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抚顺西露天矿北帮边坡治理工程效果初步评价
2011-07-25
分析了抚顺西露天矿北帮在水压影响边坡变形特征,对抚顺西露天矿北帮西区W200~W600 高陡边坡倾倒 滑移变形机理进行了数值模拟分析,并对采取的抗滑桩加固工程和疏干减压工程效果进行了评价,为边坡整治工 程设计提供了技术指导和依据。分析结果表明,边坡向斜南翼顺层滑移变形主要集中在第1,2 层,采取相应的治 理工程之后,边坡变形明显减缓。否则,倾倒滑移体的变形深度将深入到第5 层,可能产生沿第5 层直到地表的 整体滑移。最后介绍了部分治理工程实施后的初步实际效果,希望能够对类似边坡的失稳预测及变形控制研究起 到一定的借鉴价值。
第24 卷 第11 期 005 年6 月 岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Vol.24 No.11 2 June,2005 抚顺西露天矿北帮边坡治理工程效果初步评价 1 ,2 2 2 1 2 2 杨天鸿 ,解联库 ,王善勇 ,郑 宏 ,芮勇勤 ,唐春安 ( 1. 三峡大学 土木水电学院,湖北 宜昌 443002;2. 东北大学 资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110004) 摘要:分析了抚顺西露天矿北帮在水压影响边坡变形特征,对抚顺西露天矿北帮西区W200~W600 高陡边坡倾倒 滑移变形机理进行了数值模拟分析,并对采取的抗滑桩加固工程和疏干减压工程效果进行了评价,为边坡整治工 程设计提供了技术指导和依据。分析结果表明,边坡向斜南翼顺层滑移变形主要集中在第1,2 层,采取相应的治 理工程之后,边坡变形明显减缓。否则,倾倒滑移体的变形深度将深入到第5 层,可能产生沿第5 层直到地表的 整体滑移。最后介绍了部分治理工程实施后的初步实际效果,希望能够对类似边坡的失稳预测及变形控制研究起 到一定的借鉴价值。 关键词:岩石力学;倾倒滑移体;变形机理;数值模拟;治理效果 中图分类号:TU 455 文献标识码:A 文章编号:1000–6915(2005)11–1841–06 EFFECT EVALUATION OF DISTORTION FOR NORTH PROJECT OF SIDE SLOPE IN FUSHUN WEST OPEN CAST 1 ,2 2 2 1 2 2 YANG Tian-hong ,XIE Lian-ku ,WANG Shan-yong ,ZHENG Hong ,RUI Yong-qin ,TANG Chun-an ( 1. College of Civil and Hydroelectric Engineering,China Three Gorges University,Yichang 443002,China; . School of Resources and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110004,China) 2 Abstract:By investigating the influence of hydraulic pressure on the deformation of north side slope of Fushun open cast,the slide and inclination deformation mechanism of high steep slope in the area W200-W600 are presented,as well as the evaluation of effect of reinforcement for anti-slide pile and dewatering. The results show that most of the maximum deformation appears in layers No.1 and No.2,and the deformation decreases greatly after being reinforced. Otherwise,the slide depth will get into layer No.5 and this will lead to the slide of the whole layer No.5. Finally,some practice effects are introduced and it can provide references to the prediction and control of failure and instability of the similar slopes. Key words:rock mechanics;toppling-displaced mass;deformation mechanism;numerical simulation; improvement effect 西长6.6 km,南北宽2.2 km,采深约390 m,坡角 1 引 言 25°~30°。矿区北帮边坡由于受浑河水头补给,水 文地质条件十分恶劣。自20 世纪90 年代以来,每 年汛期,由于水压影响致使边坡倾倒滑移变形十分 严重,不但影响矿山运输生产,而且严重威胁紧临 抚顺西露天矿是一座历史悠久、规模宏大的大 型深凹露天煤矿,具有90 多a 的开采历史。采场东 收稿日期:2004–02–16;修回日期:2004–11–28 基金资助:国家自然科学基金重大项目(50490270);国家自然科学基金资助项目(50204003) 作者简介:杨天鸿(1968–),男,博士,1991 年毕业于中国矿业大学,现任教授,主要从事岩石水力学及边坡工程方面的教学和研究工作。E-mail: yang_tianhong@126.com。 • 1842 • 岩石力学与工程学报 2005 年 北帮地面工业建筑设施(抚顺石油一厂、抚顺发电厂) 角47°~52°,上盘为白垩系岩层,下盘为第三系岩 的安全,北帮从20 世纪90 年代开始发生边坡大规 模的倾倒滑移变形,影响之大,范围之广,对矿山 生产和地面建筑物破坏之严重,在全国矿山系统非 常罕见,引起国家各部委的高度重视。1996 年国家 重大安全项目“抚顺西露天矿北帮西区边坡综合治 理工程”得到国家审批并开始实施,针对这一典型 层。F1a 断层走向NE80°~85°,倾角70°~75°,上 盘为太古界鞍山群的花岗片麻岩,下盘为白垩系破 碎砂岩。F1a 和 F1 之间形成一个由白垩系岩层组成 的倒三角岩体,其边界均有软弱的断层泥和断层角 砾岩。 在F1 与F1a 断裂构造作用下,北帮地层产状和 岩体结构受到剧烈影响:(1) 使位于F1 与F1a 之间 [ 1~5] 的具有倾倒滑移变形特征的蠕动边坡 进行大规 模的工程治理,部分抗滑桩工程和排水工程实施后, 的白垩系岩体严重受剪,岩体破碎、裂隙发育、呈 效果良好。因此,本文应用数值模拟方法研究边坡 的变形破坏机制,介绍治理工程及效果,希望能够 对类似边坡的失稳预测及变形控制研究起到一定的 借鉴价值。 碎裂结构;(2) 使位于F1 南侧的第三系地层被牵引 形成不对称向斜及复式褶曲构造,向斜北翼岩层倒 转,南翼岩层倾角平缓,加之绿色泥岩中夹有多层 软弱褐色页岩,有的已形成泥化夹层。 北帮边坡基岩受F1a,F1 断层切割,形成3 大 水文地质单元:一含水单元(以下简称一含)——F1a 断层以北的太古界片麻岩构造裂隙含水单元;二含 水单元(简称二含)——F1a 至F1 断层之间的白垩系 砂岩构造裂隙含水单元;三含水单元(简称三含) ——F1 断层以南的第三系构造裂隙含水单元(见图1)。 2 边坡地质模型 该区工程地质条件比较复杂,如图1 所示。在 北帮上部和厂区南部有F1a 和F1 逆断层通过,均为 压扭性逆断层。F1 断层走向NE80°,倾向北西,倾 + 100 水平位移/m JW63# # 4 水平位移/m # 2 4 Q N 12 8 J4W6 Ar 0 水平位移/m 10 JW6 JW61# 1 4 6 2 2 23 Kl 3 - - 100 200 JW6 5 3 3° F1a E - - 300 400 F1 N400 N500 N600 N700 N800 N900 N1 000 N1 100 N1 200 N1 300 N1 400 矿区坐标/m 图例: 太古界花岗 片麻岩 第四系 第三系地层 (泥页岩煤) Ar Kl 白垩系砂岩 E Q F1a 断层 F1 JW6–5 水压监测孔 1,2,3, 弱层编号 石油一厂 弱层对应 4… 雨季水位 旱季水位 当前境界 最终境界 井采区 33°的移动角 # 放水孔 疏干巷道 当前水 平位移 4 模拟监测线 抗滑桩 疏干和加 固情况 疏干情况 饱水情况 全干情况 图1 W400 边坡疏干工程布设及效果评价 Fig.1 Drainage project distribution and effectiveness appraisal of W400 side slope 第24 卷 第11 期 杨天鸿等. 抚顺西露天矿北帮边坡治理工程效果初步评价 • 1843 • 一含、二含通过第四系冲积层接受浑河定水头 表 1 边坡岩体力学参数表 Table 1 Mechanical parameters of slope rock mass 补给,F1 断层作为越流(弱透水)边界建立起二含和 三含的水力联系。处于F1a 和F1 断层之间的二含为 一饱水岩体,地下水位较高,埋深2~5 m,且季节 性波动不大。三含位于F1 断层下盘,是构成北帮边 坡的主要岩体,是边坡疏干减压的主要区域。 弹性模量 E/MPa 泊松比 粘聚力 c/kPa 摩擦角 密度ρ- 材料名称 玄武岩 3 ) µ ϕ /(°) /(kg·m 10 000 1 200 1 700 1 200 100 0.14 0.29 0.29 0.30 0.40 0.40 0.25 0.20 120 140 200 150 10 35 35 36 30 9 2 800 1 500 2 100 2 300 2 300 1 830 2 300 2 800 煤层 油木母页岩 绿色泥岩 泥化夹层 断层 3 边坡变形破坏模式 F1 断层下盘绿色泥岩体受到 F1 断层以北岩体 100 13 7 的倾倒力作用,而且绿色泥岩中夹有多层软弱的褐 色页岩泥化软弱夹层,同时在此地质体的上部,向 斜北翼岩层倒转,形成倾倒滑移有利条件,其下部 向斜南翼岩层处于顺层状态。褐色页岩中泥化夹层 呈可塑性,具有流变特性。北翼岩体在自重力作用 下发生倾倒,自上而下逐块传递倾倒力,在倒转岩 层倾倒力的作用下,南翼岩层发生沿弱层的顺层滑 移,其结果导致倾倒岩层进一步发生倾倒变形。 目前向斜南翼边坡已经到界,但在北翼倒转岩 层倾倒力的作用下,南翼岩层沿弱层的顺层滑移仍 然不断增加,这种倾倒→滑移→再倾倒→再滑移构 成了北帮边坡倾倒滑移的变形特点,且变形在雨季 发生阶跃式变化。其原因是水位升高不但增大倾倒 滑移体的浮托力,且增加褐色页岩泥化软弱夹层的 含水率,使其蠕变性能增强。 白垩系砂岩 花岗片麻岩 2 000 8 000 58 29 45 150 1 000 m 图2 W400 边坡网格示意图 Fig.2 Schematic diagram for the mesh of W400 slope 表 2 W400 剖面整治工程边坡变形减缓效果评价表 ( 数值模拟结果) Table 2 Evaluation of distortion decreasing effects on project slope of W400 section plane(numerical simulation) 北帮边坡的变形发展规律为水压动态作用下的 [ 6] 蠕动变形过程 ,不但有加速蠕变的发展趋势,而 且同时,随着倾倒–滑移体的大变形发展过程,引 起了牵引主向斜北翼倒转岩体和F1a,F1 断层间的 呈倒三角形的白垩系岩体乃至F1a 断层北侧的花岗 当前边坡 疏干工程 加固工程 全干边坡 饱水边坡 水平位 移监测 绝对 相对 绝对 相对 绝对 相对 绝对 相对 绝对 相对 线编号 位移 位移 位移 位移 位移 位移 位移 位移 位移 位移 / m /% /m /% /m /% /m /% /m /% # # 岩体参与倾倒变形,主滑移变形深度有从 1 ,2 弱 # # # # 1 2 3 4 6.8 100 6.5 3.9 100 2.8 1.7 100 0.9 3 3.1 60 6.2 6 14.2 123 # # [7] 层到3 ,4 弱层的趋势 。 33 47 1.2 0.4 52 47 2.2 0.6 38 11.9 195 53 3.7 121 4 边坡变形数值模拟分析 # 注:4 位移值太小,可忽略不计。 [ 8] 本次应用 FLAC 程序 对北帮西区重点部位 W200~W600 边坡进行了当前状态的模拟。从 1989 年的边坡轮廓到现存边坡轮廓为开挖边界一次完 成。没考虑井工采动影响,考虑 F1 与 F1a 及 1~5 层复式褶曲弱层(泥化夹层)覆存,见图1。分析所用 指标见表1,数值模拟网格见图2,位移数值模拟结 果见表2。 位移矢量的模显著变小,且有明显的突变拐点,拐 点的出现使边坡有沿对应弱层形成整体滑动的趋 势。 4.2 倾倒滑移区的位移特征 边坡水平位移最大的地区在 F1 断层下盘的复 式褶曲区。该区岩体在断层上盘倾倒力作用下沿每 一弱层均有较大的错动。褶曲区虽表现为多层错动, 4 .1 白垩系岩体的位移特征 F1 断层上盘岩体从地表垂直向下的不同深度, 但其中1~2 层位错动显著,且越接近地表,水平位 • 1844 • 岩石力学与工程学报 2005 年 移越大。其中浅部第二层与F1 上盘位移“拐点”处 所形成的倾倒变形底界面倾角为 23°,有连成整体 的趋势。 格位置中设置了4 个刚度很小的锚杆,当作地下位 移监测线,以当前边坡变形值为 100%(模拟计算得 到的位移可能为几米),其他情况下的模拟计算位移 值和当前边坡变形值相比,来对比不同情况下边坡 位移的相对比值。 5 北帮西区边坡治理工程 6 .1 当前边坡位移情况 5 .1 抗滑桩工程 对于这种情况,边坡向斜南翼顺层滑移变形主 抗滑设计为工字钢混凝土抗滑桩(工程布置见 要集中在第1~2 层,其变形值比第3 层大2 倍以上。 图2 所示,走向范围为W200~W600,共计400 m), 其中第 2 层倾倒滑移所对应的地面变形深度如图 3 每根桩提供的抗滑力为722.2 kN。桩径(孔径) d = 600 mm,间距:2.5 m,排距:2.0 m。在-30 m 平面施 所示,该层位处所形成的倾倒变形底界面倾角为 23°,这和通过观测资料分析的结果基本一致。 6.2 疏干工程实施后的位移情况 # 工,共 14 排。抗滑桩的设计依据:以第 2 弱层为 滑面,应用极限平衡推力法,计算稳定性系数F .25 时提供的抗滑推力和桩的间排距。一期工程共 施工975 颗桩。 s = 采取水平放水孔与疏干巷道联合工程之后,边 # 1 坡变形明显减缓。从1 监测线看,第2 层以上滑移 变形没有减缓,但第 3~5 层滑移变形得以明显减 小。其原因是疏干前后水位的波动范围在第2 层之 5 .2 疏干减压工程 # # 采用水平放水孔对边坡进行疏干减压,其孔径 下。对比2 和3 监测线,地表水平位移分别减小了 # 8 9~108 mm。放水孔在边帮上按棋盘式排列,水平 33%和 47%。4 监测线位于 F1a 上盘,对整治工程 间距均为50 m,孔深150 m,分为+30,-80,-108, 和饱水边坡等各种情况,变形波动很小,几乎不受 -200,-250 m,共5 个水平面(见图3)。 影响。 在-150 m 水平的W600,W400,W200 剖面处 6.3 加固工程实施后的位移情况 分别向北开掘平硐。其中W200,W600 平硐向北掘 至N750 和N950,分别向东西掘进使各平硐贯通, 形成东西方向的疏干巷道,巷道内施工仰角放水孔。 加固到第2 层,第2 层以上的边坡变形明显减 小,终止到整治前第3 层的位移值。但是第2 层以 下,滑移变形依然存在,且略微有一些增加,表明 # # 第2 层加固后推力向深部转移。从2 监测线看,加 疏干工程的目的是使边坡水位降至4 弱层之下。 固后从地表向下其影响深度范围内的变形都有所减 [9] 边坡整治措施变形数值模拟预测 缓,其中地表处减小 52%,对比疏干后减小了 19 6 # 个百分点。从3 监测线看,加固效果只波及到这个 位置为止。 采用FLAC 程序模拟W400 剖面边坡,在当前 6 .4 饱水边坡和全干边坡的情况 水位状态、暴雨期饱水边坡状态、全干边坡状态以 及采取疏干工程、加固工程等不同情况下边坡体在 滑移区、倾倒区的不同位置深度的变形位移特征, 区分出边坡变形减缓效果的差别。这里需要说明的 一点是:开挖引起岩体的移动是一种随开挖速度和 模拟边坡饱水和全干2 个极限状态的情况。当 边坡饱水时,坡表位移量比当前状态又增加1.5 倍, 倾倒滑移深度将深入到第5 层,可能产生沿第5 层 直到地表N1300 位置的整体滑移,该层位处所形成 的倾倒变形底界面倾角为 33°。而全干边坡的情况 [10] 部位变化引起的逐次的移动和变形的复杂过程 ,这 次模拟在分析处理过程中,认为边坡从1989 年的轮 廓一次开挖到当前边坡轮廓,由FLAC 程序模拟计 算得到的位移(水平位移)量可达几米,计算得的边 坡位移量是累计位移矢量值,而实际边坡位移监测 数据没有这期间的累积结果。所以本文主要研究边 坡体处于不同情况下(暴雨、疏干、加固等情况)的 位移量相对比值,目的是用定量结果来定性地研究 治理措施对边坡变形减缓的效果。如图3 所示,模 拟分析时,在坡表和地表不同地方所对应的计算网 # 下,边坡变形界于疏干和加固情况之间。从2 监测 线看,全干边坡只比疏干边坡效果减缓5 个百分点。 7 实际效果评价 +30 m 水平放水孔1996 年7 月竣工,主要疏降 F1 断层上盘二含水单元白垩系砂岩裂隙水,减小 F1 断层的越流补给水量。观测资料表明,平均每组 3 涌水量从竣工初期的500~900 m /d减小到50~100 第24 卷 第11 期 杨天鸿等. 抚顺西露天矿北帮边坡治理工程效果初步评价 • 1845 • N1 200 73.93 7 3.42 71.64 8.95 6 9.56 图例: -79.48 N 5 5 5.97 4 9.78 坡顶线和标高 坡底线 4 9.39 47.10 N1 100 4 9.95 44.34 4.23 16.15 3 4.29 2 3.21 2 3.47 2 2 2.20 1 5.54 17.09 1 0.15 F1 断层 8 .52 7 .20 7.57 N1 000 N900 - 1.39 - 5.03 -4.61 -3.79 -15.82 -30.10 -31.48 阶梯 - 17.53 27.52 28.61 -16.89 -14.89 -26.27 - - 24.84 -26.01 - 抗滑桩 疏干巷道 -39.86 -40.64 52.16 - -54.94 - 50.90 -65.81 -63.56 - 77.25 - 79.48 -80.15 -80.10 - 95.67 N800 放水孔 -105.69 -107.14 - 107.26 121.75 - 107.55 - - 121.22 - 123.96 -122.41 - 137.70 -136.31 - 136.65 - 152.81 W4–5 监测孔 - 151.76 -152.12 N700 W600 W500 W400 W300 W200 注:图中坐标为矿区坐标及高程均以 m 计。 图3 矿区平面图 Fig.3 Plane of mine region 3 m /d,趋于稳定。观1 孔水位下降3~5 m。 80 m 水平放水孔从1995 年3 月提前施工,1996 1/3,没有达到预计效果(水位降至-100 m 水平)。其 主要原因是-150 m 疏干巷道没有施工,难以降低边 坡深部水压。 - 年-108 m 水平放水孔开始实施,主要疏降三含水单 元倾倒滑移体中的裂隙水,确保水位降至 1996 年抗滑桩开始施工,到1998 年初,抗滑 桩工程完成 419 颗,约占总数的 42.97%。在 1996 年大孔径钻孔施工期间,由于钻孔施工时大量泥浆 进入边坡岩体,工程的不利作用十分显著,局部边 坡变形一度没有减小,反而增大. -80~100 m 水平。从涌水量统计结果分析,-80 m 3 水平放水孔平均每组涌水量在10~100 m /d 左右, 原因是水头压力较小。疏干后水位平均下降20~ 3 0 m,观3 孔水位从-17.5 m 降到-43.7 m。-108 m 3 水平放水孔平均每组涌水量在300~800 m /d 左右, 几天后水量迅速减小。-80 和-108 m 水平放水孔是 保持顷倒滑移体局部边坡稳定的关键工程。同时还 要疏排上部-30 m 水平抗滑桩工程钻孔施工时进入 岩体的大量泥浆。 1995 年完成的-80 m 水平放水孔实施后,边坡 年平均位移速度照比1994 年有大幅度的减小,1994 年W2–7 测点的位移速度为7.28 mm/d,1995 年为 4.15 mm/d。而雨季的位移速度减小的幅度更大,以 7 段(+0 m)的 W2–7 测点的雨季位移速度为例, 1994~1997 年汛期的位移速度分别为29.45,13.86, 9.72,15.0(1996 年该点略有增加,抗滑桩工程的不 利效应引起)及6.04 mm/d。可见除个别点外,边坡 变形速度总体上有所减缓。可见,虽然目前工程没 有按照设计要求全部施工,但初步的效果已经体现 出来。 - 184 m 水平 W300~W700 区间水平放水孔 3 1 997 年底竣工,平均每组涌水量在900~1 200 m /d 左右。-152 m 水平W200~W400 区间水平放水孔 1 998 年竣工,平均每组涌水量没有及时监测。-150 m 疏干巷道没有施工。 上述疏干工程实施后,水位下降只有预计的 • 1846 • 岩石力学与工程学报 2005 年 China Coal Industry Publishing House,1993.(in Chinese)) 8 结 语 [ 5] 申 力,刘晶辉,江智明. 倾倒滑移变形体的基本特征及力学模型 研究[J]. 水文地质工程地质,2000,2(27):20–22.(Shen Li,Liu Jinghui,Jiang Zhiming. Basic character and mechanical model of toppling-displaced mass[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 抚顺西露天矿在矿山建设过程中,由于生产规 模较大、地质构造复杂、岩性变化大等不利条件, 北帮从20 世纪90 年代开始发生边坡大规模的倾倒 滑移变形,影响之大,范围之广,对矿山生产和地 面建筑物破坏之严重,在全国矿山系统非常罕见。 通过大规模的疏干排水工程和局部小范围的抗滑治 理工程措施,边坡稳定性显著提高,大滑坡将得到 根治,这已经从实际的变形观测资料得到了初步验 证。整个工程的最终效果有待今后验证。 2 000,2(27):20–22.(in Chinese)) [ [ 6] 马新民,霍起元,芮勇勤. 露天煤矿边坡工程研究[J]. 露天采煤技 术,1995,8(1):2–7.(Ma Xinmin,Huo Qiyuan,Rui Yongqin. Slope engineering of open-pit coal mine[J]. Opencast Coal Mining Technology,1995,8(1):2–7.(in Chinese)) 7] 杨天鸿,唐春安,郑雨天,等. FLAC 程序在抚顺西露天矿边坡变 形治理工程中的应用[J]. 地质灾害与环境保护,1999,10(3):6– 模拟分析和实际观测表明,该区特殊的地质构 造使得工程对于地面的变形作用十分有限,所以坑 下、地面同步连治措施才能最终解决“厂矿双保” 的最终目标。 1 2.(Yang Tianhong,Tang Chun′an,Zheng Yutian,et al. Application of the FLAC to the distortion treatment project of Fushun west open cast side slopes[J]. 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