露天邊幫廢石護(hù)坡穩(wěn)定性分析

汪浩浩，謝盛青，張少杰

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

0 引 言

礦山邊坡的穩(wěn)定性直接影響著礦山安全生產(chǎn)，因此其穩(wěn)定性分析至關(guān)重要。潘祖瑛、李二寶使用GEO-SLOPE軟件對(duì)某露天邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，用于指導(dǎo)礦山邊坡維護(hù)工作。郄永波、甘海闊基于非飽和滲流有限單元法，對(duì)超高單臺(tái)階排土邊坡隨著降雨歷時(shí)的滲流場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行研究，并基于瞬態(tài)滲流場(chǎng)對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性變化規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果表明降雨對(duì)內(nèi)部土體的影響較小且與堆積厚度有關(guān)。文章在前人研究的基礎(chǔ)上，以某露天礦山為例，采用GEO-SLOPE進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并提出了安全措施，為同類工程提供了參考。

1 工程概況

某銅鐵礦始建于1965年，采用露天地下聯(lián)合開采，2015年露天采坑閉坑，坑底標(biāo)高為-111 m，閉坑后礦山全面轉(zhuǎn)入地下生產(chǎn)。露天采坑閉坑時(shí)由于工農(nóng)關(guān)系影響，導(dǎo)致西幫-85 m附近殘留少量高品位掛幫礦未及時(shí)進(jìn)行回采，并因此引起附近居民盜竊礦石行為，并在西幫內(nèi)形成復(fù)雜及無法查明的民采巷道和空區(qū)，且該巷道與井下生產(chǎn)系統(tǒng)相連通?；谝陨显颍V山?jīng)Q定采用全尾砂膠結(jié)充填治理露天坑，隨著充填的進(jìn)行，坑底標(biāo)高的抬高，坑內(nèi)匯水水位也相應(yīng)的提高，為了避免坑內(nèi)匯水通過西幫民采坑道灌入井下，影響井下防汛安全，擬采用基建廢石在西幫邊坡上，形成一定厚度的廢石護(hù)坡層，作為洪水緩沖層。

2 厚度方案確定

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算中采用GEO-SLOPE軟件中的SLOPE/W模塊，SLOPE/W已經(jīng)成為巖土工程界應(yīng)用最為廣泛的專業(yè)邊坡問題分析軟件。它囊括了多種計(jì)算方法(Morgenstern-Price，GLE，Spencer，Bishop，Ordinary，Janbu，Sarma，Corps of Engineering，Lowe-Karafiath)，對(duì)滑移面形狀改變、孔隙水壓力狀況、土體性質(zhì)和不同的加載方式等巖土工程問題進(jìn)行分析。獨(dú)特的有限元法結(jié)合極限平衡理論對(duì)邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行有效地計(jì)算和分析，也可以用參數(shù)進(jìn)行隨機(jī)穩(wěn)定性分析。SLOPE/W軟件可以分析用戶在巖土工程、采礦工程和土木工程遇到的幾乎所有的邊坡問題。

西幫邊坡分3期進(jìn)行廢石護(hù)坡，每一期的護(hù)坡高度為20 m，該次計(jì)算針對(duì)護(hù)坡厚度為8 m、10 m、12 m和14 m的4種情況，分別建立了二維計(jì)算模型，見圖1。

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)巖塊力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)考慮巖塊的尺寸效應(yīng)和圍巖所處環(huán)境等多方面的影響，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)折減。計(jì)算采用的主要巖體力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 主要巖體力學(xué)參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 護(hù)坡厚度為8 m時(shí)西幫邊坡的穩(wěn)定性

護(hù)坡厚度為8 m時(shí)自重工況下西幫邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見圖2。護(hù)坡厚度為8 m時(shí)自重工況下西幫邊坡的最小安全系數(shù)為1.408，坡頂滑移面寬度為2.32 m。

2.3.2護(hù)坡厚度為10 m時(shí)西幫邊坡的穩(wěn)定性

護(hù)坡厚度為10 m時(shí)自重工況下西幫邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見圖3。護(hù)坡厚度為10 m時(shí)自重工況下西幫邊坡的最小安全系數(shù)為1.405，坡頂滑移面寬度為2.34 m。

2.3.3 護(hù)坡厚度為12 m時(shí)西幫邊坡的穩(wěn)定性

護(hù)坡厚度為12 m時(shí)自重工況下西幫邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見圖4。護(hù)坡厚度為12 m時(shí)自重工況下西幫邊坡的最小安全系數(shù)為1.409，坡頂滑移面寬度為2.05 m。

2.3.4 護(hù)坡厚度為14 m時(shí)西幫邊坡的穩(wěn)定性

護(hù)坡厚度為14 m時(shí)自重工況下西幫邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見圖5。護(hù)坡厚度為14 m時(shí)自重工況下西幫邊坡的最小安全系數(shù)為1.410，坡頂滑移面寬度為2.14 m。不同護(hù)坡厚度時(shí)西幫邊坡的安全系數(shù)和坡頂滑移面寬度見表2。

表2 不同護(hù)坡厚度時(shí)西幫邊坡的安全系數(shù)和坡頂滑移面寬度

《有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50421—2018)第7.4.2規(guī)定：“自然工況條件下，四級(jí)排土場(chǎng)計(jì)算安全系數(shù)不應(yīng)小于1.15?！?/p>

從表2可見，廢石護(hù)坡厚度為10 m時(shí)，雖然其安全系數(shù)最小，但其坡頂滑移面寬度最大；廢石護(hù)坡厚度為12 m時(shí)，坡頂滑移面寬度最小。在滿足坡頂上車寬度要求的前提下，本著既能保證邊坡穩(wěn)定性，又不增加工程量的原則，綜合考慮認(rèn)為，廢石護(hù)坡厚度宜選取12 m。

2.3.5 護(hù)坡厚度為12 m時(shí)自重+暴雨工況下西幫邊坡的穩(wěn)定性

《有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50421—2018)第7.4.3規(guī)定：“排土場(chǎng)整體安全穩(wěn)定性應(yīng)校核降雨工況。降雨工況下，四級(jí)排土場(chǎng)計(jì)算安全系數(shù)≥1.10?！?/p>

護(hù)坡厚度為12 m時(shí)自重+暴雨工況下西幫邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見圖6。護(hù)坡厚度為12 m時(shí)自重+暴雨工況下西幫邊坡的最小安全系數(shù)為1.120，坡頂滑移面度為3.25 m。

降雨的考慮僅僅是從孔隙水壓力的角度來折算邊坡系數(shù)，然而現(xiàn)實(shí)中，水除以孔隙壓力的形式表現(xiàn)外，還會(huì)大大削減巖體強(qiáng)度如粘聚力，內(nèi)摩擦角等，故在此必須指出強(qiáng)降雨實(shí)際情況會(huì)更加復(fù)雜，真正強(qiáng)降雨過程中邊坡安全系數(shù)要比極限平衡分析得出的邊坡安全系數(shù)要小，應(yīng)注意加強(qiáng)相應(yīng)的安全防護(hù)措施。

3 施工方案確定

露天坑西幫邊坡護(hù)坡標(biāo)高為-111～-40 m，采用井下基建廢石進(jìn)行護(hù)坡。護(hù)坡方案①：護(hù)坡工程分為3期進(jìn)行，第一期護(hù)坡標(biāo)高為-111～-81 m，第二期護(hù)坡標(biāo)高為-81～-60 m，第三期護(hù)坡標(biāo)高為-60～-40 m。每一期護(hù)坡工程完成后，先對(duì)坑內(nèi)空區(qū)采用高濃度充填料漿進(jìn)行充填，再進(jìn)行下一期的護(hù)坡工程，護(hù)坡工程和充填工程交替依次進(jìn)行；護(hù)坡方案②：護(hù)坡工程不再分期，護(hù)坡廢石在-40 m平臺(tái)傾倒在西幫邊坡上，形成護(hù)坡層，護(hù)坡層厚度12 m。采用Geo-slope軟件中的SLOPE/W模塊，建立的二維計(jì)算模型見圖7。不同時(shí)期露天坑西幫護(hù)坡廢石堆積體的安全系數(shù)和坡頂滑移面寬度，見表3。

表3 不同時(shí)期西幫護(hù)坡廢石堆積體的安全系數(shù)和坡頂滑移面寬度

從表3中可見，護(hù)坡施工方案①的一期工程在自重工況下護(hù)坡廢石堆積體的安全系數(shù)較小，坡頂滑移面寬度較大，原因主要在于一期工程的護(hù)坡高度大于二期工程和三期工程的護(hù)坡高度。

護(hù)坡施工方案②自重工況下露天坑西幫護(hù)坡廢石堆積體的最小安全系數(shù)為1.170，坡頂滑移面寬度為3.17 m。

對(duì)護(hù)坡方案①和護(hù)坡方案②的計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，護(hù)坡方案① 3個(gè)時(shí)期自重工況下的護(hù)坡廢石堆積體最小安全系數(shù)均>1.3，而護(hù)坡方案②自重工況下的護(hù)坡廢石堆積體最小安全系數(shù)僅為1.170；護(hù)坡方案① 3個(gè)時(shí)期自重工況下的坡頂滑移面寬度也均小于護(hù)坡方案②。另外，護(hù)坡方案①每一期護(hù)坡后，對(duì)露天坑空區(qū)緊接著進(jìn)行充填處理，也有利于露天坑西幫邊坡的穩(wěn)定。因此，護(hù)坡方案①優(yōu)于護(hù)坡方案②。

4 結(jié) 語

(1)露天坑西幫邊坡廢石護(hù)坡厚度分別為8 m、10 m、12 m和14 m時(shí)，在自重工況下的安全系數(shù)依次為1.408、1.405、1.409和1.410，坡頂滑移面寬度依次為2.32 m、2.34 m、2.05 m和2.14 m。廢石護(hù)坡厚度為10 m時(shí)，雖然其安全系數(shù)最小，但其坡頂滑移面寬度最大；廢石護(hù)坡厚度為12 m時(shí)，坡頂滑移面寬度最小。在滿足坡頂上車寬度要求的前提下，本著既能保證邊坡穩(wěn)定性，又不增加工程量的原則，綜合考慮認(rèn)為，廢石護(hù)坡厚度宜選取12 m。

(2)露天坑西幫邊坡廢石護(hù)坡厚度為12 m時(shí)，在自重+暴雨工況下的最小安全系數(shù)為1.120，坡頂滑移面寬度為3.25 m。該工況下西幫邊坡的最小安全系數(shù)接近1.10，雨季應(yīng)加強(qiáng)管理，及時(shí)對(duì)露天坑進(jìn)行充填。

(3)通過對(duì)露天坑西幫廢石護(hù)坡2種施工方案的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，分期護(hù)坡優(yōu)于一次護(hù)坡。

(4)為了進(jìn)一步確保露天坑西幫邊坡的安全性，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)加強(qiáng)相應(yīng)的安全防護(hù)措施，包括設(shè)置可靠的截流、防洪、排水措施；設(shè)置路堤或干砌攔石堤等和監(jiān)測(cè)技術(shù)手段。