露天矿高陡边坡稳定性评价及综合加固措施

任红岗，谭卓英，董叶茂

(1.北京矿冶研究总院，北京100160;2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083)

露天矿高陡边坡稳定性评价及综合加固措施

任红岗1，2，谭卓英2，董叶茂1

(1.北京矿冶研究总院，北京100160;2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083)

以某露天矿高陡边坡为例，采用ANSYS有限元软件对边坡进行稳定性评价，针对A区边坡稳定性差且易风化的特点，采取预应力锚索和喷射混凝土护坡综合加固措施，有效增强边坡的整体稳定性。考虑岩体受断层、节理面、裂隙面等软弱结构面以及其中的岩体结构优势面等综合影响，利用经验法对岩体强度参数进行折减。为确保边坡在采矿过程中的安全稳定，利用ANSYS软件验算预应力锚索加固后边坡的稳定性，结果显示边坡稳定性系数达到规范要求，并采用GPS-RTK系统对边坡进行跟踪监测，为矿山的安全高效开采提供有效指导。

有限元;预应力锚索;喷射混凝土;边坡监测

1 概述

边坡稳定性评价方法可分为定性分析和定量分析两个主要方向。近几十年来，随着近代计算技术的飞跃发展，学术界在探索边坡稳定性分析方法以及相应的软件程序方面，取得了巨大的进展和成就。目前，较为权威的数值模拟方法有有限元法、离散元法、快速拉格朗日分析法、边界元法、流形元法、不连续变形分析法等(见图1)。常见的边坡稳定性分析理论方法有极限平衡法［1］、强度折减法［2－3］。

有限元法［4］可以给出岩体的应力、应变大小和分布，避免了单一极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点，可近似地根据应力、应变规律去分析边坡的变形破坏机制。极限平衡法是边坡稳定性分析的主要手段，可以计算边坡的稳定性系数，但要事先假定滑动面的位置和形状。与传统的极限平衡法相比，强度折减法算法更为严格，但判别方法不太成熟。因此，将有限单元法与极限平衡分析法进行有机结合是分析边坡稳定的有效途径［5－7］。

在边坡监测方面，随着航天技术和计算机技术的应用，基于全球定位系统GPS的监测手段极大地推动了边坡动态监测预报工作的发展［8］。西班牙的Josep·A·Gill等利用GPS监测Vallcebre滑坡，精度达到毫米级，与传统监测手段相比，GPS监测技术以其覆盖面广、监测时间短、全天候、全自动、连续同步等优点逐渐得到推广应用［9－10］。

图1 边坡稳定性评价方法Fig.1 Evaluation methods of slope stability

2 边坡稳定性分析

2.1 工程背景

某金矿属于山坡+凹陷露天开采矿山，边坡高度差异较大，边坡主要岩性由黏土岩和砂岩组成，岩体受构造等因素影响，产状变化复杂，总体稳定性较差。

受区域构造的影响，矿区含矿层地层中节理较为发育，有北东、北西及近南北向节理及层理3组结构面，其走向、倾向延展有限，结构面发育密度一般为1～3条/m。节理裂隙倾角为60°～80°，多为张性裂隙，泥质充填，结构面抗剪强度低，结合力差，常形成板状结构体，在地下水的渗透软化作用下易产生崩落、坍塌。含矿层地层软质岩组大多为薄-中厚层，层理发育，层理胶结差。

边坡主要岩性由硬质夹软质岩组、软质夹硬质岩组、松散岩组构成。岩体质量总体较差。主要岩体物理力学性质见表1。

表1 主要岩体物理力学性质Table 1 The physical and mechanical properties of main rock mass

露天矿边坡三维模型见图2。按照边坡倾角、岩性、地质构造等特点将边坡共分为5个分区，分区示意图见图3。最高边坡A区高度为190 m，位于露天境界的北端。

图2 露天矿边坡三维模型Fig.2 3D model of open pit slope

图3 露天矿边坡分区示意图Fig.3 The partition sketch of open pit slope

A、B区边坡坡面走向与岩层、断层走向相交，夹角大于40°，此区域边坡从岩体结构情况分析，总体趋于稳定。但区域A边坡顶部，岩体局部较破碎，且风化严重，属于碎裂结构边坡，边坡稳定性较差，易发生局部弧面滑动。

C、D区边坡坡面走向与地层、断层走向近于平行，从地质剖面上分析，地层倾向受褶皱影响变化较大。优势面为沉积结构面和构造结构面，易产生顺层临空面滑动。

E区边坡坡面与地层走向垂直，另有次级断层通过，断层走向与边坡垂直，优势面为构造结构面中的节理、裂隙及次生结构面，从岩体结构情况分析，此区域总体趋于稳定模式。

2.2 边坡稳定性评价

地质报告中，给出了边坡岩石的强度参数，但是在实际工程中，由于边坡受围岩断层、节理面、裂隙面、岩体结构优势面的组合等影响，工程岩体强度并不同于岩石强度，参考现有的成果，在对CSIR法、费辛柯法、Georgi法、Hoek法以及经验法等方法的研究基础上，针对露天边坡实际情况，依据地质报告中给出的岩石强度参数，采用经验法对岩体强度参数进行折减，露天矿边坡岩体强度指标如表2所示。

表2 采用经验折减法后岩体强度Table 2 The rock mass strength estimates based on empirical reduction method

计算采用ANSYS软件，按照平面应变建立有限元模型，边界条件为左右两侧水平约束，下部固定，上部为自由边界，如图4、5所示。A截面单元数量为5 035个，节点数量为12 828个。D截面单元数量为4 234个，节点数量为7 075个。采用一次性施加全部重力荷载，荷载增量步设置为1步，ANSYS程序提供的稀疏矩阵求解器(Sparse Matrix Direct Solver)，采用全牛顿-拉普森迭代方法计算(Full Newton-Raphson)。

图4 A区有限元模型Fig.4 The finite element model of A area

通过不断降低岩土体抗剪强度参数直至达到极限破坏状态，ANSYS软件根据弹塑性有限元计算结果得出潜在滑动面，根据有限元软件中显示活动面趋势构成滑动圆弧，将边坡岩体参数、滑动面位置导入软件，可得到边坡强度安全系数。

图6中，A区边坡截面高度为190 m，最终边坡角为41.6°，采用有限元软件，确定了边坡剪切滑动面参数。通过计算，瑞典条分法得到的安全系数为1.176，简化Bishop法得到的安全系数为1.262，Janbu法得到的安全系数为1.267。此区域边坡为工作帮永久边坡，根据《有色金属采矿设计规范》(GB50771-2012)，稳定系数要达到1.2～1.3。为确保边坡的安全性，本区边坡需采取加固措施，来提高边坡的稳定性。

图7中，D区边坡截面高度为80 m，最终边坡角为35.8°，通过计算，瑞典条分法得到的安全系数为1.544，简化Bishop法得到的安全系数为1.599，Janbu法得到的安全系数为1.600，该边坡设计满足规范要求。在B、C、E三个分区中，选取典型断面，计算得到了典型断面的安全系数，边坡参数与安全系数表见表3。

图5 D区有限元模型Fig.5 The finite element model of D area

3 边坡加固措施

因矿区地层岩性较复杂，岩体稳定性较差、抗风化能力弱，且岩体受构造等因素影响，本次设计推荐对A区边坡采用综合加固措施进行加固。

1)预应力锚索加固边坡

图6 A区滑动面位置示意图Fig.6 The sketch of sliding surfaces in A area

图7 D区滑动面位置示意图Fig.7 The sketch of sliding surfaces in D area

表3 边坡参数与安全系数表Table 3 The slope parameters and safety coefficient

滑体所需要总锚固力P可按式(1)计算:

式中:K-滑体稳定系数，1.1～1.2;W-滑体重量;β-滑动面倾角;c-滑动面单位黏聚力;S-滑动面面积;Δ-锚杆安装角;φ-内摩擦角。

锚索加固边坡及安装示意图见图8、9。

图8 锚索加固边坡示意图Fig.8 The sketch slope reinforced by anchor cable

在边坡中用钻机每隔一定距离打钻孔，将锚索插入钻孔中用砂浆锚固后，用张拉设备在锚头给锚杆施加预应力，使滑体向稳固的岩体压紧，锚固段砂浆与钻孔壁周围间的摩擦阻力将锚索的应力传递至钻孔深部稳固的岩体中，因而滑动面处增加了摩擦阻力，提高了滑体的稳定性。

图9 锚索安装示意图Fig.9 The sketch of anchor cable installation

预应力锚索加固边坡具体参数如下:

1)长锚索。长锚索孔直径为110 mm，内装6根直径为15.24 mm的钢绞线，钻孔轴线与水平面夹角为俯角31°，锚索平均长25 m(最长33 m)，锚固端长8 m。利用工程类比法［11］，锚索设计荷载为900 kN级。选择QLM15-7锚具，垂高为10 m的台阶，共布置2排长锚索，排距2.5 m，间距5 m。

2)锚索注浆。采用P.C32.5级水泥配制纯水泥浆，水灰比0.35～0.40。

3)锚墩为梯形，底面截面尺寸1 m×1 m，高0.6 m，顶面尺寸为0.4 m×0.4 m。

施工时，随着边坡的开挖，逐层钻凿长锚索孔，安装锚索，锚索加固边坡区域见图10。A区边坡锚索加固示意图见图11。

图10 锚索加固区域Fig.10 The anchor reinforcement area

2)加固后边坡稳定性验算

利用上述预应力锚索设计参数对A区边坡加固后，其稳定系数按式(2)进行验算。

通过ANSYS软件计算得出A区边坡锚索加固后的安全系数，瑞典条分法得到的安全系数为1.234，简化Bishop法得到的安全系数为1.319，Janbu法得到的安全系数为1.322，能够满足设计要求。

3)喷射混凝土护坡

由于该矿区边坡岩体抗风化能力弱，风化后岩体十分破碎，对坚硬易风化，但还未遭严重风化的岩石边坡，为防止进一步风化，剥落及零星掉块，采用喷射混凝土方式，在边坡上形成一层保护层。喷射混凝土层封闭了围岩表面，隔绝了空气、水与围岩的接触，有效地防止了风化潮解而引起的围岩破坏与剥落。同时，由于围岩裂缝中充填了混凝土，使裂隙深处原有的充填物不致因风化作用而降低强度，也不致因水的作用而使得原有的充填物流失，使围岩保持原有的稳定和强度。

由于喷射速度很高，混凝土能及时地充填围岩的裂隙、节理和凹穴的岩石，大大提高了围岩的强度。且喷射混凝土护坡具有质量轻、施工所需设备简单的特点。施工时根据边坡开采实际情况进行护坡，采用不低于425号普通硅酸盐水泥，喷混凝土厚度以3～5 cm为宜。

4 边坡稳定性监测

为确保边坡在采矿过程中的安全稳定，本文提出采用GPS-RTK三维位移监测系统对边坡进行跟踪监测。GPS-RTK三维监测技术具有全天候作业、自动化程度高、快速获得监测点三维坐标、定位精度高、测站间无需通视、受天气影响小等特点，已经广泛应用于大型结构物的变形监测工作，并获得很好的监测效果。

建立边坡位移监测系统对永久边帮进行监测，其次对涉及到整体边坡稳定性的区段边坡进行监测。在监测过程中，通过对位移的变化分析，发现露天开挖引起的岩体移动规律存在边坡失稳征兆时，采取工程加固或其它治理措施。另外，根据获得监测数据，验算边坡稳定性，对影响边坡稳定性的参数进行反分析，以保证矿山生产的安全。

边坡监测点包括矿坑外地表监测点、开采层坡面监测点、运输道监测点。矿坑外地表监测相邻点间距离约100 m，开采层坡面监测点沿开采层坡顶线和坡底线均匀布置，同一线上相邻监测点间的距离为50～100 m，运输道监测点沿运输道边缘均匀布置，相邻监测点间的距离约为50 m。

5 结论

1)以某露天矿高陡边坡为例，基于ANSYS有限元软件对边坡进行稳定性评价。考虑岩体受断层、节理面、裂隙面、岩体结构优势面等组合影响，利用经验法对岩体强度参数进行折减，结论表明A区边坡稳定性较差，不能满足相关安全规范要求，需进行加固处理。

2)针对A区边坡稳定性差且易风化等特点，采取预应力锚索和喷浆及喷射混凝土护坡综合措施加固边坡，并对预应力锚索加固后边坡进行稳定性验算，其稳定性系数达到规范要求。为确保边坡在采矿过程中的安全稳定，提出采用GPS三维位移监测系统对边坡进行跟踪监测，实现了对边坡的跟踪监测预报。

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Stability evaluation and comprehensive reinforcement measures of high steep open pit slope

REN Honggang1，2，TAN Zhuoying2，DONG Yemao1
(1.Beijing General Research Institute of Mining＆Metallurgy，Beijing 100160，China; 2.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

Taken a high steep open pit slope as an example，ANSYS finite element software is carried out on the slope stability evaluation，in view of the poor stability and easy weathering characteristics of region A slope，the comprehensive reinforcement method is adopted by use of the prestressed anchor cable and shotcrete support to increase whole stability of the rock slope.This paper uses the empirical method to make reduction for rock mass strength parameters，which considers the combination influence of many factors such as fault，joint plane，fissure-plane，rock mass and its structure plane and so on.To ensure the security and stability of slope in the mining process，stability of the slope is checked by using the ANSYS software after reinforcement by the prestressed anchor cable，the stability coefficient meet requirement，and the GPS-RTK system is used for tracking slope monitoring，it provides guidance for safe and efficient mining.

finite element;prestressed anchor cable;shotcrete;slope monitoring

TD854+.6

Α

1671-4172(2015)01-0077-06

国家自然科学基金(51174013)

任红岗(1986－)，男，工程师，博士研究生，主要从事采矿工程和岩土工程设计及研究工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.01.018