高寒地區邊坡支護參數設計研究

張建明，鄂玉強 ，王筱添

(1.甘肅鏡鐵山礦業有限公司，甘肅 嘉峪關市 735100；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012)

0 引言

我國山地區域的金屬礦山，在開采過程中的相關輔助工程多數布置在地表，山地區域的邊坡是否穩定是關乎地表工程安全的重要因素[1]。影響邊坡穩定的因素主要有邊坡所處環境以及邊坡的支護方式。邊坡失穩的原因也主要是上述因素，當邊坡所處環境為高寒、巖體破碎、含水帶較發育地區，以及邊坡支護不當時，邊坡易發生失穩。邊坡的支護方式主要有抗滑樁、擋土墻、錨索(錨桿) 及格構梁等支擋結構，以此增大邊坡抗滑力[2]。其中，預應力錨索+樁板墻支護是效果較為突出的一種邊坡支護手段，其支護方案設計的關鍵點在于錨索錨固段長度、錨索軸向拉力、錨索布置傾角錨樁嵌入土體長度、錨樁間距等。

針對邊坡支護參數，已有眾多學者開展了相關的研究工作。周志剛[3]對預應力錨索格構梁加固邊坡的優化設計及安全系數計算進行了研究；萬年青等[4]對黃土地區高邊坡應用預應力錨索進行了研究；陳貴庭[5]對巖土工程邊坡治理中預應力錨索技術進行了分析研究。王壯[6]運用數值模擬手段進行對白泥溝蠕滑邊坡穩定性以及支護方式模擬研究；劉一波[7]運用Midas GTS 軟件對分析了錯麼平寨1號邊坡不同工況下的位移、應力等變化規律，并以此提出運用預應力錨索+抗滑樁+格構梁的邊坡支護方案；屈文瑞[8]提出一種改進的界面模擬方法，研究了邊坡錨固系統的作用規律及機理；張盧霞[9]針對季節性凍土邊坡在凍結和融化過程中的穩定性問題以及運用抗滑樁支護此類邊坡進行研究；邵尼華等[10]研究了高寒地區露天邊坡穩定性及邊坡治理技術；劉博帆[11]對高速公路中風化頁巖高邊坡穩定數值模擬分析及防護設計開展了研究；劉泰伶[12]對雙排樁+預應力錨索+冠梁的邊坡支護設計方案進行了一系列深入的模擬分析；張傳等[13]運用FLAC3D對邊坡治理設計方案進行數值模擬驗證分析；陳旭[14]開展了樁墻復合支擋結構在高填方邊坡中的應用及數值模擬分析；孫天祎[15]針對邊坡在不同工況下的穩定性及不穩定因素進行研究，從而得到對于該邊坡更有針對性且支護效果最佳的支護組合；王率[16]運用數值分析方法對前郭縣朝陽村后山滑坡進行穩定性研究及治理設計；趙睿鳴[17]研究得出預應力錨索和抗滑樁在松散堆積體交界面處受力較大，可抵擋松散堆積體沿交界面的下滑力，在預應力錨索各組成因素中，錨索數量對邊坡穩定性影響較大。

在以上學者的研究中，多注重于不同邊坡支護方案的對比設計與模擬研究，對某種特定支護方案參數的選擇研究相對較少。基于此，本研究針對地處高寒地區邊坡的錨索樁板墻支護形式中預應力錨索參數進行選擇研究。為獲取合理可行的預應力錨索參數，通過響應曲面法設計試驗方案，利用GeoStudio 軟件中的Slope 模塊進行模擬試驗，確定最優設計點，對預應力錨索參數進行最優選擇，并通過實例驗證響應曲面法應用于預應力錨索參數選擇的可行性。

1 響應曲面試驗方案

鏡鐵山礦樺樹溝礦區地處甘肅省西部，位于祁連山腹地，礦區內最低海拔3200 m，屬于典型的高寒地區，礦區內部分生產場地邊坡坡度較大，在人工開挖等擾動的情況下有邊坡失穩的風險。因此，為保障后續生產作業的順利進行，有必要對部分邊坡進行支護作業，而支護時所采用的錨索樁板墻中預應力錨索參數如何選擇是亟需解決的問題。

1.1 響應曲面試驗方案

響應曲面法[18]是一種統計學中的試驗方法，其可以對某個隨機過程進行優化，利用Design-Expert軟件對優化對象進行試驗設計，建立優化對象與相關影響因素之間的相關關系，研究通過改變不同的預應力錨索參數組合，建立多種邊坡支護模型，其中，錨索與水平面夾角、錨索錨固段長度、錨索軸向拉力對邊坡支護效果有著較大的影響。本研究設計錨索支護參數范圍為：錨索與水平面夾角為10°～30°，錨索錨固長度為5～15 m，錨索軸向拉力為300～420 kN，基于此，設計了響應曲面法試驗方案，各因素及水平見表1。表中：A為錨索與水平面夾角，（°）；B為錨索錨固段長度，m；C為錨索軸向拉力，kN。

表1 響應曲面試驗方案

1.2 模型建立

由表1 得到 17 種設計方案，通過GeoStudio中Slope 模塊數值計算[19]來比較不同方案的邊坡穩定性，考察采場穩定性的指標為邊坡安全系數。在CAD 軟件中建立邊坡模型，如圖 1 所示。

圖1 邊坡模型

1.3 邊界條件及求解設置

鏡鐵山礦樺樹溝礦區土體特性參數來源于巖土勘察報告[20]，土體分為7 層，各項參數見表2。

表2 土體力學參數

2 數值試驗結果及分析

2.1 數值模擬試驗結果

根據表1 設計的方案，以各影響因素取值為自變量，以安全系數作為評價指標，對比結果見表3。

對比表3 的安全系數數值模擬結果與響應曲面法預測值可知，響應曲面法的預測值與數值模擬試驗實測值變化趨勢一致，預測結果較為可靠，該方法能夠在預應力錨索支護參數優化中應用。

表3 安全系數對比

2.2 數值模擬試驗結果分析

基于響應曲面法的預測值與各影響因素建立二次多項式回歸模型，見式（1）。

式中，D為響應曲面預測值，m。

通過表4 的方差分析結果可知，所建立關于安全系數的模型P值小于0.0001，表明采用的回歸模型高度顯著。根據F值可知，錨索錨固段長度對安全系數的影響最為顯著，其次是錨索預應力的影響，錨索與水平面夾角的影響程度最小。

表4 邊坡安全系數二次多項式模型的方差分析

圖2 至圖4 為錨索與水平面夾角、錨索錨固段長度和錨索預應力3 個影響因素兩兩交互對采場穩定性的響應結果。從圖2 和圖3 可以看出，錨索錨固段長度與安全系數的關系為正相關，即錨索錨固段長度越大，其邊坡的安全系數也越大，邊坡越穩定；從圖2 和圖4 可以看出，錨索與水平面夾角與邊坡安全系數的關系為先增大后減小；從圖3 和圖4 可以看出，錨索預應力大小與邊坡安全系數的關系為正相關，即錨索預應力越大，其邊坡的安全系數越大，邊坡越穩定。

圖2 夾角與錨固段長度對安全系數響應曲面圖

圖3 錨固長度與預應力大小對安全系數響應曲面圖

圖4 夾角與預應力大小對安全系數響應曲面圖

3 邊坡支護參數優化選擇

通過上述分析，各因素對采場穩定性影響程度的排序為：錨索錨固段長度＞錨索預應力大小＞錨索與水平面夾角，各影響因素與邊坡安全系數之間存在相關關系。基于各影響因素與邊坡安全系數的數學模型，可以運用單目標非線性規劃，通過DPS數值分析軟件建立非線性規劃模型，見式（2）。

根據優化模型，采用DPS 軟件計算得出，錨索與水平面夾角為20°，錨索錨固段長度為10 m，錨索預應力為360 kN 是最優的錨索支護參數。

對錨索支護參數進行模擬計算，得出安全系數為1.35，可滿足規范要求[21]，同時在現場施工時，先進行上部邊坡開挖至樁頂高程，一邊開挖一邊安裝擋土板及錨索，直至設計坡腳高程。坡腳位置與原始坡腳基本一致，向北少開挖4.0 m 左右，同時不存在樁后臨時邊坡開挖，減少超挖8.0 m，在上部坡體坡比1∶1、樁頂平臺寬5.2 m 的情況下，坡頂開挖寬度僅為7.2 m，減少10.0 m 左右。

本研究選取的錨索樁板墻支護中的預應力錨索參數可以大大減少坡頂開挖，且無回填工程量，無需對路基及上部坡體進行加固，施工機械化程度高，安全風險小。

4 結論

（1）針對邊坡錨索樁板墻支護中預應力錨索參數進行響應曲面試驗設計，利用GeoStudio 軟件中Slope 模塊模擬邊坡的穩定性情況，并與響應曲面法得出的預測值進行對比，其各方案差值較小，表明響應曲面法應用于邊坡支護中預應力錨索參數選擇具有可行性。

（2）根據所設計的試驗方案，對邊坡安全系數與錨索水平面夾角、錨索錨固段長度與錨索預應力進行分析，得出錨索水平面夾角與邊坡安全系數的關系為先增大后減小；錨索錨固段長度與邊坡安全系數的關系為正相關；錨索預應力與邊坡安全系數的關系為正相關，并建立了邊坡安全系數與3 個影響因素間的數值關系。

（3）根據錨索樁板墻中預應力錨索選取的因素，建立單目標非線性規劃模型，運用數值分析軟件得出錨索與水平面夾角為20°、錨索錨固段長度為10 m，以及錨索預應力為360 kN 為鏡鐵山礦區錨索樁板墻支護的最佳預應力錨索參數。

（4）經過對選取的最佳預應力錨索參數進行模擬計算，得出的邊坡安全系數可滿足規程要求，同時在現場應用中防護穩定性好，工程機械化程度高，開挖、回填量少，環境影響小，施工效率高，施工安全風險小。