三道庄露天矿边坡滑坡治理稳定性分析

蒋文斌，彭府华

三道庄露天矿边坡滑坡治理稳定性分析

蒋文斌1，彭府华2

(1.洛阳栾川钼业集团股份有限公司，河南 洛阳市 471500；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

利用MIDAS GTS有限元方法，对三道庄露天矿观礼台边坡滑坡治理稳定性问题进行了计算研究。通过建立三维几何模型、网格划分、确定边界条件和初始应力场等，对观礼台边坡治理前后稳定性进行了计算，得到了边坡治理前后边坡安全系数、应力场和位移变化情况，并对治理后重要构件内力进行分析，获得的研究成果可为后续边坡治理施工提供理论参考。

边坡;有限元模拟;稳定性;滑坡治理

0 前 言

近年来，矿业公司为提升经济效益，一些大型露天矿出现了许多高于300 m、坡度角达到45°以上的边坡，如南芬露天铁矿边坡达到了46°~54°。据估算，大型露天矿边坡每加陡1°，可减少剥离费用2000~3000万美元[1]。但在降低成本，提高收益的同时，高陡边坡也在严重威胁着露天矿的生产安全。据统计，滑坡占全国地质灾害总数的10%，仅次于地面塌陷与地裂缝[2]。1990年代抚顺西露天矿北帮边坡大规模倾倒滑移变形，严重影响地面工业、民用建筑的安全，国家投入几亿资金开展大规模滑坡治理[3]。同时，另一些露天矿每年花费数千万甚至上亿的经费用于边坡维护与加固治理，使得露天矿高陡边坡的设计、稳定分析、治理、加固等成为相当重要而复杂的工程项目。

洛阳栾川钼业集团股份有限公司三道庄露天矿是我国特大型露天矿山。近年来年采剥总量超过3000万t，设计露天最低开采标高+1072 m，最大开采深度+486 m，目前矿山局部已形成最终边坡。2016年11月矿山观礼台下部+1550 m~+1474 m区域边坡发生局部滑坡，严重威胁着下部台阶开采作业人员和设备的安全。为此三道庄露天矿专门立项对该区域滑坡进行工程治理，为矿山安全生产提供保障[4]。本文利用MIDAS GTS有限元方法，对观礼台边坡滑坡治理前后稳定性问题进行了计算研究，为后续边坡治理施工提供理论参考。

1 工程背景

观礼台下方滑坡位于矿区观礼台下部北侧边坡，地貌为中低山，整体地形坡角一般为30°~40°，局部可达50°左右。滑坡前缘标高1474 m，后缘标高1550 m，总体形态为前缘碎石土斜坡、后缘顶部为人工填土堆载，滑坡区为一略低洼的负地形（见图1）。坡体中下部发育断裂带1处，为F1，该断层产状330°∠40°，破碎带宽度约7~10 m，钻孔揭露厚度9.1 m，破碎带主要为压碎岩，灰白色−浅灰色，片岩碎屑，碎裂结构，岩芯极破碎～较破碎。该断层的存在，造成了滑坡坡体基岩破碎，为滑坡堆积物的产生和软弱带的形成提供了一定的条件。滑坡变形特征明显，早期主要为崩坡积块石土、碎石土堆积于斜坡，由于矿坑内侧边坡开挖形成较高的临空面使得前缘垮塌，在顶部堆载、地下水和破碎带的作用下，导致后缘逐级滑动，目前已经发生了严重的失稳破坏。滑坡变形区平面形态总体上略呈“倒梯形”，为纵长式滑坡，地势总体南高北低。横向平均宽度70 m，纵向平均长度120 m，面积约8099 m2，滑体平均厚度约15 m，体积约12.15×104m3。根据变形迹象（裂缝展布）及钻探揭露滑床顶面变化情况，综合确定了该滑坡主滑方向为6°。该滑坡为中型中层滑坡，主要表现为整体变形、多级滑动，其破坏模式主要有下部牵引，上部推移[5]。

针对本次滑坡特征，设计采用多级抗滑综合治理方案。在1522，1498和1474 m平台设置微型抗滑孔桩群，桩长20~27 m不等，桩排距2 m，孔距1.5~3 m不等，并在1522 m平台布置挡土墙，1498和1474 m平台布置地梁；在1550~1474 m边坡面上布置预应力锚索、锚杆；在1522和1498平台对破碎岩体进行高压注浆；对坡面岩体进行喷射混凝土封闭，并布置系统排水设施等。

图1 边坡滑坡典型剖面

2 边坡应力场及位移分析

在MIDAS/GTS中，根据工程剖面图建立二维模型，再通过扩展网格方式，建立三维模型。3种土体均采用莫尔-库仑本构模型，挡土墙、抗滑桩等混凝土构件使用弹性本构模型，锚杆、锚索采用1D植入式桁架，抗滑桩采用1D植入式梁单元，喷射混凝土采用板单元，其余均采用3D实体单元。初始边坡模型大小为54630个单元，59536个节点。加固措施完成后整个模型大小为42548个单元，46756个节点。

模型边界由许多面组成，在=0的面，限制其、和方向的位移，=0和30的面，限制其方向的位移，=0和225的面，限制其方向的位移。其余面为自由面。

2.1 边坡治理前

对加固前的边坡稳定性进行计算，通过计算其安全系数为0.931，处于不稳定状态。应变、位移结果如图2和图3所示。应变应力主要集中在碎石层、块石层出露点，最大有效应变产生在块石层出露点附近，数值为0.0589。最大位移出现在顶部，数值为0.0596 m。

计算结果表明，边坡滑移带集中在块石层及碎石层内，沿碎石层与块石层交界延伸，块石层出露点附近亦有一条明显滑移带延伸到1522平台挡土墙后方，形成局部塑性应变集中带。片岩层内部无塑性应变现象。所以治理前边坡较易发生沿碎石层、块石层及片岩交界面滑动的滑移破坏，符合下部迁移，上部推移的判断。

图2 无加固措施边坡有效应变结果

图3 无加固措施边坡总位移结果

2.2 加固措后边坡

对加固后的边坡稳定性进行计算，通过计算其安全系数为1.584，整体处于稳定状态，较为安全。图4、图5应力应变计算结果表明，治理后塑性应变不再局限于碎石堆积体和块石堆积体处，在边坡内部大范围分布，位置较治理前更加深入边坡内部。在块石堆积体内部有部分集中带，但属于大集中带的一部分，并未沿交界面延伸至边坡外部。同时，边坡位移为整体位移，沿片岩深部滑移面滑动，不存在集中于不同岩体交界面等情况。

3 构件内力分析

锚索最大轴力出现在1498平台附近，1498平台下方锚杆受力较小（见图6）。1498平台下方预应力锚索锚固段位于块石堆积体与片岩交界处，最大轴力为567.279 kN，使块石堆积体内塑性滑移区向边坡内部转移，减少块石等松散堆积体对边坡造成的不利影响，发生局部破坏的可能性变小。

图4 加固后边坡有效应变结果

图5 加固后边坡总位移结果

图6 预应力锚索轴向力计算结果

抗滑桩最大弯矩出现在1498平台的抗滑桩（见图7）。1498平台抗滑桩弯矩集中于中部块石堆积体与片岩相交处，以及下部灌浆浇筑体与片岩相交处。块石与片岩相交处弯矩在抗滑桩右侧，最大数值为0.2734 kN·m。证明块石堆积体下部存在较大沿交界面滑动的应力，而抗滑桩有效阻挡了块石堆积体沿交界面向下滑动的趋势。

图7 抗滑桩弯矩计算结果

4 结 语

（1）治理前边坡内部存在位于岩土体浅层、不同岩土体交界处的明显滑移带。在采取治理措施后，碎石堆积体和块石堆积体内塑性应变集中处消失，滑移带向岩土体深处转移。边坡最大位移减小，安全系数从0.931提升到1.584，加固效果明显。

（2）通过构件分析得出，构件中受力最大的构件，均出现在1498平台附近。碎石层出露点及块石层出露点均位于1498平台附近。由此可知，1498平台为治理重点，应多加关注。预应力锚索、抗滑桩等支护结构的受力情况能够反映边坡内部的应力应变情况。

（3）预应力锚索、挡土墙、抗滑桩、灌浆浇筑体等支护措施能够有效发挥加固作用，将较易滑动的松散堆积体嵌固在强度较大的底层稳定岩体上，降低松散堆积体的不利影响，预防易发生的边坡局部滑坡，提高安全系数，对露天矿生产活动及人员财产安全具有重要意义。

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(2019-06-04)

蒋文斌(1980—) ，男，河南河南省柘城县人，土木工程专业，工程师，从事工程施工管理工作，Email: 13783196507@126.com。