張樹東

(河北鋼鐵集團(tuán)司家營研山鐵礦有限公司)

目前，我國70%以上的鐵礦為露天開采方式，有力地提高了國家鐵礦資源的安全保障程度[1]。保持露天邊坡的穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)鐵礦資源安全開采的核心工作之一[2]，然而，受到礦山開采技術(shù)條件的限制，部分臺階及邊坡只能布設(shè)在軟弱、破碎、土系層等不良巖體中，在降雨、爆破震動等因素的影響下難以長期保持穩(wěn)定，對礦山的生產(chǎn)造成巨大的安全隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國主要露天金屬礦存在滑坡、傾倒等潛在地質(zhì)災(zāi)害的邊坡占邊坡總量的15%～20%[3]。國內(nèi)外學(xué)者針對露天邊坡的穩(wěn)定性及加固措施進(jìn)行了深入的研究，如Xue HAN等[4]分析了高陡邊坡中誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的敏感性因素，提出用MSARMA法進(jìn)行高陡邊坡穩(wěn)定性評估的方法；韓斌等[5]對低強(qiáng)度易風(fēng)化破碎邊坡采取噴錨網(wǎng)+長錨索、HDPE防滲膜等加固措施，通過地表排水溝及坡體內(nèi)部鑿泄水孔疏干排水等方式，實(shí)現(xiàn)了275 m 高邊坡的安全加固；牟春梅等[6]綜合分析了預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁、預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁在某古滑坡治理工程中的施工難易度、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及環(huán)境影響，確定了合理的支護(hù)方式；張樹東[7]在分析影響研山鐵礦邊坡穩(wěn)定性主要因素后，采用全長粘結(jié)錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索、噴射混凝土等措施對邊坡進(jìn)行分區(qū)治理。這些類似的研究為風(fēng)化巖體邊坡穩(wěn)定性分析及綜合加固提供了良好的借鑒。本文在分析研山鐵礦東幫邊坡穩(wěn)定性及地質(zhì)災(zāi)害體特征的基礎(chǔ)上，提出綜合危巖清理、錨索格構(gòu)梁施工、放水孔疏干、截排水溝等措施的綜合治理方案，并通過現(xiàn)場邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測來驗(yàn)證方案的可靠性，從而提高N26線區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性。

1 邊坡穩(wěn)定性分析

1.1 采場東幫邊坡現(xiàn)狀

研山鐵礦最低開采標(biāo)高為-127 m，臺階高度為12～15 m，已形成+30，+6，-18，-42，-67，-97，-112，-127 m平臺；其中，采場東幫N22線以北-42 m 以上邊坡基本靠界，N26線區(qū)域邊坡-67 m以上基本靠界。采場礦石固定運(yùn)輸公路沿采場東幫布置，-42 m水平以上固定公路已形成，-42 m以下為臨時公路。采場排洪管線沿東幫邊坡鋪設(shè)，位于N26線附近，鋪至采場東幫外的新河。

受東幫新河水及降雨的影響，2016年7月N26線區(qū)域-42～-67 m發(fā)生順層滑坡，滑坡體高度約25 m，南北長約40 m，體積約1 000 m3，見圖1(a)；2017年2月，同區(qū)域再次發(fā)生滑坡(圖1(b))，威脅采場下方平臺、設(shè)備、人員、車輛的安全。2次滑坡雖未造成人員重大安全事故，但礦區(qū)固定運(yùn)輸公路、排水管線正處于該滑坡體區(qū)域，滑坡體造成排水管道彎曲變形，若在汛期防洪管線造成破壞，將嚴(yán)重威脅采場人員及設(shè)備安全，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 地質(zhì)災(zāi)害體特征

研山鐵礦露天采場東幫上覆第四系，厚約40 m；下部為巖質(zhì)邊坡，主要為強(qiáng)風(fēng)化黑云變粒巖、微風(fēng)化黑云變粒巖及黑云變粒巖，巖體傾角為40°～60°，傾向230°～270°。區(qū)內(nèi)基巖只在殘丘分布部位出露地表，其余部位均為第四系覆蓋，基巖出露面積小于總面積的20%。東幫邊坡主要巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1，可見采場上部第四系、強(qiáng)風(fēng)化黑云變粒巖及白云母片巖的黏聚力低于其他巖體。現(xiàn)場觀測結(jié)果也表明，該類巖體在長期風(fēng)化侵蝕作用下，強(qiáng)度持續(xù)弱化，容易形成潛在的滑動層位。露天邊坡失穩(wěn)滑坡通常起源于該類低強(qiáng)度、易風(fēng)化的層位，并在重力等外力的作用下進(jìn)一步錯動、切割、貫通和發(fā)展，最終形成組合滑動面。另一方面，區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡以斷層為主，褶皺軸總體走向近南北向，軸面西傾，礦區(qū)地層表現(xiàn)為單斜構(gòu)造；而N26線區(qū)域邊坡結(jié)構(gòu)面與邊坡傾向一致(圖2)，亦是導(dǎo)致邊坡發(fā)生順層滑坡的主要因素之一。

圖1 東幫N26線區(qū)域滑坡情況

表1 東幫邊坡主要巖體物理力學(xué)參數(shù)

圖2 東幫N26線區(qū)域邊坡巖體層位示意

東幫鄰近新河，采場最終境界離新河的最近距離僅61 m，采場東北部第四系沖洪積砂、砂礫卵石層孔隙潛水含水層的透水性、富水性極強(qiáng)，新河將作為定水頭補(bǔ)給水源，并以N26線區(qū)域?yàn)橛克ǖ老虿蓤鰞?nèi)滲水，加劇了邊坡滑移。礦山前期已采用帷幕注漿及連續(xù)墻等堵水方案，綜合堵水效果為80%，然而，由于礦區(qū)尚未完善排水系統(tǒng)，東幫巖體受雨水及新河水侵蝕后，強(qiáng)風(fēng)化變粒巖及云母片巖易綠泥石化，強(qiáng)度持續(xù)降低，綠泥石化形成軟弱層，成為發(fā)生滑坡巖層間的潤滑劑。此外，采場開采區(qū)域的融凍、爆破震動、人工開挖、礦石運(yùn)輸?shù)炔焕蛩?，進(jìn)一步誘發(fā)了滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅道路、設(shè)備及人員安全。

1.3 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

東幫第四系對應(yīng)邊坡角設(shè)計(jì)為35°，第四系以下巖體設(shè)計(jì)邊坡角為65°。采用GEO-SLOPE軟件及極限平衡法分析N26線區(qū)域邊坡穩(wěn)定性，得到自然狀態(tài)下邊坡抗滑安全系數(shù)為1.163；疏干排水狀態(tài)下邊坡抗滑安全系數(shù)為1.532。

國內(nèi)外大型金屬礦露天邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)一般為1.15～1.3，如大冶鐵礦為1.15～1.2，德興銅礦為1.2～1.25，大孤山鐵礦為1.15～1.25，石碌鐵礦為1.15；考慮到研山鐵礦的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及開采特點(diǎn)，前期確定東幫邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.15。根據(jù)GEO-SLOPE的計(jì)算分析結(jié)果，東幫邊坡在自然狀態(tài)下較難保持穩(wěn)定，疏干狀態(tài)下則可保持邊坡穩(wěn)定。然而，2次滑坡表明原有安全系數(shù)已無法滿足生產(chǎn)要求。根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0219—2006)，礦山對N26線區(qū)域的穩(wěn)定安全系數(shù)重新測算。治理區(qū)的邊坡工程安全等級為Ⅱ級，考慮到邊坡的永久性和整體性，N26線-18～-67 m坡段內(nèi)加固后，自然狀態(tài)下的邊坡抗滑安全系數(shù)需達(dá)到1.22。

2 邊坡支護(hù)技術(shù)

根據(jù)滑坡的影響范圍，確定主體治理區(qū)域?yàn)闁|幫邊坡N26線區(qū)域，垂直方向-18～-67 m水平，水平方向南北長80 m；其中，放水孔施工區(qū)域在-18，-67 m水平，以N26線為中心的南北兩側(cè)各100 m范圍。邊坡綜合加固措施包括危巖清理、錨索格構(gòu)梁、邊坡內(nèi)部放水孔和地表截排水溝。

2.1 危巖清理

治理區(qū)域主要為巖質(zhì)邊坡，由于邊坡高度大、巖體破碎、節(jié)理裂隙及軟弱破碎帶發(fā)育，易出現(xiàn)崩塌破壞，為保證施工安全和防護(hù)質(zhì)量，施工前須對邊坡進(jìn)行清坡撬毛工作，即清除坡頂上的松散、不穩(wěn)定巖塊，同時清除坡面上殘留的不穩(wěn)定巖塊及松散浮石。

首先，人工將坡面浮石除掉，掃除坡面及平臺積土，然后用水或高壓風(fēng)清洗坡面；其次，人工鏟平邊坡壓頂部分，并露出堅(jiān)硬地層，對于較軟或松散層，適當(dāng)灑水夯實(shí)；然后，自上而下逐級進(jìn)行人工清坡作業(yè)，滑塌堆積物自上而下通過斜坡通道逐級倒運(yùn)至可裝車作業(yè)面；清坡作業(yè)時邊坡下方設(shè)安全警戒線，現(xiàn)場設(shè)有專職安全員。邊坡危巖清理效果見圖3。

圖3東幫N26線邊坡清理危巖效果

2.2 錨索格構(gòu)梁技術(shù)

對于未達(dá)到重新測算后的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的區(qū)域，采用護(hù)坡能力強(qiáng)、施工簡單的錨索格構(gòu)梁方式進(jìn)行加固。首先，清理邊坡坡面，布設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索，錨索間距為5.0 m×6.0 m，采用鉆機(jī)成孔；其次，以錨索處為節(jié)點(diǎn)布置格構(gòu)梁，格構(gòu)梁截面尺寸為30 cm×30 cm。由于坡面部分巖石風(fēng)化嚴(yán)重，在格構(gòu)梁內(nèi)部分坡面及坡頂部位采用C25混凝土噴射護(hù)坡，噴射混凝土厚度為5 cm，噴射區(qū)域約50%。錨索格構(gòu)梁布置見圖4。

圖4 錨索格構(gòu)梁布置示意

2.2.1 預(yù)應(yīng)力錨索打設(shè)

預(yù)應(yīng)力錨索施工順序?yàn)榉趴孜弧┛?編索)—鉆孔清孔(錨索運(yùn)輸)—安裝錨索—注漿—補(bǔ)漿—養(yǎng)護(hù)—張拉—補(bǔ)張拉、鎖定—錨頭包封。預(yù)應(yīng)力錨索穿孔采用專用鉆機(jī)，孔徑不小于110 mm，錨索、孔位、孔徑、孔深及布置形式應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，孔深誤差不宜超過200 mm；預(yù)應(yīng)力錨索鉆孔軸線與設(shè)計(jì)偏差不大于3°，孔內(nèi)積水及巖粉吹干凈，遇有塌孔情況應(yīng)掃孔；錨索體應(yīng)選用表面沒有損傷的高強(qiáng)度鋼絞線，按設(shè)計(jì)長度并考慮千斤頂張拉需要的長度，用砂輪鋸切割，綁扎編束，保證每束鋼絞線順直，不扭不交叉。施工排架須能承受大于20 kN的靜荷載及15 kN的動荷載；錨索張拉段每隔2 m設(shè)置一個鋼板或硬塑料對中支架，以保證錨索體居中，避免鋼絞線纏繞和水泥漿握裹效果降低。

注漿時采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.5∶1 (質(zhì)量比)，用φ25 mm高壓膠管或塑料軟管從錨孔底部進(jìn)行密實(shí)注漿，注漿壓力不小于0.4 MPa；對已澆筑完畢的混凝土錨墩及時進(jìn)行灑水保溫養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期為7 d以上。當(dāng)錨索錨固體強(qiáng)度大于20 MPa并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后方可實(shí)施預(yù)應(yīng)力張拉。預(yù)應(yīng)力錨索正式張拉前，應(yīng)以0.1～0.2倍設(shè)計(jì)軸向拉力強(qiáng)度預(yù)張拉1～2次，以使索體各部位接觸緊密，索體完全平直。預(yù)應(yīng)力錨索采用超荷張拉，即設(shè)計(jì)拉力的25%、50%、75%、110%，每級張拉應(yīng)持荷10 min，穩(wěn)定后再進(jìn)行下一級張拉，最后一級應(yīng)持荷20 min，當(dāng)沒有明顯預(yù)應(yīng)力衰減時，再卸荷至設(shè)計(jì)拉力進(jìn)行鎖定。鎖定后，截除外露多余鋼絞線，保留長度不小于5 cm。錨具及保留鋼絞線采用現(xiàn)澆C30素混凝土包封防腐。

2.2.2 噴射混凝土施工

錨索格構(gòu)梁完成之后分段、分片進(jìn)行噴射混凝土施工，同一段內(nèi)應(yīng)自下而上進(jìn)行噴射，噴射流應(yīng)垂直噴射面，噴射機(jī)罐內(nèi)壓力為0.5 MPa，噴頭處工作風(fēng)壓為0.10～0.12 MPa，射距為0.8～1.5 m，輸水管壓力要穩(wěn)定。噴射水泥砂漿保護(hù)層凝結(jié)后，加遮蓋并保持濕潤14 d以上，期間，定期檢查砂漿保護(hù)層外觀和粘結(jié)情況，及時處理空臌等現(xiàn)象。

2.2.3 混凝土格構(gòu)施工

混凝土格構(gòu)梁截面尺寸為30 cm×30 cm，采用C25混凝土現(xiàn)澆?？蚣芰涸诠?jié)點(diǎn)中心預(yù)埋φ150 mm PVC管，當(dāng)鋼筋與預(yù)留位置沖突時，調(diào)整鋼筋間距保證錨索預(yù)留孔位的準(zhǔn)確。施工時嚴(yán)格按格構(gòu)錨索設(shè)計(jì)與施工的有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2.3 邊坡內(nèi)部放水孔施工

研山鐵礦東幫鄰近新河，地下水對邊坡的侵蝕影響較大，根據(jù)地質(zhì)水位監(jiān)測以及實(shí)地考察，設(shè)計(jì)在-18～-67 m平臺施工深層斜孔排水工程。-18 m 平臺坡面上，距離坡底2 m鑿孔，3個鉆孔為一組，鉆孔水平仰角為10°；其中，中孔垂直鉆鑿，孔深50 m，左右孔與中孔間距為0.5 m，分別外斜15°鉆鑿，孔深55 m。-67 m平臺坡面上，同樣距離坡底2 m鉆鑿，3個鉆孔為一組，水平仰角均為10°；其中，中孔垂直鉆鑿，孔深80 m，左右孔與中孔間距為0.5 m，分別外斜15°，孔深85 m。

排水孔直徑均為90 mm，孔內(nèi)安裝2寸硬質(zhì)PVC管，在排水管2/3以上部分進(jìn)行打孔，孔徑為6 mm，間距為25 mm，用1 mm尼龍濾布包裹并封口，以防止泥砂等進(jìn)入排水孔。

2.4 地表截排水溝施工

地質(zhì)鉆孔調(diào)查表明，東幫邊坡坡體內(nèi)部存在一定的積水，因此，在進(jìn)行疏干放水的同時，采取地表水截排措施，以減小地表水對邊坡基巖裂隙的入滲。坡面排水主要通過坡頂截水溝、平臺截水溝、邊溝和排水溝來實(shí)現(xiàn)；坡體排水設(shè)施主要有滲溝、盲溝及深層斜孔排水。在保證截住坡面外地表滲流的同時，盡快地疏干坡體積水，并結(jié)合前期臨時防排水措施，形成完整的防排水系統(tǒng)。

截排水溝采用M10漿砌片石進(jìn)行砌筑，片石尺寸一般為15 cm，截面尺寸為0.5 m×0.4 m，漿砌厚度為0.3 m；同時，在截排水溝走向上每15～20 m設(shè)寬度3 cm的伸縮縫。

3 工程應(yīng)用

N26線-18～-67 m坡段滑坡治理工程歷時3個月，工程費(fèi)用約450萬元，工程量見表2。為監(jiān)測邊坡加固工程的實(shí)施效果及監(jiān)測其安全性，在預(yù)應(yīng)力錨索上設(shè)置錨索應(yīng)力計(jì)，水平布置間距為15 m，共8個。同時，在治理區(qū)域-18 m水平布置1條深40 m的水文監(jiān)測井，以監(jiān)測放水孔對地下水排泄情況。

表2 東幫邊坡N26線滑坡段治理工程量

研山鐵礦東幫邊坡綜合加固工程施工15個月以來，盡管受降水、融凍、地下水、爆破震動、礦巖運(yùn)輸?shù)榷嘁蛩赜绊?，但N26線治理區(qū)域未出現(xiàn)明顯的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，邊坡始終保持穩(wěn)定狀態(tài)(圖5)；預(yù)應(yīng)力錨索的錨固體強(qiáng)度損失在14%以內(nèi)，預(yù)應(yīng)力錨索通過沿軟弱層滑面施加抗滑力及垂直滑面施加法向阻滑力，使自然狀態(tài)下巖質(zhì)邊坡抗滑安全系數(shù)保持為1.264；同時，新河滲水及降雨可沿地表截排水溝及放水孔迅速排出，邊坡巖體內(nèi)部基本無積水，保障了采場運(yùn)輸公路、排水管線等設(shè)施及采場作業(yè)的安全。

圖5 東幫N26線區(qū)域邊坡治理效果

4 結(jié) 論

(1)第四系、強(qiáng)風(fēng)化黑云變粒巖及白云母片巖等低強(qiáng)度、強(qiáng)風(fēng)化巖體是東幫邊坡N26線區(qū)域滑坡的主要層位，邊坡結(jié)構(gòu)面與邊坡傾向一致、新河通過孔隙含水層涌入及爆破震動、人工開挖、礦石運(yùn)輸?shù)纫蛩剡M(jìn)一步誘發(fā)了滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

(2)采用危巖清理、錨索格構(gòu)梁、邊坡內(nèi)部放水孔和地表截排水溝綜合加固措施，邊坡加固后15個月以來均保持穩(wěn)定狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力錨索的錨固體強(qiáng)度損失小于14%，自然狀態(tài)下巖質(zhì)邊坡抗滑安全系數(shù)為1.264，有效治理N26線風(fēng)化巖體區(qū)域的滑坡。