刚果(金)SICOMINES铜钴矿矿区边坡敏感性分析

杨春发,周文斌

(1.华北有色工程勘察院有限公司,河北石家庄050021;2.四川省蜀通岩土工程公司,四川成都610081)

露采矿山边坡角设计及滑坡治理工程中,分析边坡影响因子的变化与边坡安全系数的相关性,即敏感性分析,不但可以找出边坡失稳的主导因素,而且对边坡失稳灾害的防治及矿区坡角优化设计都具有重要意义。

刚果金SICOMINES铜钴矿位于刚果金Kolwezi西南约7 km处,拟露天开采。该矿区与其它矿区相比较,具有以下特点:①矿区面积大,最终采场边界线9 970 m,采坑面积5.26 km2,开采深,深度可达400 m以上,形成深凹高边坡;②矿区地质构造非常复杂,背斜、向斜、断层构造发育;③地层岩性差异大,水平方向、垂直向上软硬相间,完整程度变化大,无明显规律,300 m深度下常见土柱状,散体结构、碎裂结构岩体;④矿区地表和深部岩土体风化强烈,1、2、3级结构面不明显,4、5级结构面非常发育。

以上特点决定了矿区岩土体参数空间离散性大,难以准确获取,进行坡角设计和滑坡治理时,需要对参数进行敏感性分析。下面以代表矿区第6边坡区的2-2'剖面为例,考虑岩土体重度、粘聚力、内摩擦角、地下水和坡角等敏感因子,分别进行敏感性分析,以获得矿区边坡最合理边坡角,以及滑坡治理的主要对象。

1 敏感性分析

敏感性分析最早出现在投资项目的经济评价中,常作为一种研究不确定性因子的方法。20世纪90年代,才逐渐应用于边坡工程,大多采用单因子敏感性分析法。敏感性分析是在确定性分析的基础上,进一步分析不确定性因素对边坡安全系数的影响及影响程度,其实质是通过逐一改变相关变量数值的方法来解释关键指标受这些因素变动影响大小的规律。敏感性因素一般可选择主要参数(如岩土体重度、粘聚力、内摩擦角、地下水、坡高、坡角、震动等)进行分析。若某参数的小幅度变化能导致安全系数指标的较大变化,则称此参数为敏感性因素,反之则称其为非敏感性因素[1]。

假定边坡安全系数Fs为各影响因素的函数,即

则安全系数对第 i个影响因素的变化率可表示为

第i个影响因素的敏感度Si可表示为

ΔFs表示安全系数差值,Δxi表示第i个影响因素的差值。

η与Si是有区别的。η是安全系数变化量与因子变化量之比,是有量纲的。只能在同一因子间比较大小,不同因子的安全系数变化率不能比较大小。该指标有正负号,正号表示安全系数随着因子增大而增大,负号表示安全系数随着因子增大而减小。敏感度Si是安全系数变化率与因子变化率之比的绝对值,无量纲。不同因子的敏感度可以比较大小,能反映不同因子引起安全系数的变化幅度。因此,通过某一因子的安全系数变化率,可以反映安全系数变化趋势;通过因子的敏感度,可以找出最敏感因子,即敏感因素[1～3]。

许文年为了研究边坡影响因素对安全系数的敏感性大小,分别将安全系数推导式(1)中Fs对γ、c、φ求偏导数,即,比较不同 γ、c、φ值下各偏导数的值(γ、c、φ分别表示岩土体重度、粘聚力、内摩擦角),以此确定出各因子的敏感度大小,判定各影响因素对滑坡的不同影响程度,从而可确定边坡优化设计及滑坡治理的主要目标[4]。

敏感性分析具体计算可按以下步骤进行[5,6]:①按现场原位测试或室内土工试验结果选取一组基准土工参数,计算出该基准条件下的边坡安全系数,然后将其中的一个影响因素在基准值附近变化,同时保持其它因素水平不变,计算出该因素不同取值条件下相对应的安全系数值。②按上述方法,分别计算出其它影响因素变化时所对应的安全系数值。③根据式(3)求解各因素的敏感度Si,分析对比各Si的大小,得出各影响因素对边坡稳定的影响程度大小,从而得到影响边坡稳定的主要因素和次要因素。

2 工程实例

刚果金SICOMINES铜钴矿区位于KOLWEZI市西南约7 km处,地势起伏较小,为低缓丘陵地貌。矿体埋藏深,平均在地表下380 m左右,缓倾状,倾向西北,拟采用露天开采方式,势必形成矿区高边坡。其中2-2'剖面边坡,坡高405 m,坡顶标高1 425 m,坡底标高1 005 m,上部90 m,原设计坡角39°,岩土体受矿区断层及Mashamba向斜等地质构造作用,岩体破碎,呈散体结构、碎裂结构,γ为19.4 kN/m3,c 为 36 kPa,φ为 24°;下部坡高 315 m,原设计坡角28°,岩体相对完整,呈层状结构、次块状结构 ,γ为24.8 kN/m3,c 为 500 kPa,φ为 35°[7]。考虑该边坡岩土体混合,既有上部较厚的土质边坡,又有下部的岩质边坡。整体坡结构面极其发育,边坡破坏模式为折面状,破坏机理为滑移—拉裂或蠕滑—剪断—拉裂型。因此,采用Sarma法分析边坡稳定性,得到该剖面边坡稳定性分析图(见图1)。

图1 2-2'原设计边坡稳定性分析图(Fs=1.443)

2.1 岩土体重度敏感性分析

从图2可以看出,边坡安全系数随着岩土体重度的增大逐渐减小。安全系数对土体和岩体重度较敏感,Fs-γ关系曲线为陡倾直线。其中土体安全系数变化率为-0.0058 kN/m3,敏感度S平均值为0.102;岩体安全系数变化率为-0.0044 kN/m3,敏感度S为0.084。

图2 岩土体重度敏感性分析

2.2 岩土体粘聚力敏感性分析

从图3、图4可以看出,边坡安全系数随着岩土体粘聚力增大而增大。安全系数对土体粘聚力不敏感,Fs-c关系曲线为对数直线,变化率为0.0002/kPa,敏感度S为0.009;安全系数对岩体粘聚力较敏感,Fs-c关系曲线为直线,安全系数对粘聚力的变化率为0.0003/kPa,敏感度S为0.118。

图3 土体c值敏感性分析

图4 岩体c值敏感性分析

2.3 岩土体内摩擦角敏感性分析

从图5可以看出,边坡安全系数随着岩土体内摩擦角的增大而逐渐增大。安全系数对土体内摩擦角不敏感,Fs-φ关系曲线为直线,近似水平,变化率为0.0001/度,敏感度S值为0.004;安全系数对岩体内摩擦角非常敏感,Fs-φ关系曲线为直线,变化率为0.0109/度,敏感度 S为0.237。

图5 岩土体内摩擦角敏感性分析

2.4 地下水敏感性分析

计算中采用2-2'剖面上部边界水头1 300 m,坑底水头1 003 m,通过渗流分析算出的浸润线为基准线,上下平移,分别计算安全系数。从图6可以看出,安全系数对地下水较敏感,随着地下水位降低而增大,Fs-φ关系曲线为陡倾直线,变化率为0.0016/m,敏感度 S为0.132。

图6 地下水敏感性分析

2.5 敏感性综合分析

由上面计算分析,可得表1、表2。

表1 边坡安全系数变化率

表2 边坡影响因子敏感度统计表

(1)岩土体重度的增大将使边坡安全系数减小,降低边坡稳定程度;而岩土体粘聚力和内摩擦角的增大能提高边坡安全系数,增加边坡稳定性。

(2)各因子对土坡和岩质边坡安全系数变化率的影响差异大。在影响安全系数变化率的因子中,土体重度大于岩体重度,土体粘聚力小于岩体粘聚力,而岩体内摩擦角远大于土体内摩擦角。

(3)地下水位升高将大大降低边坡稳定性,安全系数对地下水位较敏感,敏感度介于岩体内摩擦角与土体重度敏感度之间。由于计算中采用单因子敏感性分析,没考虑地下水位变化,引起其它因子发生变化,以及地下水渗流作用对边坡的破坏。考虑这些影响,实际地下水敏感度比此次计算的敏感度要大得多。

(4)总体来说,土质边坡稳定性对土体重度反应最敏感,粘聚力次之,内摩擦角最小;岩质边坡稳定性对内摩擦角最敏感,粘聚力次之,重度最小。

3 边坡角优化

通过敏感性分析法研究坡角因子对边坡安全系数的影响,对矿区原设计边坡角进行了合理优化。通过计算,对具有加陡坡角潜力的边坡,给出安全系数限值为1.250,边坡所能达到的最大坡角。分析结果见表3。

表3 2-2'坡角敏感性计算

从表3可以看出,上部边坡原设计坡角为39°,经坡角优化,可提高4°;下部边坡原设计坡角为28°,经坡角优化,可提高14°。与原设计相比,该剖面所代表的边坡区可减少剥岩量约2.20×106t,按现在的剥岩成本计算,预计节省剥岩费用约5.28×107元,经济效益十分显著。

4 结 论

(1)介绍了刚果(金)矿区特点。重点论述了敏感性分析的基本概念、分析原理和求解步骤,并以矿区具体实例加以说明。

(2)采用坡角敏感性分析,进行坡角优化,为矿区提供最合理边坡角。就2-2'剖面而言,原设计边坡均处于稳定状态,进行坡角挖潜,上部可加陡4°,下部可加陡14°,降低了剥离量,大大提高了工程经济效益。

(3)通过岩土体重度、粘聚力、内摩擦角敏感因子分析,土坡重度最敏感,岩质边坡内摩擦角最敏感。因此,进行滑坡治理时,对于土质边坡,应重点考虑土体重度影响,通过削方减载有效提高边坡稳定性;下部岩质边坡,应重点考虑岩体内摩擦角对边坡安全系数的影响,可采用锚固支护,开挖后要及时支护,同时做好爆破减震措施,减少对岩体扰动,保证坡体内摩擦角不发生较大变化。

[1] 谭晓慧.平面滑动边坡的可靠度计算及敏感性分析[J].安徽地质,2001,11(1):49-53.

[2] 张旭辉,龚晓南,徐日庆.边坡稳定影响因素敏感性的正交法计算分析[J].中国公路学报,2003,16(1):36-38.

[3] 陈志波.边坡稳定性因子分析及其位移预测[D].福州:福州大学,2005.

[4] 胡海浪,黄秋枫,李建林,等.岩质边坡稳定性影响因素敏感性分析[J].西北水电,2008,(5):7-10.

[5] 谢全敏,李道明,夏全友.顺层滑移型岩质边坡稳定性影响因素敏感性分析[J].华东公路,2006,(5):95-96.

[6] 张少宏.黄土边坡稳定计算中参数的敏感性分析[J].水利与建筑工程学报,2003,1(3):40-42.

[7] 杨春发.刚果金SICOMINES铜钴矿矿区工程地质报告[R].石家庄.华北有色工程勘察院有限公司,2010.