断层高陡边坡稳定性分析及加固设计

2014-01-08朱建方

城市道桥与防洪 2014年3期

戴欣，朱建方，任文

（济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，山东济南 250101）

0 前言

随着露天开采深度的增加,露天坑越来越深,开采难度越来越大,剥采比明显变大,高陡边坡问题也变得越来越严重,尤其是受断层、裂隙等影响的高陡边坡。不稳定边坡受到外界包括降雨、爆破振动等影响后较容易发生破坏，变坏后轻则影响局部的正常生产，重则造成重大的生命、财产损失甚至是导致整个矿井无法生产。目前国内许多露天矿面临类似的问题，如武钢的大冶铁矿等，在露天开采的后期边坡稳定问题尤为突出[1-3]，一是原始边坡受到采动和爆破等的影响岩体强度降低，节理、裂隙增多。二是为了追求较大的资源利用率和经济效益，边坡角度也在开采的过程中不断变大[4-5]。

本边坡主要由中等风化的大理岩组成。边坡大理岩的风化差异很大，表层局部已呈全风化，节理裂隙很发育，松动的岩体在采场爆破及大气降水等诱因作用下，易产生滑塌、崩落。在边坡上部及周边已形成过多次的垮塌及滑坡，很多地方的边坡由于垮塌导致双或三台阶自然并段。在该段边坡上的楔形体主要由两条断层控制，其产状分别为346°∠65°、58°∠65°，边坡的走向近于280°产状为10°∠90°。因此对该部分边坡进行稳定性分析和加固设计是很有必要的，特别是对于保障正常的生产和生命财产安全起着重大意义。本文采用加拿大GEO-SLOPE公司研制的岩土工程分析软件的SLOPE/W模块对边坡稳定性进行评价和分析。

1 边坡稳定性模拟方案

1.1 降雨情况

本研究区属山区谷地亚热带半干燥气候，一年分雨旱两季，每年的5月底或6月初至10月中下旬为雨季，其余时间为旱季，雨季降水量占全年降水量的90%以上。四年中年平均降雨量为1 005.2 mm，月最大降雨量是515.7 mm，日最大降雨量是126 mm。因此可以说矿区降雨具有雨量集中、降水强度大的特点，这就使得雨季地下水能得到大气降水的连续补给，地下水位有明显抬高。

1.2 模型设计

边坡稳定性计算一般可以简化为平面问题，用平面计算结果近似代替三维计算结果，计算剖面的选取要与下部的矿体和采矿工程建立必要的联系。根据模拟范围的确定原则：在采矿期间，模拟的最小范围应该是应力扰动不会波及到的边界，亦即周边始终保持初始应力状态。根据采场地质图、岩石物理力学性质等有关地质采矿资料确定与研究对象和研究任务相适应的模型，本试验模型截面尺寸为130 m×150 m。

1.3 数值模拟计算

共分三组进行模拟，其中第一组不加固、无降雨影响，第二组不加固，有降雨。第三组有加固、有降雨。其余参数均相同。

边坡中根据岩性的不同分为大理岩、局部有岩浆侵入形成的辉长岩透镜体、断层结构面，具体的岩石力学参数见表1。

表1 岩石力学参数

2 边坡稳定性模拟结果分析

2.1 第一组方案模拟

第一组情况主要模拟在正常情况下，即在正常的地下水位和无降雨的影响。建立的初始模型见图1。

图1 初始模型图

输入所需的岩石参数后，运行软件得出此条件下的安全系数和危险滑移面。计算出的最小安全系数为1.14，最危险的滑移面见图2。由图2可以看出此边坡属于不稳定边坡，最小安全系数只有1.14。边坡受断层影响容易在断层附近产生滑移。特别是在边坡受到外界影响的情况下很容易发生垮落。

图2 有地下水作用滑移面

2.2 第二组方案模拟(无加固有降雨的条件)

此时计算出的安全系数为1.07，此时边坡已处于临危状态。最危险的滑移面见图3。极有可能发生垮落和滑移。在受降雨影响的时候，边坡岩体，特别是断层破碎带由于内部结构较为破碎，均为破碎的岩石结构，在遇到强降雨时通过边坡裂隙渗入到断层内，使原本就较为破碎的岩体更加破碎。雨水渗入后，通过弱化岩体，泥化软化滑带，粘土矿物的水化作用导致粘着力降低，使软弱结构面抗剪强度明显降低，最终导致边坡的滑落。

2.3 第三组方案模拟（有加固、有降雨的条件）

锚固设计依据：

图3 受降雨影响的滑移面

（1）剩余推力的计算和基本物理力学参数：楔形体体积约36 743.44 m3，重约9.355万t。

剩余推力法的平衡表达式：

式中：ψi——第i条块的推力传递系数；

Ei——第i条块的剩余推力；

Wi——第i条块的重量；

αi——第i条块的滑面内聚力；

φi——第i条块的滑面摩擦角；

ci——第i条块的滑面内聚力；

Li——第i条块的底面长度；

k——稳定系数。在计算过程中，若出现Ei小于零对下一条块取Ei=0。

因为模型假定条块间不承受相互的拉力作用，带入数据由上式算出的剩余推力为17 640 kN。加固前安全系数为1.15，加固后安全系数为1.30。

（2）锚杆支护设计

根据目前常用的岩石边坡支护锚杆种类，初步选用直径Φ32，抗剪强度为340 MPa的锚杆。

锚杆受力计算如下：

a.锚杆承载力计算

式中：[σ]——设计强度。根据目前常用的锚杆种类，抗拉强度270 kN。

b.砂浆同锚杆间握裹力计算

式中：T2——钢筋与砂浆间抗剪强度；

d——锚杆换算直径；

L效——锚杆有效锚固长度；

T2=KR（R为砂浆极限抗压强度），K取0.5～0.55，若取M20砂浆，L效取5 m时，则单根锚杆可提供的极限抗力可达1 004.8 kN以上。

c.砂浆同孔壁摩阻力

式中：T3——砂浆同孔壁平均摩阻力；

D——孔径。取D=110 mm，T3=500 kPa，L效取5 m则有P3=863 kN。取小值863 kN。取安全系数1.5，则每根锚杆可承担575.3 kN的极限抗拔力。

d.锚固力提供的抗滑阻力的确定

式中：P——锚固力；

Pn——锚固力沿滑面的法向分量；

PT——锚固力沿滑面方向的分量；

α——滑面倾角；

θ——锚杆与水平方向的夹角。根据计算结果，滑坡倾角65°，φ为滑面内摩擦角，φ=12°，θ取与水平方向夹角 22°，P取575 kN，则有Fp=142 kN。为安全考虑，取单根锚杆提供142 kN的抗滑阻力进行设计，需要锚杆的数量为 N＝G/Fp=17 640/142=125。

有加固和降雨时，模拟见图4、图5。

此时所计算出的最小安全系数为1.307，符合安全生产要求。对加固坡面设立观测标志，进行必要的位移观测，并应在边坡局部进行挂网以防止小范围垮落。

3 结论

（1）数值模拟过程中根据在不同条件下对边坡进行了稳定性研究，第一种情况是在无加固无降雨时边坡的稳定系数为1.14，此时边坡处于危险状态很容易在外界因素的干扰下发生滑坡。第二种情况是在无加固有降雨的情况下得出边坡的安全系数为1.07。此时边坡已处于临界状态，极易发生危险。第三种情况是在有加固有降雨的情况下，安全系数为1.307此时为边坡为安全的。并应在表面进行挂网支护。

（2）以极限平衡法为基础，把边坡内断层、软弱夹层，地下水位，和降雨对地下水位的影响等外界因素考虑在内，更真实的反应了现场实际状况，提高了模拟的真实度。