南芬露天铁矿排土场高陡边坡稳定性分析及监测设计

王 嘉 王敬翔 张 慧 卜庆涛 董 强 陶志刚

(1.鞍钢集团本钢矿业南芬露天铁矿,辽宁 本溪 117014;2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083;3.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083)

浅埋金属矿山最常见的开采方式就是露天开采。露天开采需要剥离极大量岩土体,而这些岩土体大多采取排土堆积的形式。随着矿山的不断开采,排土场的高度也在持续增高[1-4],出现了大量高陡排土场边坡,滑坡地质灾害风险急剧增多,灾害程度也在不断升高[5-8]。因此,对于排土场高陡边坡的稳定性进行分析和研究也越发重要。

造成排土场边坡失稳的因素是多样的,包括地基强度较低[9],边坡坡角较大[10],外力作用[11]等原因。近些年,国内外学者对于排土场边坡稳定性进行了大量研究。Steiakakis E 等[12]对希腊的南田露天矿外部排土场的破坏过程进行了详细介绍,并通过极限平衡分析的方法以及不同类型的模型对排土场稳定性的影响因素进行了研究。Yin Yueping 等[13]研究了排土场不同阶段土体结构变化对边坡稳定性的影响,并使用LS-RAPID 软件对边坡失稳破坏后造成的滑动效应进行了动力学模拟。张亚宾等[14]基于Geo-studio 软件分析了降雨量不同的环境下,排土场边坡的渗流情况,得出降雨强度以及时间增长会使边坡稳定性系数降低的速度加快。张凯等[15]运用基于有限差分法的FLAC3D软件对高海拔地区排土场进行数值模拟研究,得出了高海拔地区排土场应力和塑性区的分布情况,并对西藏甲玛矿区排土场的稳定性进行了分析和研究。Mzyk T 等[16]对排土场边坡的形成方式及条件等方面展开研究,对复杂条件下所形成的排土场边坡的稳定性进行了分析。王光进等[2]开发出HHC-CA 模型并对西源岭某排土场的散体粒径分布进行分析,运用FLAC3D软件分析了排土场不同堆排情况下的稳定性,得出只考虑堆积散体的强度时,超高排土场粒径分级对排土场的稳定性有着良好优势。郑开欢等[17]建立排土场边坡的有限元分析模型,模拟计算了降雨条件下的边坡稳定分析,得出从降雨初期到降雨结束排土场边坡位移加速度呈现出由快逐渐减缓的趋势。

一般情况下,岩质边坡的变形量是远远小于排土场边坡变形量的,所以通常岩质边坡的监测系统在排土场中不能普遍适用[18-21]。排土场的地表会随着岩土体堆积和排土车运动而不断发生变化,从而导致地表位移计的监测数据发生频繁波动。深部变形监测中的斜测法由于钻孔多点位移计和钻孔倾斜仪等仪器的量程较小,不能进行大面积的监测。

南芬露天铁矿是亚洲最大的单体露天铁矿之一,年产量约1 300 多万t,是本钢集团最重要的自给矿山。2#排土场作为南芬露天铁矿主要排岩场地之一,经过多年排岩生产作业形成了高陡松散堆积体边坡。2000 年至今发生多次滑坡泥石流灾害,严重影响矿区正常生产,属于矿区重大地质灾害风险源。区域内特殊的地质构造及外部不利因素综合作用导致排土场边坡滑坡风险逐年增加。因此,亟需对2#排土场高陡边坡的稳定性和边坡实时监测展开深入研究,确保矿区安全可持续生产。

为了解决2#排土场高陡边坡的稳定性及监测问题,本研究利用FLAC3D数值分析软件进行计算、分析和总结,得到边坡变形和力学变化规律。运用研究结果对监测方案进行优化设计,在现场应用中取得良好效果。

1 工程概况及参数选取

1.1 工程地质条件分析

南芬露天铁矿位于辽宁省本溪市南芬区,属于北温带季风气候区,雨季集中在7—9 月,四季分明。矿区地处华北地台辽东台背斜营口—宽甸隆起的北缘太子河凹陷之中,呈半岛状,主要构造为倒转背斜和NNE 向大断裂。地貌以侵蚀构造中高山地貌为主,地势起伏较大,相对高差一般为300 ～400 m,最大可达500 m,总体地形东高西低,山势近似呈东西走向,沟谷较多,植被稀少。

南芬露天铁矿2#排土场是矿区主要排岩场地之一,在2009—2021 年矿区4 个运营排土场(分别为2#、3#、4#、5#)累计排岩约9.968 亿t,其中2#排土场累计排岩量达到3.688 亿t,占整个矿区排岩量的37%。

2#排土场位于采场矿坑西南侧约2.5 km,排土场南北长约1 700 m、东西宽约900 m,顶部平台面积约150 hm2,如图1所示。

图1 2#排土场地理位置Fig.1 Geographical location of No.2 dump

1.2 典型剖面及参数选取

1.2.1 典型剖面选取

根据地质勘察资料分析及现场调查,2#排土场顶部最大标高约为650 m,边界(坡脚)处标高约290 m,边坡最大高差超过350 m,边坡角约为34°。排土场北侧和西侧边坡几何外观基本一致,因此选取横贯排土场中央近似东西走向的典型剖面1-1'(图2)为研究对象,该剖面近似垂直于西侧长坡面,中间平台跨度较大,因此具有典型代表性。分析其地质构成和地层分布等,得到剖面1-1'对应地层结构剖面图,如图3所示。

图2 2#排土场典型剖面1-1′位置(单位:m)Fig.2 Typical section 1-1′ location profile of No.2 dump

1.2.2 岩土体物理力学参数选取

2#排土场上覆地层主要由采矿生产过程中所产生的矿石废料和风化破碎岩土体堆积形成,下部地层岩土体岩性主要有:震旦系南芬组蛋青色泥灰岩、桥头组灰白色细粒石英砂岩;寒武系碱厂组燧石条带灰岩、毛庄组暗紫色云母质页岩、张夏组结晶石灰岩、徐庄组绿色—紫色砂质页岩以及第四纪坡土等,主要地层分布状态见图3。

图3 剖面1-1′地层结构剖面Fig.3 Stratigraphic structure section of section 1-1′

根据地勘资料以及室内物理实验数据整合分析,得到2#排土场主要地层岩土体物理力学参数见表1。

表1 2#排土场岩土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil in No.2 dump

2 数值模拟

2.1 建立模型

根据剖面1-1'地层结构及岩土体物理力学参数,建立该剖面FLAC3D数值模拟计算的概化模型,如图4所示。

图4 剖面1-1′数值计算模型Fig.4 Numerical calculation model of section 1-1′

2.2 数值模拟计算

采用FLAC3D有限差分数值模拟软件对2#排土场高边坡进行边坡稳定性研究,根据数值模拟计算结果分析排土场边坡应力、应变变化特征,以及最大主应变速率,总结变化规律。

2.2.1 应力分析

如图5所示,根据最大主应力计算结果,分析可知最大主应力等值线分布状态与排土场层状堆积状态基本一致。由最大主应力云图可知,坡顶最大主应力较小、应力等值线稀疏,边坡表面应力为0,由坡表向内,越往地层深处应力越大。

图5 最大主应力云图Fig.5 Maximum principal stress nephogram

根据图6 最大主应变速率云图分析,应力变化最快的区域位于潜在滑动面中下部,此处首先产生剪切裂缝破坏,裂缝持续发育,沿滑裂面向下延伸至坡脚、向上延伸至坡顶贯通,下部主要受到剪切破坏,上部破坏形式表现为张拉破坏,最后形成贯通滑裂面。加之外界环境影响,各种不利因素综合作用极易发生滑坡地质灾害。

图6 最大主应变速率云图Fig.6 Maximum principal strain rate nephogram

2.2.2 位移分析

由图7 总位移云图可以看出,排土场边坡整体发生变形移动,位移较大的部位主要集中在坡体中下部,最大位移约265 mm,其次边坡坡顶部位也发生较大变形,最大变形量约为200 mm,边坡形变的主控部位位于坡体中下部。由坡面向坡体内随着纵深增加位移逐渐变小,位移等值线由疏变密,说明越往深部边坡位移变小的速度越快,这与实际变形情况是一致的。

图7 总位移云图Fig.7 Total displacement nephogram

同时分析总位移矢量图(图8),可以得出排土场边坡滑移方向沿着潜在滑动面近似“弧形”向下。

图8 总位移矢量图Fig.8 Total displacement vector diagram

X方向(水平向右为正)位移与总位移变化情况类似(图9),较大位移位于边坡中下部,水平向左最大位移约240 mm,但坡顶处位移相对较小,水平向左最大变形量为100 mm。说明在X方向上的边坡变形主要受中下部坡体主导,由坡表向深部等值线由疏变密。

图9 X 方向位移云图Fig.9 X direction displacement nephogram

通过对Z方向(竖直向上为正)位移变化情况的分析(图10),得出竖直方向发生较大变形的区域位于上部坡肩处,最大下沉约为170 mm,中下部变形逐渐减小,中部下沉变形量约为100 mm,沉降变形控制部位位于坡肩处,等值线分布形态由坡表向纵深由疏变密。

图10 Z 方向位移云图Fig.10 Z direction displacement nephogram

综上分析,边坡坡顶和坡体中下部所产生的位移和应力变化较大,属于变形和力学变化敏感区域。在进行边坡监测方案设计时,应充分考虑该规律,加强对此区域的监测。

3 边坡监测

根据数值模拟分析结果,结合2#排土场边坡体特征,采用GNSS 地表位移监测站组建监测网,对边坡不同变形阶段的三维位移进行监测,并实现全天候监测。

监测测点布设原则:① GNSS 地表位移监测点应布设在影响区域内;② 在地质、地貌特征位置处,应布设监测点位;③ 监测点位应布设在变形特征位置上。

基准点布设原则:① 基准点应设在监测区变形影响范围以外,通视条件良好并便于保存的稳定位置;② 在矿权边界线外地质条件稳固可靠的地方设置观测基准点;③ 监测点距离基准点的直线距离一般不要超过3 km,否则需要增补基准点;④ 同时应兼顾基础比较稳定且方便使用等方面。

3.1 监测方案设计

根据监测点布置原则以及研究分析结果,对GNSS 地表位移监测进行综合设计,监测点布设情况如图11所示。排土场边坡坡肩位置共布设6 个监测站,边坡中下部共布设4 个监测站,上下2 排监测站间隔布置组成监测网络,对排土场全范围实施覆盖监测(监测站施工及效果见图12)。基准站布置在2#排土场东北方向约2.5 km 处的监测房附近,基础稳定,网络传输信号良好。

图11 GNSS 地表位移监测点布设图Fig.11 Layout map of GNSS surface displacement monitoring points

图12 GNSS 地表位移监测站施工及效果Fig.12 Construction and effect diagram of GNSS surface displacement monitoring station

3.2 监测结果分析

根据GNSS 地表位移监测数据,拟合位移监测曲线(图13),分析曲线可以看出GNSS-03和GNSS-09监测点处位移较大,其次为GNSS-04和GNSS-08监测点,现场调查发现该区域地表沉降明显,地面产生张拉裂缝。其他监测区域位移相对较小,现场变形不明显。现场监测结果与数值模拟情况基本一致,验证了数值模拟的合理性。

图13 GNSS 地表位移监测曲线Fig.13 GNSS surface displacement monitoring curve

4 结 论

(1)依托南芬露天铁矿2#排土场边坡,运用FLAC3D软件对排土场边坡进行了数值模拟计算和分析,通过分析最大主应力计算结果,得出等值线分布状态与排土场层状堆积状态基本一致,潜在滑动面中下部应力变化最快,沿潜在滑动面向下主要受剪切破坏,中上部为张拉破坏,演化过程可以准确描述实际滑坡的破坏过程。

(2)边坡总位移较大部位主要位于坡体中下部,水平方向较大位移集中在边坡中下部,坡肩处在竖直方向沉降量大于中下部,根据总位移矢量图推断出潜在滑动面近似“弧形”。同时,分析得出变形敏感区域位于边坡坡顶和坡体中下部。

(3)根据数值模拟研究结果,对2#排土场边坡监测方案进行优化设计,监测效果良好。