南芬露天鐵礦排土場高陡邊坡穩定性分析及監測設計

王 嘉 王敬翔 張 慧 卜慶濤 董 強 陶志剛

(1.鞍鋼集團本鋼礦業南芬露天鐵礦,遼寧 本溪 117014;2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083;3.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,北京 100083)

淺埋金屬礦山最常見的開采方式就是露天開采。露天開采需要剝離極大量巖土體,而這些巖土體大多采取排土堆積的形式。隨著礦山的不斷開采,排土場的高度也在持續增高[1-4],出現了大量高陡排土場邊坡,滑坡地質災害風險急劇增多,災害程度也在不斷升高[5-8]。因此,對于排土場高陡邊坡的穩定性進行分析和研究也越發重要。

造成排土場邊坡失穩的因素是多樣的,包括地基強度較低[9],邊坡坡角較大[10],外力作用[11]等原因。近些年,國內外學者對于排土場邊坡穩定性進行了大量研究。Steiakakis E 等[12]對希臘的南田露天礦外部排土場的破壞過程進行了詳細介紹,并通過極限平衡分析的方法以及不同類型的模型對排土場穩定性的影響因素進行了研究。Yin Yueping 等[13]研究了排土場不同階段土體結構變化對邊坡穩定性的影響,并使用LS-RAPID 軟件對邊坡失穩破壞后造成的滑動效應進行了動力學模擬。張亞賓等[14]基于Geo-studio 軟件分析了降雨量不同的環境下,排土場邊坡的滲流情況,得出降雨強度以及時間增長會使邊坡穩定性系數降低的速度加快。張凱等[15]運用基于有限差分法的FLAC3D軟件對高海拔地區排土場進行數值模擬研究,得出了高海拔地區排土場應力和塑性區的分布情況,并對西藏甲瑪礦區排土場的穩定性進行了分析和研究。Mzyk T 等[16]對排土場邊坡的形成方式及條件等方面展開研究,對復雜條件下所形成的排土場邊坡的穩定性進行了分析。王光進等[2]開發出HHC-CA 模型并對西源嶺某排土場的散體粒徑分布進行分析,運用FLAC3D軟件分析了排土場不同堆排情況下的穩定性,得出只考慮堆積散體的強度時,超高排土場粒徑分級對排土場的穩定性有著良好優勢。鄭開歡等[17]建立排土場邊坡的有限元分析模型,模擬計算了降雨條件下的邊坡穩定分析,得出從降雨初期到降雨結束排土場邊坡位移加速度呈現出由快逐漸減緩的趨勢。

一般情況下,巖質邊坡的變形量是遠遠小于排土場邊坡變形量的,所以通常巖質邊坡的監測系統在排土場中不能普遍適用[18-21]。排土場的地表會隨著巖土體堆積和排土車運動而不斷發生變化,從而導致地表位移計的監測數據發生頻繁波動。深部變形監測中的斜測法由于鉆孔多點位移計和鉆孔傾斜儀等儀器的量程較小,不能進行大面積的監測。

南芬露天鐵礦是亞洲最大的單體露天鐵礦之一,年產量約1 300 多萬t,是本鋼集團最重要的自給礦山。2#排土場作為南芬露天鐵礦主要排巖場地之一,經過多年排巖生產作業形成了高陡松散堆積體邊坡。2000 年至今發生多次滑坡泥石流災害,嚴重影響礦區正常生產,屬于礦區重大地質災害風險源。區域內特殊的地質構造及外部不利因素綜合作用導致排土場邊坡滑坡風險逐年增加。因此,亟需對2#排土場高陡邊坡的穩定性和邊坡實時監測展開深入研究,確保礦區安全可持續生產。

為了解決2#排土場高陡邊坡的穩定性及監測問題,本研究利用FLAC3D數值分析軟件進行計算、分析和總結,得到邊坡變形和力學變化規律。運用研究結果對監測方案進行優化設計,在現場應用中取得良好效果。

1 工程概況及參數選取

1.1 工程地質條件分析

南芬露天鐵礦位于遼寧省本溪市南芬區,屬于北溫帶季風氣候區,雨季集中在7—9 月,四季分明。礦區地處華北地臺遼東臺背斜營口—寬甸隆起的北緣太子河凹陷之中,呈半島狀,主要構造為倒轉背斜和NNE 向大斷裂。地貌以侵蝕構造中高山地貌為主,地勢起伏較大,相對高差一般為300 ～400 m,最大可達500 m,總體地形東高西低,山勢近似呈東西走向,溝谷較多,植被稀少。

南芬露天鐵礦2#排土場是礦區主要排巖場地之一,在2009—2021 年礦區4 個運營排土場(分別為2#、3#、4#、5#)累計排巖約9.968 億t,其中2#排土場累計排巖量達到3.688 億t,占整個礦區排巖量的37%。

2#排土場位于采場礦坑西南側約2.5 km,排土場南北長約1 700 m、東西寬約900 m,頂部平臺面積約150 hm2,如圖1所示。

圖1 2#排土場地理位置Fig.1 Geographical location of No.2 dump

1.2 典型剖面及參數選取

1.2.1 典型剖面選取

根據地質勘察資料分析及現場調查,2#排土場頂部最大標高約為650 m,邊界(坡腳)處標高約290 m,邊坡最大高差超過350 m,邊坡角約為34°。排土場北側和西側邊坡幾何外觀基本一致,因此選取橫貫排土場中央近似東西走向的典型剖面1-1'(圖2)為研究對象,該剖面近似垂直于西側長坡面,中間平臺跨度較大,因此具有典型代表性。分析其地質構成和地層分布等,得到剖面1-1'對應地層結構剖面圖,如圖3所示。

圖2 2#排土場典型剖面1-1′位置(單位:m)Fig.2 Typical section 1-1′ location profile of No.2 dump

1.2.2 巖土體物理力學參數選取

2#排土場上覆地層主要由采礦生產過程中所產生的礦石廢料和風化破碎巖土體堆積形成,下部地層巖土體巖性主要有:震旦系南芬組蛋青色泥灰巖、橋頭組灰白色細粒石英砂巖;寒武系堿廠組燧石條帶灰巖、毛莊組暗紫色云母質頁巖、張夏組結晶石灰巖、徐莊組綠色—紫色砂質頁巖以及第四紀坡土等,主要地層分布狀態見圖3。

圖3 剖面1-1′地層結構剖面Fig.3 Stratigraphic structure section of section 1-1′

根據地勘資料以及室內物理實驗數據整合分析,得到2#排土場主要地層巖土體物理力學參數見表1。

表1 2#排土場巖土體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil in No.2 dump

2 數值模擬

2.1 建立模型

根據剖面1-1'地層結構及巖土體物理力學參數,建立該剖面FLAC3D數值模擬計算的概化模型,如圖4所示。

圖4 剖面1-1′數值計算模型Fig.4 Numerical calculation model of section 1-1′

2.2 數值模擬計算

采用FLAC3D有限差分數值模擬軟件對2#排土場高邊坡進行邊坡穩定性研究,根據數值模擬計算結果分析排土場邊坡應力、應變變化特征,以及最大主應變速率,總結變化規律。

2.2.1 應力分析

如圖5所示,根據最大主應力計算結果,分析可知最大主應力等值線分布狀態與排土場層狀堆積狀態基本一致。由最大主應力云圖可知,坡頂最大主應力較小、應力等值線稀疏,邊坡表面應力為0,由坡表向內,越往地層深處應力越大。

圖5 最大主應力云圖Fig.5 Maximum principal stress nephogram

根據圖6 最大主應變速率云圖分析,應力變化最快的區域位于潛在滑動面中下部,此處首先產生剪切裂縫破壞,裂縫持續發育,沿滑裂面向下延伸至坡腳、向上延伸至坡頂貫通,下部主要受到剪切破壞,上部破壞形式表現為張拉破壞,最后形成貫通滑裂面。加之外界環境影響,各種不利因素綜合作用極易發生滑坡地質災害。

圖6 最大主應變速率云圖Fig.6 Maximum principal strain rate nephogram

2.2.2 位移分析

由圖7 總位移云圖可以看出,排土場邊坡整體發生變形移動,位移較大的部位主要集中在坡體中下部,最大位移約265 mm,其次邊坡坡頂部位也發生較大變形,最大變形量約為200 mm,邊坡形變的主控部位位于坡體中下部。由坡面向坡體內隨著縱深增加位移逐漸變小,位移等值線由疏變密,說明越往深部邊坡位移變小的速度越快,這與實際變形情況是一致的。

圖7 總位移云圖Fig.7 Total displacement nephogram

同時分析總位移矢量圖(圖8),可以得出排土場邊坡滑移方向沿著潛在滑動面近似“弧形”向下。

圖8 總位移矢量圖Fig.8 Total displacement vector diagram

X方向(水平向右為正)位移與總位移變化情況類似(圖9),較大位移位于邊坡中下部,水平向左最大位移約240 mm,但坡頂處位移相對較小,水平向左最大變形量為100 mm。說明在X方向上的邊坡變形主要受中下部坡體主導,由坡表向深部等值線由疏變密。

圖9 X 方向位移云圖Fig.9 X direction displacement nephogram

通過對Z方向(豎直向上為正)位移變化情況的分析(圖10),得出豎直方向發生較大變形的區域位于上部坡肩處,最大下沉約為170 mm,中下部變形逐漸減小,中部下沉變形量約為100 mm,沉降變形控制部位位于坡肩處,等值線分布形態由坡表向縱深由疏變密。

圖10 Z 方向位移云圖Fig.10 Z direction displacement nephogram

綜上分析,邊坡坡頂和坡體中下部所產生的位移和應力變化較大,屬于變形和力學變化敏感區域。在進行邊坡監測方案設計時,應充分考慮該規律,加強對此區域的監測。

3 邊坡監測

根據數值模擬分析結果,結合2#排土場邊坡體特征,采用GNSS 地表位移監測站組建監測網,對邊坡不同變形階段的三維位移進行監測,并實現全天候監測。

監測測點布設原則:① GNSS 地表位移監測點應布設在影響區域內;② 在地質、地貌特征位置處,應布設監測點位;③ 監測點位應布設在變形特征位置上。

基準點布設原則:① 基準點應設在監測區變形影響范圍以外,通視條件良好并便于保存的穩定位置;② 在礦權邊界線外地質條件穩固可靠的地方設置觀測基準點;③ 監測點距離基準點的直線距離一般不要超過3 km,否則需要增補基準點;④ 同時應兼顧基礎比較穩定且方便使用等方面。

3.1 監測方案設計

根據監測點布置原則以及研究分析結果,對GNSS 地表位移監測進行綜合設計,監測點布設情況如圖11所示。排土場邊坡坡肩位置共布設6 個監測站,邊坡中下部共布設4 個監測站,上下2 排監測站間隔布置組成監測網絡,對排土場全范圍實施覆蓋監測(監測站施工及效果見圖12)。基準站布置在2#排土場東北方向約2.5 km 處的監測房附近,基礎穩定,網絡傳輸信號良好。

圖11 GNSS 地表位移監測點布設圖Fig.11 Layout map of GNSS surface displacement monitoring points

圖12 GNSS 地表位移監測站施工及效果Fig.12 Construction and effect diagram of GNSS surface displacement monitoring station

3.2 監測結果分析

根據GNSS 地表位移監測數據,擬合位移監測曲線(圖13),分析曲線可以看出GNSS-03和GNSS-09監測點處位移較大,其次為GNSS-04和GNSS-08監測點,現場調查發現該區域地表沉降明顯,地面產生張拉裂縫。其他監測區域位移相對較小,現場變形不明顯。現場監測結果與數值模擬情況基本一致,驗證了數值模擬的合理性。

圖13 GNSS 地表位移監測曲線Fig.13 GNSS surface displacement monitoring curve

4 結 論

(1)依托南芬露天鐵礦2#排土場邊坡,運用FLAC3D軟件對排土場邊坡進行了數值模擬計算和分析,通過分析最大主應力計算結果,得出等值線分布狀態與排土場層狀堆積狀態基本一致,潛在滑動面中下部應力變化最快,沿潛在滑動面向下主要受剪切破壞,中上部為張拉破壞,演化過程可以準確描述實際滑坡的破壞過程。

(2)邊坡總位移較大部位主要位于坡體中下部,水平方向較大位移集中在邊坡中下部,坡肩處在豎直方向沉降量大于中下部,根據總位移矢量圖推斷出潛在滑動面近似“弧形”。同時,分析得出變形敏感區域位于邊坡坡頂和坡體中下部。

(3)根據數值模擬研究結果,對2#排土場邊坡監測方案進行優化設計,監測效果良好。