GNSS技術在露天礦山順層邊坡監測中的應用

胡世士,肖云華,文韜,魏紅年,李偉

(1.葛洲壩興山水泥有限公司, 湖北 宜昌市 443701;2.北京洛斯達科技發展有限公司湖北分公司, 湖北 武漢 430074;3.武漢理正工程科技有限公司, 湖北 武漢 430070)

0 引言

順層巖質邊坡的巖層和節理相對復雜,由于滑面一般位于坡體內的軟弱結構面處,軟弱結構面本身力學性能較差,在降水以及爆破擾動的雙重影響下,軟弱結構面強度降低、抗滑力減弱,使得邊坡內的巖體沿某一軟弱結構面產生滑移[1],導致坡體變形破壞,發生滑坡事故。據不完全統計,露天礦滑坡事故中,受順層巖質邊坡結構影響的滑坡約占滑坡總數的60%以上。這些持續發生的順層巖質邊坡滑坡事故,不僅嚴重威脅礦山企業的正常運營,也對從業人員的生命安全構成了重大威脅。為確保邊坡安全,除完善邊坡支護以外,對邊坡工程的穩定性及安全狀態進行監測、評價也十分重要[2]。為此,國內外學者研究了一系列可應用于邊坡安全監測的技術,見表1[3- 4]。

表1 邊坡變形監測技術

王立文等[5]對真實孔徑雷達和合成孔徑雷達的技術原理、參數進行分析,研究表明,真實孔徑雷達適用于大傾角的邊坡,合成孔徑雷達適用于弧度小的低邊坡。于淼等[6]根據MSR地基邊坡雷達特性,根據實例探究了其在邊坡監測中的適用性,發現其毫秒級變形監測精度可以為邊坡安全評價提供有效數據支撐。譚捍華等[7]對比了TDR(Ti me Domain Reflectometry)技術和傳統測斜技術在不同環境下監測剪切變形的效果,結果表明,TDR技術具備快捷、安全、準確的優點,適用于邊坡變形監測。張金鐘等[8]采用自動式全站儀,通過合理布設監測點位,設置監測指標安全閾值,實現了露天礦邊坡的安全監測。

與其他位移監測技術相比,GNSS(Global Navigation Satellite System)技術具有定位精度高、全天候實時作業、監測用時短、數據解算速度快、抗干擾能力強、各個基站之間不需要通視等顯著優點[9-10]。因此,本文采用GNSS監測技術,以塘埡石灰石礦邊坡工程為實例,綜合分析現場破壞現象及變形監測數據,對該礦山邊坡的安全狀態及穩定性進行評價。

1 工程地質條件

1.1 工程概況

塘埡石灰石礦設計年產石灰巖108萬t,可采礦量為1300萬t。該礦山地質構造復雜,存在順層邊坡、斷層、巖溶、軟弱夾層以及層間錯動帶等不利因素,影響邊坡穩定性,并由于支護工作不到位及爆破擾動,邊坡曾出現多處塊體坍塌、變形、平臺局部下沉和塊石崩落的現象,給礦山生產和終了邊坡的穩定帶來重大安全隱患。

1.2 工程地質評價

由于邊坡規模較大,地質條件不均一,對礦區邊坡進行了分段調查,根據邊坡穩定性影響因素的不同將邊坡劃分為8段,各區平面位置和規模如圖1所示。

圖1 塘埡礦邊坡各區域位置示意

第1段位于邊坡最南部,邊坡高程從1062 m至1132 m,區段長度約為58 m,傾向333°,平均坡度為67°,發育3條斷層,主要為西南走向;巖體完整性較好,無明顯不良地質現象,該段邊坡為基本穩定邊坡。

第2段位于邊坡南部,邊坡高程從1062 m至1132 m,區段長度約為48.6 m,傾向289°,平均坡度為65°,發育多條斷層,主要為西北走向;該段有大量爆破堆積體,同時存在大面積巖溶和危巖,巖體切割強烈,該段邊坡為欠穩定邊坡。

第3段位于邊坡坍塌體南邊1/3處,邊坡高程從1062 m至1132 m,區段長度約為46 m,傾向289°,平均坡度為64°,發育兩條斷層,主要為西北走向;巖體較破碎,被多組裂隙切割,巖溶較發育,該段邊坡為不穩定邊坡。

第4段位于邊坡坍塌處,邊坡高程從1062 m至1132 m,區段長度約為35.9 m,傾向293°,平均坡度為66°,發育兩條斷層,主要為西北走向;巖體較完整,該段邊坡為欠穩定—基本穩定邊坡。

第5段位于邊坡中部沖溝段,邊坡高程從1062 m至1132 m,區段長度約為77.8 m,傾向267°,平均坡度70°,發育多條斷層,主要為西北走向;巖體很破碎,被多組裂隙切割,邊溝的存在導致該段巖溶很發育,該段邊坡為不穩定邊坡。

第6段位于邊坡北部爆破堆積體對應區域,邊坡高程從1062 m至1132 m,區段長度約為83.6 m,傾向265°,平均坡度為66°,發育多條斷層,主要為西北走向和西南走向;巖體雖較完整,裂隙不發育,但巖溶較發育,尤其在該段南部1132平臺以上存在大面積巖溶區,該段邊坡為欠穩定邊坡。

第7段位于邊坡北部崩塌體和爆破堆積體之間,邊坡高程從1076 m至1132 m,區段長度約為58.7 m,傾向268°,平均坡度為65°,發育多條斷層,巖體較破碎,被多組裂隙切割,貫穿裂隙較多,同時該段南部存在一較大危巖體,巖溶不發育,該段邊坡為欠穩定-基本穩定邊坡。

第8段位于邊坡最北部,邊坡高程從1076 m至1132 m,區段長度約為67.8 m,傾向252°,平均坡度為67°,發育多條斷層;巖體較松散破碎,被多組裂隙切割,貫穿裂隙較多,同時該段北部存在一較大危巖體被兩組斷層切割,對安全性影響較大,巖溶較發育,該段邊坡為不穩定邊坡。

2 GNSS監測結果及數據分析

在塘埡礦以往的開采作業中,局部邊坡由于邊坡角較大、工程地質條件較復雜,加上受到爆破擾動的影響,發生垮塌事故,造成大量碎石堆積,部分平臺尚有危巖存在;同時中部邊坡后緣已經完全開裂,可能發生大規模下滑。為解決邊坡失穩問題,礦山開展一系列邊坡治理工作,在此基礎上,采用GNSS在線監測技術對2～8段邊坡進行表面位移監測,以保障邊坡安全。

根據整體穩定性監測為主、局部穩定性監測為輔、突出監測重點部位的原則,現場共布設21個監測點,各監測點的平面位置分布如圖2所示,其中WY06監測點為基站點,設置于非變形區。監測點區域的劃分見表2。

圖2 塘埡礦山監測點位布置

表2 監測點區域劃分

對塘埡礦2021年10月至2022年3月共計6個月的邊坡變形監測數據進行分析,繪制出圖3至圖9所示的邊坡位移、沉降曲線。

由圖3至圖8可知,塘埡礦第2段、3段、4段、6段、7段邊坡的水平位移曲線在-4～＋4 mm區間波動,數據主要位于-2 mm～＋2 mm之間,沉降位移波動區間為-6 mm～＋8 mm。區域內相鄰點位的數據重復率較高,說明同區域內不同位置的位移變化相對較小。第2段、3段、6段是工程地質評價中巖體較破碎、巖溶較發育的欠穩定和不穩定邊坡,監測數據表明,這些區域水平位移和沉降位移數據波動較小,均在安全范圍之內,可見這些區域的邊坡治理工作取得了良好效果,邊坡整體穩定性較好。另外,觀察所有監測點位的沉降位移可知,曲線于11月至2月份波動較為明顯,原因為冬季氣溫驟降,引起土發生了凍脹,導致11月至2月份沉降數據變化趨勢較大,隨著3月份氣溫逐漸穩定,沉降數據變化趨勢減緩。

圖3 第2段邊坡水平及沉降位移曲線

圖4 第3段邊坡水平及沉降位移曲線

圖5 第4段邊坡水平及沉降位移曲線

圖8 第7段邊坡水平及沉降位移曲線

圖7 第6段邊坡水平及沉降位移曲線

由圖6可知,第5段邊坡的水平位移在-6～＋6 mm區間波動,高于其他段邊坡,沉降位移的波動范圍為-8～＋18 mm,可見引起該邊坡位移的主要因素是沉降作用。考慮到第5段邊坡為巖體破碎、巖溶發育的不穩定邊坡,且沉降位移較大,建議將第5段邊坡列為重點監測對象,以確保該區域的穩定與安全。

圖6 第5段邊坡水平及沉降位移曲線

由圖9可知,第8段邊坡的水平位移在-6～＋5 mm區間波動,沉降位移波動區間為-16～＋10 mm。第8段邊坡相鄰點位的數據重復率較低,說明該區域不同點位之間的位移變化較大,考慮到該區域巖體破碎,發育多組斷層、裂隙和巖溶,且監測數據表明,該區域邊坡變形較大,建議加大對該區域的觀察力度,以確保邊坡安全穩定。

圖9 第8段邊坡水平及沉降位移曲線

3 結論

(1)第5段、8段邊坡受較發育的節理裂隙、巖溶和斷層影響,較其余段邊坡更容易發生變形。塘埡礦各段邊坡的沉降位移均大于水平位移,說明造成邊坡變形的主要原因為沉降作用。

(2)11月至2月之間,氣溫驟降,邊坡巖土體受到凍脹作用,各段邊坡的水平位移和沉降位移變化均較大,第5段邊坡由于巖體破碎、土質松散,受凍脹作用的影響更為顯著。

(3)塘埡礦第2段、3段、4段、6段、7段邊坡水平及沉降位移波動小,且區域內相鄰點位的數據重復率高,同區域內不同點位之間的位移變化較小,說明這些監測區域內邊坡的整體穩定性較好。第5段、8段邊坡的地質條件復雜,且沉降位移較大,建議加大對這兩個區域的監測力度。