蒙庫鐵礦南幫滑坡災害治理技術研究

候雅東，王 鋒，陳孝聰，唐龍元，呂新偉

(中國冶金地質總局 新疆地質勘查院，新疆 烏魯木齊 830000)

人類的生產活動如礦山開挖、筑路、建壩等加劇滑坡的發生。經過一個多世紀的努力，人們已逐漸摸清了滑坡的規律，了解了邊坡破壞機理并建立了一整套邊坡穩定性分析方法。露天采礦產生的高陡邊坡規模是其它工程領域內所罕見的。由于露天采礦場地無選擇性，特別是在礦產資源日益減少的今日，露天礦邊坡地質條件往往十分惡劣，國內外露天礦邊坡破壞屢見不鮮。眾所周知，采礦生產以經濟效益為中心，以少剝巖多采礦為宗旨，和其它領域工程相比較，露天礦邊坡又是服務年限較短的邊坡，各種因素制約著采場邊坡的穩定性。所有這些要求對露天采場邊坡的工程地質、水文地質條件、巖體力學強度的充分掌握，對邊坡穩定性分析方法要特別考究，盡量排除非精確因素。因此，礦山邊坡工程所承擔的風險相對很大，必須利用有限的基礎資料，做出對邊坡穩定性最客觀的評價，并且盡量提高邊坡角，為礦山減少成本，增加效益[1-6]。本文以新疆金寶礦業蒙庫鐵礦為例，研究了滑坡災害治理技術，對重點區域不穩定區段做有針對性的邊坡加固治理設計，做到超前性、主動性，預期效果投入小，見效大。

1 邊坡工程地質

1.1 邊坡所在位置

根據以往邊坡穩定性研究成果(表1)，本次滑坡治理區域邊坡位于工程地質分區的Ⅳ區。4區設計最高標高+1 200 m，最低標高+852 m，邊坡最大垂高348 m，設計整體邊坡角為47°～49°。

表1 邊坡穩定性研究計算結果Tab.1 Slope atability study calculation results

本次治理設計區域位于處于南幫上盤199線—207勘探線，寬度為180～200m，標高+984～+1 104 m。巖性主要有斜長角閃片麻巖、黑云母變粒巖、黑云母角閃片巖組成，中風化—微風化，巖層節理面傾角45°～65°，境界設計單臺階坡面角為63°～68°。本區域節理裂隙發育，多與巖層走向平行，或者小角度斜交，節理密度約2條/m2； F3斷層穿過1044平臺靠南幫附近，且此處巖性局部為黑云母角閃片巖，在剝巖過程中，此處形成厚度較薄的結構面，易風化。

1.2 邊坡地質特征

本次治理區域位于露天采場南幫，巖性以角閃斜長片麻巖、變粒巖為主，邊坡總體形狀平順。邊坡地質特征如圖1所示。

圖1 邊坡地質特征Fig.1 Slope geological features

主要巖體結構面力學參數見表2

表2 主要巖體結構面力學參數Tab.2 Mechanical parameters of main rock mass structural plane

2 滑坡區域破壞模式分析

2.1 邊坡破壞模式分析

本區各類節理構造發育，尤其順坡向的節理構造，其特點是以大光面出露在一個或多個臺階、波狀起伏，常引起邊坡滑塌。小規模的可造成單臺階上部邊坡巖體的滑坡，較大規模可造成一至多個臺階的滑坡，甚至形成連坡，這是本區邊坡頻繁發生破壞的主要原因。優勢節理面與邊坡走向小角度斜交，會進一步加劇該類型滑坡的破壞。節理破壞機理及照片如圖2所示。

圖2 節理破壞機理及照片Fig.2 Joint failure mechanism and photos

邊坡巖體中小型的原生裂隙、劈理、片理十分發育，其延長一般為幾厘米至幾米，特點是：①數量特別巨大，邊坡巖體中隨處可見；②在整體上具有產狀的多樣性，在不同的地點，又具有不同方向上優勢的產狀；③將巖體切割成許多菱形的楔體，加大巖體的破碎程度，加快巖體的風化程度，從而降低了該區邊坡巖體的巖石力學強度和抗風化能力，使得邊坡巖體極易遭受破壞。在爆破振動影響下，局部臺階發生崩塌、楔形破壞，破壞高度一般為單臺階，截止目前，多處于淺層破壞。

2.2 潛在危害分析

本次研究設計治理區域邊坡主要位于南幫，根據已有資料、現狀情況等綜合分析判斷，該區邊坡總體穩定性尚好。但由于局部邊坡巖性復雜、斷層、節理、裂隙發育，特別是不利于邊坡穩定的節理構造十分發育，會加重邊坡發生單臺階滑塌、沉降的可能。特別是上部各區域沿設計境界采礦剝離后，單臺階設計角度為65°～70°，現狀邊坡巖體發育一組與邊坡走向近平行、順坡向的大型節理構造，傾角均緩于臺階設計坡面角，節理成組發育，間距小，僅0.5～3.0 m，切割邊坡巖體呈薄層狀，從現場踏勘，該區域節理面均為硬性結構面。滑坡模式表現為平面破壞，局部存在楔形破壞的可能。巖質邊坡裂縫的形成，標志著邊坡進入脆性變形破壞階段。而且由于巖質邊坡從脆性變形到發生滑坡時間非常快。因此，應立即對各個區段滑坡體進行綜合治理，以杜絕安全隱患。從目前來看滑坡體暫時處于平衡狀態，但尚未開展綜合治理，仍潛在二次滑塌的可能性，如果滑坡體得不到治理，勢必會危及下部臺階的安生產全。

3 滑坡區域邊坡穩定性分析

3.1 典型剖面的選取

針對本次滑坡治理區域，南幫199線—207線滑坡體沿走向設置了3條主剖面(圖3)，A-A剖面對應的是東側失穩區域，B-B剖面對應的是南幫西區已滑并段光面區域，C-C剖面對應的是南幫東區滑坡失穩區域，本次研究對該3處剖面均進行了邊坡穩定性計算。

圖3 南幫邊坡典型剖面平面位置Fig.3 Plane position of typical section of southern slope

3.2 穩定性計算及結果

在對3條剖面進行邊坡穩定性計算中，分別考慮以下幾種計算條件：①對主剖面按照采礦設計角進行單臺階邊坡穩定性計算；②對主剖面2類組合臺階2個類型的段高分別進行邊坡穩定性計算及分析其剩余下滑力。計算中分別考慮自重、地下水、地震力、爆破振動力等不同的荷載組合工況。

單臺階平面破壞計算模型和南幫平面破壞計算模型如圖4所示。

圖4 單臺階平面破壞計算模型和南幫平面破壞計算模型Fig.4 Single-step plane failure calculation model and southern slope failure calculation model

破壞模式主要為單滑面破壞，采用極限平衡方法進行穩定性計算[7-9]，計算結果見表3、表4。綜合加固之后，對邊坡也進行了穩定性分析計算，計算結果見表5。

表3 南幫上盤優勢節理面單臺階邊坡穩定性分析結果Tab.3 Analysis results of the stability of single-step slope on the dominant joint face of the Nanbang Shangwan

表4 南幫組合臺階穩定性分析結果Tab.4 Stability analysis results of the southern slope assemblage steps

表5 南幫組合臺階綜合治理后穩定性分析結果Tab.5 Analysis results of stability after comprehensive treatment of southern slope composite steps

(1)針對24 m段高單臺階，按照采礦設計角度進行靠幫并段，當遇到南幫幾組優勢大型節理面時，其安全穩定性系數，在荷載組合Ⅰ及荷載組合Ⅲ均小于1.0，不能滿足規范及安全要求，經分析計算，順層平面滑動面角度多為48°～52°，以50°為主，該結果也同現場實際情況是吻合的。

(2)對于組合臺階來說[10]，計算中考慮2個類型的剖面A-A和B-B，分別代表滑坡體東側失穩區域和中部已滑區域。根據本區域滑坡機理分析以及后續發展研判，后續滑坡基本還是以兩個左右的組合臺階順層滑動為主，48 m段高。經分析計算，A-A剖面邊坡安全穩定性系數較低，達不到規范允許安全系數，繼續發生類似滑動的概率較大，且剩余下滑力較大，需要進行綜合錨固治理。已滑動后的B-B剖面邊坡安全穩定系數處于1.10～1.15，雖達不到規范允許安全系數，但處于基本穩定狀態，受到兩側圍巖體的約束，目前現狀繼續滑動概率不大，但隨著采礦臺階的下降，邊坡高度的增大，且受到多種因素的影響，其穩定性將會進一步下降。

(3)若通盤考慮到南幫上盤中部984～1 104 m區域邊坡可能的組合臺階破壞，計算中考慮2個類型的剖面A-A和B-B，分別代表滑坡體東側區域和中部已滑區域。經分析計算，A-A、B-B剖面順層破壞滑動面角度46°～47°，邊坡安全穩定性系數大于1.04，但達不到規范允許安全系數。在后續設計方案中考慮到對該南幫幾處邊坡進行綜合錨固治理，針對治理后的邊坡也進行了相應的穩定性分析計算，計算結果表明其安全系數可滿足規范要求。

(4)總體來說，以24 m或48 m段高的1個或2個組合臺階順層滑動為主，若不加以及時處理，則可能會造成更多組合臺階(3到4個或以上)的并段。

(5)露天采場邊坡隨著邊坡高度增加，卸荷應力調整、爆破振動、融雪雨水入滲等均對其穩定性有影響，其邊坡穩定狀態是動態的過程，因此后續在治理過程中可根據地質情況和監測數據進行信息化施工和動態設計。

(6)在本區域實施治理過程中，對+984m及+972 m平臺預留處不小于20 m寬度。實施治理完成后，根據治理效果、監測結果、穩定狀況等，建議優化調整+984 m平臺境界寬度。

4 滑坡體加固治理設計

4.1 設計方案的選擇

(1)削坡減載[11-15]。針對本次滑坡區域，根據+1 080～+984 m邊坡治理完成后，整體邊坡的穩定情況，進一步確定是否采取主動加固措施，或者削坡減載以減小下滑力。

(2)回填壓坡腳。臨時施工期，將+1 008 m平臺以下作為壓坡區域。待其余部位加固完成后，可將壓坡區域清除，然后進行相應錨固作業。

(3)疏干排水。主要應當根據邊坡含水體的地質特征、水力性質、滲透性能以及較大的構造位置、優勢不連續面與優勢滲流帶的空間分布來確定疏干排水部位。一般，巖體的滲透系數在10～5 cm/s者，疏干很可能成功，滲透性很差的巖體，難以疏干。總體來說，區內地表水體不發育，大氣降水是礦區地下水的唯一補給來源，礦體大部分位于侵蝕基準面以下，地形有利于自然排水，露天采坑地下水易于疏干。地下水類型主要為基巖風化帶裂隙水，礦床水文地質條件簡單，地下水并非是引起本區域滑坡的主因。因此，不宜將疏干排水作為本滑坡主要的治理措施，但可作為輔助治理措施，在治理區域設置一定數量的排水孔，周邊設置截排水溝等。

(4)擋墻結構。擋墻一般只能加固1個臺階規模的滑體，由于其基腳不能有變位，該區域滑坡體的治理，不宜大規模采用重力式擋墻或類似結構。

(5)抗滑樁結構。抗滑樁在公路系統、鐵路系統、水利系統等滑坡治理工程中較常采用的一種抗滑措施。根據樁徑大小、結構配置等。抗滑樁的實施一般采用人工挖孔和機械鉆孔2個方式。機械鉆孔所需作業場地較大，無論是采用沖擊鉆或者泥漿護壁，都會對現有邊坡或者滑坡體造成較大的擾動。人工挖孔樁，設置深度15 m以上，在礦山靠幫臺階的滑坡治理中存在2個難點：①作業安全，本身處于滑動帶中，再加上井下作業，空間狹小，安全性較低；②需要在孔內鑿巖爆破，增加了對周邊原巖的擾動。根據分析，所以在此次滑坡治理設計中，不建議采用抗滑樁結構。

(6)預應力錨索、錨桿、框架梁結構體系[16-17]。對于一般的靜態高度較低的邊坡(如公路、水利行業的邊坡)加固，單純的預應力錨索加錨墩，這種錨固方式也是比較常見的。錨墩結構簡單，其施工速度快、成本低。該結構主要應用在臨時支護中，以及硬巖邊坡小規模淺層滑坡區域或采用密集錨桿(錨)加固的邊坡中。但是單純的錨索及錨墩加固方式，對于順層的沉積變質巖邊坡在長期爆破震動的影響下，容易出現預應力松弛，由點及面地出現加固失效現象。對于礦山邊坡，與其他行業的邊坡相比，采場內每天都有爆破震動，在動荷載作用下，會逐漸弱化巖體的結構面強度，對節理裂隙有逐漸放大的趨勢，而且隨著采場的下降，爆破震動對上部邊坡的影響會越來越大。對于沉積變質巖的順層邊坡(滑坡)，采用樁(鋼軌樁)錨(錨桿、錨索)梁(橫豎框架梁)結構，使得整個加固區域形成一個有效的整體，可以最大限度地抵消爆破震動對邊坡的影響。特別是對于預應力錨桿(索)加固工程，框架梁將錨桿(索)的張拉力均布在整個加固范圍內，有效地緩解了鉆孔孔口附近的應力集中，減小了空口處位移變形和錨桿(索)預應力損失；采用預應力錨索加固時，框架梁的使用使得錨固段以外的邊坡體處于完全壓縮狀態，增強了滑坡體的完整性。該結構的使用，增強了加固體系的完整性，從而提高了加固體的抗震能力。

4.2 加固治理設計

4.2.1 各邊坡治理方法優缺點

對邊坡治理的各種方法、措施、手段進行了綜合研究，結合礦山的具體實際條件，對以上各治理措施優缺點、適用條件、投資造價等進行綜合分析評判，見表6。

表6 各邊坡治理方法優缺點分析Tab.6 Analysis of advantages and disadvantages of various slope management methods

在現狀邊坡的基礎上，清除坡面上的松散體，實施樁錨梁加固方案，并結合排水孔等綜合治理措施。南幫西區加固治理區域走向長度93～126 m，高程為+1 100～+984 m，總垂直高度約116 m，主要錨固區域垂直高度為96 m。南幫東區加固治理區域走向長度54～84 m，高程為+1 032～+996 m，垂直高度約36 m。

4.2.2 南幫西區滑坡體滑坡體綜合治理

綜合治理思路：①清理散體、危巖體；②長錨桿、預應力長錨索、鋼軌樁、框架梁綜合錨固結構；③破碎區域，噴錨網封閉；④坡體深層排水孔、周邊截排水溝等；對坡面清坡后，對邊坡進行錨固處理，對破碎坡面進行噴錨網處理，主要采用預應力錨索、長錨桿、鋼軌樁、框架梁、噴錨網、排水孔等綜合措施。后續在生產過程中需要加強位移監測、人工觀測等。單臺階加固剖面如圖5所示。南幫加固范圍如圖6所示。

圖5 單臺階加固剖面Fig.5 Single step reinforcement section

圖6 南幫加固范圍示意Fig.6 Scope of reinforcement of the southern slope

目前，+1 100 m斜坡道區域以出現局部開裂沉降現象，可能是受到下部滑坡的牽引作用，但在+1 080 m平臺或坡面暫未發現松動或者剪出口，從滑坡治理角度分析，如若具備條件，則將該變形區域削坡減載對下部滑坡治理非常有利。削坡減載角度控制在50°～60°，平臺寬度10 m。具體實施條件及過程需要結合礦方已有的穿孔設備、炸藥、現狀道路運輸情況等。后續也可根據位移監測情況，結合下部安全生產，預留出+984、+972 m平臺足夠寬度，先期對+984～+1 080 m區域進行綜合錨固，待錨固完成后，再對上部進行削坡減載或綜合錨固。

(1)清坡。對加固治理區域坡面浮石進行清理，然后才能進行噴錨網、腳手架搭設等后續工作。可先對滑坡體東側區域進行清坡處理。

(2)預應力錨索、錨桿、噴錨網。預應力錨索和長錨桿結構如圖7所示，噴錨網結構如圖8所示。

圖7 預應力錨索和長錨桿結構Fig.7 Prestressed anchor cables and long bolt structures

圖8 噴錨網結構Fig.8 Anchor mesh structure

(3)橫、豎梁。框架梁界面尺寸400 mm×400 mm，錨索節點處放大。框架梁結構如圖9所示。

圖9 框架梁結構Fig.9 Frame beam structure

(4)排水系統。滑坡治理區域坡面可根據地下水情況靈活設置適當數量的排水孔，每根排水孔長度15～25 m，選用φ90 mm的PE管，端部鉆眼并包裹土工布，鉆孔孔徑90～110 mm，視現場坡面上出水情況確定孔位。加固治理區域臺階采用噴射素砼封閉，厚度5 cm，坡底處通過機械或人工開挖形成U形溝，素砼封閉形成臺階排水溝，避免雨雪水入滲坡體內。

5 結論

(1)研究區存在各類節理構造發育，尤其順坡向的節理構造，其特點是以大光面出露在1個或多個臺階、波狀起伏，常引起邊坡滑塌。小規模的可造成單臺階上部邊坡巖體的滑坡，較大規模可造成一至多個臺階的滑坡，甚至形成連坡，這是研究邊坡頻繁發生破壞的主要原因。

(2)邊坡巖體中小型的原生裂隙、劈理、片理十分發育，其延長一般為幾厘米至幾米。在爆破振動影響下，局部臺階發生崩塌、楔形破壞，破壞高度一般為單臺階，截止目前，多處于淺層破壞。

(3)本文確定蒙庫鐵礦南幫滑坡災害治理思路為：①清理散體、危巖體；②長錨桿、預應力長錨索、鋼軌樁、框架梁綜合錨固結構；③破碎區域，噴錨網封閉；④坡體深層排水孔、周邊截排水溝等。