GNSS技術(shù)在露天礦山順層邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

胡世士,肖云華,文韜,魏紅年,李偉

(1.葛洲壩興山水泥有限公司, 湖北 宜昌市 443701;2.北京洛斯達科技發(fā)展有限公司湖北分公司, 湖北 武漢 430074;3.武漢理正工程科技有限公司, 湖北 武漢 430070)

0 引言

順層巖質(zhì)邊坡的巖層和節(jié)理相對復(fù)雜,由于滑面一般位于坡體內(nèi)的軟弱結(jié)構(gòu)面處,軟弱結(jié)構(gòu)面本身力學(xué)性能較差,在降水以及爆破擾動的雙重影響下,軟弱結(jié)構(gòu)面強度降低、抗滑力減弱,使得邊坡內(nèi)的巖體沿某一軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移[1],導(dǎo)致坡體變形破壞,發(fā)生滑坡事故。據(jù)不完全統(tǒng)計,露天礦滑坡事故中,受順層巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)影響的滑坡約占滑坡總數(shù)的60%以上。這些持續(xù)發(fā)生的順層巖質(zhì)邊坡滑坡事故,不僅嚴重威脅礦山企業(yè)的正常運營,也對從業(yè)人員的生命安全構(gòu)成了重大威脅。為確保邊坡安全,除完善邊坡支護以外,對邊坡工程的穩(wěn)定性及安全狀態(tài)進行監(jiān)測、評價也十分重要[2]。為此,國內(nèi)外學(xué)者研究了一系列可應(yīng)用于邊坡安全監(jiān)測的技術(shù),見表1[3- 4]。

表1 邊坡變形監(jiān)測技術(shù)

王立文等[5]對真實孔徑雷達和合成孔徑雷達的技術(shù)原理、參數(shù)進行分析,研究表明,真實孔徑雷達適用于大傾角的邊坡,合成孔徑雷達適用于弧度小的低邊坡。于淼等[6]根據(jù)MSR地基邊坡雷達特性,根據(jù)實例探究了其在邊坡監(jiān)測中的適用性,發(fā)現(xiàn)其毫秒級變形監(jiān)測精度可以為邊坡安全評價提供有效數(shù)據(jù)支撐。譚捍華等[7]對比了TDR(Ti me Domain Reflectometry)技術(shù)和傳統(tǒng)測斜技術(shù)在不同環(huán)境下監(jiān)測剪切變形的效果,結(jié)果表明,TDR技術(shù)具備快捷、安全、準確的優(yōu)點,適用于邊坡變形監(jiān)測。張金鐘等[8]采用自動式全站儀,通過合理布設(shè)監(jiān)測點位,設(shè)置監(jiān)測指標安全閾值,實現(xiàn)了露天礦邊坡的安全監(jiān)測。

與其他位移監(jiān)測技術(shù)相比,GNSS(Global Navigation Satellite System)技術(shù)具有定位精度高、全天候?qū)崟r作業(yè)、監(jiān)測用時短、數(shù)據(jù)解算速度快、抗干擾能力強、各個基站之間不需要通視等顯著優(yōu)點[9-10]。因此,本文采用GNSS監(jiān)測技術(shù),以塘埡石灰石礦邊坡工程為實例,綜合分析現(xiàn)場破壞現(xiàn)象及變形監(jiān)測數(shù)據(jù),對該礦山邊坡的安全狀態(tài)及穩(wěn)定性進行評價。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

塘埡石灰石礦設(shè)計年產(chǎn)石灰?guī)r108萬t,可采礦量為1300萬t。該礦山地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,存在順層邊坡、斷層、巖溶、軟弱夾層以及層間錯動帶等不利因素,影響邊坡穩(wěn)定性,并由于支護工作不到位及爆破擾動,邊坡曾出現(xiàn)多處塊體坍塌、變形、平臺局部下沉和塊石崩落的現(xiàn)象,給礦山生產(chǎn)和終了邊坡的穩(wěn)定帶來重大安全隱患。

1.2 工程地質(zhì)評價

由于邊坡規(guī)模較大,地質(zhì)條件不均一,對礦區(qū)邊坡進行了分段調(diào)查,根據(jù)邊坡穩(wěn)定性影響因素的不同將邊坡劃分為8段,各區(qū)平面位置和規(guī)模如圖1所示。

圖1 塘埡礦邊坡各區(qū)域位置示意

第1段位于邊坡最南部,邊坡高程從1062 m至1132 m,區(qū)段長度約為58 m,傾向333°,平均坡度為67°,發(fā)育3條斷層,主要為西南走向;巖體完整性較好,無明顯不良地質(zhì)現(xiàn)象,該段邊坡為基本穩(wěn)定邊坡。

第2段位于邊坡南部,邊坡高程從1062 m至1132 m,區(qū)段長度約為48.6 m,傾向289°,平均坡度為65°,發(fā)育多條斷層,主要為西北走向;該段有大量爆破堆積體,同時存在大面積巖溶和危巖,巖體切割強烈,該段邊坡為欠穩(wěn)定邊坡。

第3段位于邊坡坍塌體南邊1/3處,邊坡高程從1062 m至1132 m,區(qū)段長度約為46 m,傾向289°,平均坡度為64°,發(fā)育兩條斷層,主要為西北走向;巖體較破碎,被多組裂隙切割,巖溶較發(fā)育,該段邊坡為不穩(wěn)定邊坡。

第4段位于邊坡坍塌處,邊坡高程從1062 m至1132 m,區(qū)段長度約為35.9 m,傾向293°,平均坡度為66°,發(fā)育兩條斷層,主要為西北走向;巖體較完整,該段邊坡為欠穩(wěn)定—基本穩(wěn)定邊坡。

第5段位于邊坡中部沖溝段,邊坡高程從1062 m至1132 m,區(qū)段長度約為77.8 m,傾向267°,平均坡度70°,發(fā)育多條斷層,主要為西北走向;巖體很破碎,被多組裂隙切割,邊溝的存在導(dǎo)致該段巖溶很發(fā)育,該段邊坡為不穩(wěn)定邊坡。

第6段位于邊坡北部爆破堆積體對應(yīng)區(qū)域,邊坡高程從1062 m至1132 m,區(qū)段長度約為83.6 m,傾向265°,平均坡度為66°,發(fā)育多條斷層,主要為西北走向和西南走向;巖體雖較完整,裂隙不發(fā)育,但巖溶較發(fā)育,尤其在該段南部1132平臺以上存在大面積巖溶區(qū),該段邊坡為欠穩(wěn)定邊坡。

第7段位于邊坡北部崩塌體和爆破堆積體之間,邊坡高程從1076 m至1132 m,區(qū)段長度約為58.7 m,傾向268°,平均坡度為65°,發(fā)育多條斷層,巖體較破碎,被多組裂隙切割,貫穿裂隙較多,同時該段南部存在一較大危巖體,巖溶不發(fā)育,該段邊坡為欠穩(wěn)定-基本穩(wěn)定邊坡。

第8段位于邊坡最北部,邊坡高程從1076 m至1132 m,區(qū)段長度約為67.8 m,傾向252°,平均坡度為67°,發(fā)育多條斷層;巖體較松散破碎,被多組裂隙切割,貫穿裂隙較多,同時該段北部存在一較大危巖體被兩組斷層切割,對安全性影響較大,巖溶較發(fā)育,該段邊坡為不穩(wěn)定邊坡。

2 GNSS監(jiān)測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

在塘埡礦以往的開采作業(yè)中,局部邊坡由于邊坡角較大、工程地質(zhì)條件較復(fù)雜,加上受到爆破擾動的影響,發(fā)生垮塌事故,造成大量碎石堆積,部分平臺尚有危巖存在;同時中部邊坡后緣已經(jīng)完全開裂,可能發(fā)生大規(guī)模下滑。為解決邊坡失穩(wěn)問題,礦山開展一系列邊坡治理工作,在此基礎(chǔ)上,采用GNSS在線監(jiān)測技術(shù)對2～8段邊坡進行表面位移監(jiān)測,以保障邊坡安全。

根據(jù)整體穩(wěn)定性監(jiān)測為主、局部穩(wěn)定性監(jiān)測為輔、突出監(jiān)測重點部位的原則,現(xiàn)場共布設(shè)21個監(jiān)測點,各監(jiān)測點的平面位置分布如圖2所示,其中WY06監(jiān)測點為基站點,設(shè)置于非變形區(qū)。監(jiān)測點區(qū)域的劃分見表2。

圖2 塘埡礦山監(jiān)測點位布置

表2 監(jiān)測點區(qū)域劃分

對塘埡礦2021年10月至2022年3月共計6個月的邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,繪制出圖3至圖9所示的邊坡位移、沉降曲線。

由圖3至圖8可知,塘埡礦第2段、3段、4段、6段、7段邊坡的水平位移曲線在-4～＋4 mm區(qū)間波動,數(shù)據(jù)主要位于-2 mm～＋2 mm之間,沉降位移波動區(qū)間為-6 mm～＋8 mm。區(qū)域內(nèi)相鄰點位的數(shù)據(jù)重復(fù)率較高,說明同區(qū)域內(nèi)不同位置的位移變化相對較小。第2段、3段、6段是工程地質(zhì)評價中巖體較破碎、巖溶較發(fā)育的欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定邊坡,監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,這些區(qū)域水平位移和沉降位移數(shù)據(jù)波動較小,均在安全范圍之內(nèi),可見這些區(qū)域的邊坡治理工作取得了良好效果,邊坡整體穩(wěn)定性較好。另外,觀察所有監(jiān)測點位的沉降位移可知,曲線于11月至2月份波動較為明顯,原因為冬季氣溫驟降,引起土發(fā)生了凍脹,導(dǎo)致11月至2月份沉降數(shù)據(jù)變化趨勢較大,隨著3月份氣溫逐漸穩(wěn)定,沉降數(shù)據(jù)變化趨勢減緩。

圖3 第2段邊坡水平及沉降位移曲線

圖4 第3段邊坡水平及沉降位移曲線

圖5 第4段邊坡水平及沉降位移曲線

圖8 第7段邊坡水平及沉降位移曲線

圖7 第6段邊坡水平及沉降位移曲線

由圖6可知,第5段邊坡的水平位移在-6～＋6 mm區(qū)間波動,高于其他段邊坡,沉降位移的波動范圍為-8～＋18 mm,可見引起該邊坡位移的主要因素是沉降作用。考慮到第5段邊坡為巖體破碎、巖溶發(fā)育的不穩(wěn)定邊坡,且沉降位移較大,建議將第5段邊坡列為重點監(jiān)測對象,以確保該區(qū)域的穩(wěn)定與安全。

圖6 第5段邊坡水平及沉降位移曲線

由圖9可知,第8段邊坡的水平位移在-6～＋5 mm區(qū)間波動,沉降位移波動區(qū)間為-16～＋10 mm。第8段邊坡相鄰點位的數(shù)據(jù)重復(fù)率較低,說明該區(qū)域不同點位之間的位移變化較大,考慮到該區(qū)域巖體破碎,發(fā)育多組斷層、裂隙和巖溶,且監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,該區(qū)域邊坡變形較大,建議加大對該區(qū)域的觀察力度,以確保邊坡安全穩(wěn)定。

圖9 第8段邊坡水平及沉降位移曲線

3 結(jié)論

(1)第5段、8段邊坡受較發(fā)育的節(jié)理裂隙、巖溶和斷層影響,較其余段邊坡更容易發(fā)生變形。塘埡礦各段邊坡的沉降位移均大于水平位移,說明造成邊坡變形的主要原因為沉降作用。

(2)11月至2月之間,氣溫驟降,邊坡巖土體受到凍脹作用,各段邊坡的水平位移和沉降位移變化均較大,第5段邊坡由于巖體破碎、土質(zhì)松散,受凍脹作用的影響更為顯著。

(3)塘埡礦第2段、3段、4段、6段、7段邊坡水平及沉降位移波動小,且區(qū)域內(nèi)相鄰點位的數(shù)據(jù)重復(fù)率高,同區(qū)域內(nèi)不同點位之間的位移變化較小,說明這些監(jiān)測區(qū)域內(nèi)邊坡的整體穩(wěn)定性較好。第5段、8段邊坡的地質(zhì)條件復(fù)雜,且沉降位移較大,建議加大對這兩個區(qū)域的監(jiān)測力度。