所形成的排土場邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。王光進(jìn)等[2]開發(fā)出HHC-CA 模型并對(duì)西源嶺某排土場的散體粒徑分布進(jìn)行分析,運(yùn)用FLAC3D軟件分析了排土場不同堆排情況下的穩(wěn)定性,得出只考慮堆積散體的強(qiáng)度時(shí),超高排土場粒徑分級(jí)對(duì)排土場的穩(wěn)定性有著良好優(yōu)勢。鄭開歡等[17]建立排土場邊坡的有限元分析模型,模擬計(jì)算了降雨條件下的邊坡穩(wěn)定分析,得出從降雨初期到降雨結(jié)束排土場邊坡位移加速度呈現(xiàn)出由快逐漸減緩的趨勢。

一般情況下,巖質(zhì)邊坡的變形量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于排土場邊坡變形量的,所以通常巖質(zhì)邊坡的監(jiān)測系統(tǒng)在排土場中不能普遍適用[18-21]。排土場的地表會(huì)隨著巖土體堆積和排土車運(yùn)動(dòng)而不斷發(fā)生變化,從而導(dǎo)致地表位移計(jì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生頻繁波動(dòng)。深部變形監(jiān)測中的斜測法由于鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)和鉆孔傾斜儀等儀器的量程較小,不能進(jìn)行大面積的監(jiān)測。

南芬露天鐵礦是亞洲最大的單體露天鐵礦之一,年產(chǎn)量約1 300 多萬t,是本鋼集團(tuán)最重要的自給礦山。2#排土場作為南芬露天鐵礦主要排巖場地之一,經(jīng)過多年排巖生產(chǎn)作業(yè)形成了高陡松散堆積體邊坡。2000 年至今發(fā)生多次滑坡泥石流災(zāi)害,嚴(yán)重影響礦區(qū)正常生產(chǎn),屬于礦區(qū)重大地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)源。區(qū)域內(nèi)特殊的地質(zhì)構(gòu)造及外部不利因素綜合作用導(dǎo)致排土場邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)逐年增加。因此,亟需對(duì)2#排土場高陡邊坡的穩(wěn)定性和邊坡實(shí)時(shí)監(jiān)測展開深入研究,確保礦區(qū)安全可持續(xù)生產(chǎn)。

為了解決2#排土場高陡邊坡的穩(wěn)定性及監(jiān)測問題,本研究利用FLAC3D數(shù)值分析軟件進(jìn)行計(jì)算、分析和總結(jié),得到邊坡變形和力學(xué)變化規(guī)律。運(yùn)用研究結(jié)果對(duì)監(jiān)測方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),在現(xiàn)場應(yīng)用中取得良好效果。

1 工程概況及參數(shù)選取

1.1 工程地質(zhì)條件分析

南芬露天鐵礦位于遼寧省本溪市南芬區(qū),屬于北溫帶季風(fēng)氣候區(qū),雨季集中在7—9 月,四季分明。礦區(qū)地處華北地臺(tái)遼東臺(tái)背斜營口—寬甸隆起的北緣太子河凹陷之中,呈半島狀,主要構(gòu)造為倒轉(zhuǎn)背斜和NNE 向大斷裂。地貌以侵蝕構(gòu)造中高山地貌為主,地勢起伏較大,相對(duì)高差一般為300 ～400 m,最大可達(dá)500 m,總體地形東高西低,山勢近似呈東西走向,溝谷較多,植被稀少。

南芬露天鐵礦2#排土場是礦區(qū)主要排巖場地之一,在2009—2021 年礦區(qū)4 個(gè)運(yùn)營排土場(分別為2#、3#、4#、5#)累計(jì)排巖約9.968 億t,其中2#排土場累計(jì)排巖量達(dá)到3.688 億t,占整個(gè)礦區(qū)排巖量的37%。

2#排土場位于采場礦坑西南側(cè)約2.5 km,排土場南北長約1 700 m、東西寬約900 m,頂部平臺(tái)面積約150 hm2,如圖1所示。

圖1 2#排土場地理位置Fig.1 Geographical location of No.2 dump

1.2 典型剖面及參數(shù)選取

1.2.1 典型剖面選取

根據(jù)地質(zhì)勘察資料分析及現(xiàn)場調(diào)查,2#排土場頂部最大標(biāo)高約為650 m,邊界(坡腳)處標(biāo)高約290 m,邊坡最大高差超過350 m,邊坡角約為34°。排土場北側(cè)和西側(cè)邊坡幾何外觀基本一致,因此選取橫貫排土場中央近似東西走向的典型剖面1-1'(圖2)為研究對(duì)象,該剖面近似垂直于西側(cè)長坡面,中間平臺(tái)跨度較大,因此具有典型代表性。分析其地質(zhì)構(gòu)成和地層分布等,得到剖面1-1'對(duì)應(yīng)地層結(jié)構(gòu)剖面圖,如圖3所示。

圖2 2#排土場典型剖面1-1′位置(單位:m)Fig.2 Typical section 1-1′ location profile of No.2 dump

1.2.2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)選取

2#排土場上覆地層主要由采礦生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的礦石廢料和風(fēng)化破碎巖土體堆積形成,下部地層巖土體巖性主要有:震旦系南芬組蛋青色泥灰?guī)r、橋頭組灰白色細(xì)粒石英砂巖;寒武系堿廠組燧石條帶灰?guī)r、毛莊組暗紫色云母質(zhì)頁巖、張夏組結(jié)晶石灰?guī)r、徐莊組綠色—紫色砂質(zhì)頁巖以及第四紀(jì)坡土等,主要地層分布狀態(tài)見圖3。

圖3 剖面1-1′地層結(jié)構(gòu)剖面Fig.3 Stratigraphic structure section of section 1-1′

根據(jù)地勘資料以及室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整合分析,得到2#排土場主要地層巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 2#排土場巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil in No.2 dump

2 數(shù)值模擬

2.1 建立模型

根據(jù)剖面1-1'地層結(jié)構(gòu)及巖土體物理力學(xué)參數(shù),建立該剖面FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算的概化模型,如圖4所示。

圖4 剖面1-1′數(shù)值計(jì)算模型Fig.4 Numerical calculation model of section 1-1′

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算

采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件對(duì)2#排土場高邊坡進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性研究,根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析排土場邊坡應(yīng)力、應(yīng)變變化特征,以及最大主應(yīng)變速率,總結(jié)變化規(guī)律。

2.2.1 應(yīng)力分析

如圖5所示,根據(jù)最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,分析可知最大主應(yīng)力等值線分布狀態(tài)與排土場層狀堆積狀態(tài)基本一致。由最大主應(yīng)力云圖可知,坡頂最大主應(yīng)力較小、應(yīng)力等值線稀疏,邊坡表面應(yīng)力為0,由坡表向內(nèi),越往地層深處應(yīng)力越大。

圖5 最大主應(yīng)力云圖Fig.5 Maximum principal stress nephogram

根據(jù)圖6 最大主應(yīng)變速率云圖分析,應(yīng)力變化最快的區(qū)域位于潛在滑動(dòng)面中下部,此處首先產(chǎn)生剪切裂縫破壞,裂縫持續(xù)發(fā)育,沿滑裂面向下延伸至坡腳、向上延伸至坡頂貫通,下部主要受到剪切破壞,上部破壞形式表現(xiàn)為張拉破壞,最后形成貫通滑裂面。加之外界環(huán)境影響,各種不利因素綜合作用極易發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

圖6 最大主應(yīng)變速率云圖Fig.6 Maximum principal strain rate nephogram

2.2.2 位移分析

由圖7 總位移云圖可以看出,排土場邊坡整體發(fā)生變形移動(dòng),位移較大的部位主要集中在坡體中下部,最大位移約265 mm,其次邊坡坡頂部位也發(fā)生較大變形,最大變形量約為200 mm,邊坡形變的主控部位位于坡體中下部。由坡面向坡體內(nèi)隨著縱深增加位移逐漸變小,位移等值線由疏變密,說明越往深部邊坡位移變小的速度越快,這與實(shí)際變形情況是一致的。

圖7 總位移云圖Fig.7 Total displacement nephogram

同時(shí)分析總位移矢量圖(圖8),可以得出排土場邊坡滑移方向沿著潛在滑動(dòng)面近似“弧形”向下。

圖8 總位移矢量圖Fig.8 Total displacement vector diagram

X方向(水平向右為正)位移與總位移變化情況類似(圖9),較大位移位于邊坡中下部,水平向左最大位移約240 mm,但坡頂處位移相對(duì)較小,水平向左最大變形量為100 mm。說明在X方向上的邊坡變形主要受中下部坡體主導(dǎo),由坡表向深部等值線由疏變密。

圖9 X 方向位移云圖Fig.9 X direction displacement nephogram

通過對(duì)Z方向(豎直向上為正)位移變化情況的分析(圖10),得出豎直方向發(fā)生較大變形的區(qū)域位于上部坡肩處,最大下沉約為170 mm,中下部變形逐漸減小,中部下沉變形量約為100 mm,沉降變形控制部位位于坡肩處,等值線分布形態(tài)由坡表向縱深由疏變密。

圖10 Z 方向位移云圖Fig.10 Z direction displacement nephogram

綜上分析,邊坡坡頂和坡體中下部所產(chǎn)生的位移和應(yīng)力變化較大,屬于變形和力學(xué)變化敏感區(qū)域。在進(jìn)行邊坡監(jiān)測方案設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分考慮該規(guī)律,加強(qiáng)對(duì)此區(qū)域的監(jiān)測。

3 邊坡監(jiān)測

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果,結(jié)合2#排土場邊坡體特征,采用GNSS 地表位移監(jiān)測站組建監(jiān)測網(wǎng),對(duì)邊坡不同變形階段的三維位移進(jìn)行監(jiān)測,并實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測。

監(jiān)測測點(diǎn)布設(shè)原則:① GNSS 地表位移監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在影響區(qū)域內(nèi);② 在地質(zhì)、地貌特征位置處,應(yīng)布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)位;③ 監(jiān)測點(diǎn)位應(yīng)布設(shè)在變形特征位置上。

基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)原則:① 基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)設(shè)在監(jiān)測區(qū)變形影響范圍以外,通視條件良好并便于保存的穩(wěn)定位置;② 在礦權(quán)邊界線外地質(zhì)條件穩(wěn)固可靠的地方設(shè)置觀測基準(zhǔn)點(diǎn);③ 監(jiān)測點(diǎn)距離基準(zhǔn)點(diǎn)的直線距離一般不要超過3 km,否則需要增補(bǔ)基準(zhǔn)點(diǎn);④ 同時(shí)應(yīng)兼顧基礎(chǔ)比較穩(wěn)定且方便使用等方面。

3.1 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)布置原則以及研究分析結(jié)果,對(duì)GNSS 地表位移監(jiān)測進(jìn)行綜合設(shè)計(jì),監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)情況如圖11所示。排土場邊坡坡肩位置共布設(shè)6 個(gè)監(jiān)測站,邊坡中下部共布設(shè)4 個(gè)監(jiān)測站,上下2 排監(jiān)測站間隔布置組成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),對(duì)排土場全范圍實(shí)施覆蓋監(jiān)測(監(jiān)測站施工及效果見圖12)。基準(zhǔn)站布置在2#排土場東北方向約2.5 km 處的監(jiān)測房附近,基礎(chǔ)穩(wěn)定,網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)良好。

圖11 GNSS 地表位移監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)圖Fig.11 Layout map of GNSS surface displacement monitoring points

圖12 GNSS 地表位移監(jiān)測站施工及效果Fig.12 Construction and effect diagram of GNSS surface displacement monitoring station

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)GNSS 地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù),擬合位移監(jiān)測曲線(圖13),分析曲線可以看出GNSS-03和GNSS-09監(jiān)測點(diǎn)處位移較大,其次為GNSS-04和GNSS-08監(jiān)測點(diǎn),現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)該區(qū)域地表沉降明顯,地面產(chǎn)生張拉裂縫。其他監(jiān)測區(qū)域位移相對(duì)較小,現(xiàn)場變形不明顯。現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬情況基本一致,驗(yàn)證了數(shù)值模擬的合理性。

4 結(jié) 論

(1)依托南芬露天鐵礦2#排土場邊坡,運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)排土場邊坡進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算和分析,通過分析最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,得出等值線分布狀態(tài)與排土場層狀堆積狀態(tài)基本一致,潛在滑動(dòng)面中下部應(yīng)力變化最快,沿潛在滑動(dòng)面向下主要受剪切破壞,中上部為張拉破壞,演化過程可以準(zhǔn)確描述實(shí)際滑坡的破壞過程。

(2)邊坡總位移較大部位主要位于坡體中下部,水平方向較大位移集中在邊坡中下部,坡肩處在豎直方向沉降量大于中下部,根據(jù)總位移矢量圖推斷出潛在滑動(dòng)面近似“弧形”。同時(shí),分析得出變形敏感區(qū)域位于邊坡坡頂和坡體中下部。

(3)根據(jù)數(shù)值模擬研究結(jié)果,對(duì)2#排土場邊坡監(jiān)測方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),監(jiān)測效果良好。