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采石场双面边坡稳定性分析
2013-10-18
采石场双面边坡稳定性分析。
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     边坡失稳通常发生在一定的地质背景条件下的,是由于某些诱发因素的激发而导致的。尤其是在天气恶劣的情况下和地质活动很频繁的时期,大量的降水和地震是通常造成边坡失稳的主要原因。“5.12”汶川地震及降雨中诱发的各种滑坡灾害,这也促使降雨及地震条件边坡稳定性分析与安全评价日益成为国内外岩石工程与防灾减灾工程研究的热点。鉴于此,本项目主要做的是对砖厂进行安全评价,重点在对其周围的边坡稳定性分析,尤其是在降雨和人工爆破的情况下对边坡稳定性的分析计算。结合该砖厂的具体工程实践提出在降雨或者人工爆破震动的情况下对边坡稳定的防治方案。

【案例分析】

某采矿场边坡坍塌 埋死3人

2003年10月31日16时10分,位于大连市甘井子区的大连FH石材厂,发生边坡坍塌,3名正在作业的矿工被坍塌的矿石掩埋致死。

一、事故详细经过:

    2003年10月31日上午,某采矿场,郝AA安排矿工陈*清理采矿场二层台面的运输道,董*在同一层操作潜孔钻机打眼,凿岩工刘*、朗*清理采场坡面的浮石,陈*驾驶挖掘机在三层台面清理矿石。当工作进行到16时10分左右,凿岩工刘*、朗*正在清理浮石的第二台阶与第三台阶之间的边坡突然坍塌(坍塌的矿石约4800立方米),将两人和正在坡面下方第三台阶进行作业的陈*及驾驶的挖掘机一同埋在矿石中。事故发生后,经全力抢救,在坍塌的矿石中找到了陈*、刘*、朗*三人的尸体。

二、事故原因分析

    (一)直接原因

    1.FH石材厂采矿场的南部,矿岩节理比较发育,小的断层较多,而发生坍塌的梯段坡面因接近地表风化作用强,在断层面上沉积的泥质填塞物,因潮湿而减小断层面的粘着力,加上坍塌岩体断层面的坡角为35度,较岩层的倾角(20度)大,其在横断面上的重心与其在台阶坡面上支撑点间的坡角约50度左右,远大于岩石的自然安息角(37-38度),致使这部分矿岩产成自然下滑的作用力,当该力大于断层面上的粘着力时,使矿岩产生顺层滑动,是造成此起重大死亡事故发生的直接原因。

    2.FH石材厂在采石场南部的的采矿活动,将发育的矿岩小的断层揭露了出来,在断层下方进行正常的采矿和爆破作业破坏了岩体的支撑,在潜孔机钻孔和挖掘机铲装作业的振动下,加速了处于不稳定的矿岩发生了顺层滑动,是造成此起重大死亡事故发生的另一直接原因,也是事故发生的主要原因。

    (二)间接原因

    1.FH石材厂缺乏矿山地质、采矿、爆破的专业技术人员,对坍塌部分地质构造情况比较特殊,可能发生边坡坍塌事故,认识不足,重视不够。也没有制定边坡安全管理的规定和防止边坡坍塌事故发生的措施。

2.FH石材厂对采矿现场的安全管理有漏洞。

3.YG村村民委员会在将富华石矿租赁经营后,对矿山开采的安全生产工作监管不到,使所属矿山近几年多次发生伤亡事故,也是造成此起重大死亡事故发生间接原因之一。

结论:由此,我们看出,采石场边坡的稳定性是十分重要的,它关系到财产和人员的安全问题,不容忽视。

A.该砖厂的环境地质条件

本项目所在地什邡市位于德阳市西南部,成都市西北部之间,距成都市60公里、德阳市20公里。南距成都市50km余,该厂周围主要是双面边坡,属双层边坡,层岩质边坡坡底线至第一层坡顶线高 H = 7.5 m;第一层坡顶线距离第二层坡顶线高H = 7.5 m坡角β=60°边坡岩体为白云质灰岩 ,坡脚底一层得层理面倾角为 α =20°,第二层的层里面倾角α =38°

边坡岩体力学参数和层间力学参数分别见表 1,表 2。

表 1  边坡岩体力学参数

表 2  层间力学参数

该采石场的边坡的简单结构图

B.初步分析

上面的滑动面的倾角大于结构面内摩擦角,即,设,则其上岩块体有下滑的趋势,因为两个滑动面相互接触,从而通过接触面将力传递给下面的块体,今称上面的岩块体为主动滑块体。再分析下面边坡滑块,下面的潜在滑动面的倾角由于受到水的影响,其值具有很大的不确定性,很大程度上与结构体受水的侵入程度影响,其值可能处在摩擦角,即在大小上具有不确定性,按原理下面的块体是致滑动的或者不可滑动再有就是临界状态,但是它受到了上面滑动块体传来的力,使可能滑动的可能性加大,今称下面的岩块体为被动滑块体。为了使岩体保持平衡,必须对岩体施加支撑力,该力与水平线成角。假设主动块体与被动块体之间的边界面为垂直,对上、下两滑动体分别进行图所示力系的分析,可以得到为极限平衡而所需施加的支撑力:

    

  式中、以及分别为上面滑动面、下滑动面以及垂直滑动面上所用的摩擦角;分别为单位宽度主动和被动滑块体的重量。

    为了简单起见,假定所有摩擦角是相同的,即

    

如果已知之值,则可以用下列方法确定岩坡的安全系数:将岩体结构面上的设计彩的内摩擦角值(或)与之比较,用下列公式确定安全系数:

                       

C.模型建立及计算

      

 如上图所示,该采石场是属于双面坡结构,对于该模型进行初步分析,我们按照如图所示将该双面坡分分为M1、M2、M3这三个小的滑块,对于这三个共同作用的滑块,之间的互相作用,可以用一下简化的计算方式得出:

首先,对于该模型,边坡岩体为白云质灰岩,分为三个小的相互作用的滑块,其面积记为:S1=36㎡  S2=48.17㎡  S3=46.33㎡ 取该岩石的容重γ=24.6 KN/m3,我们为了方便,假设该模型的横向宽度为单位一,那么可以计算出每个滑块的重力为:W1=885.6KN W2=1184.98KN  W3=1139.72KN , 假设这个模型具有相同的摩擦角,         即Φ1=Φ2=Φ3=27.5°则,摩擦系数tanΦ=0.52,同样我们取岩体滑面的内聚力相同即,C1=C2=C3=0.04MPa ,滑动面长度L1=12.18m L2=9.59m L3=12.34m,对于该模型的边坡结合该采石场的作业特点,总共存在四个比较突出的工况点,对于每个工况点都是该采石场的危险状态,我们只要对这四个危险状态下采石场边坡的稳定性进行分析,我们就可以得出该采石场边坡所处的状态,也更能够反映该采石场边坡是否构成危险源,是否应该采取必要的安全措施来保证作业的安全。

工况点一:对于边坡,处于自然状态下,即,没有外界的干扰下,对于该边坡是否处于稳定状态呢?这个是最核心的一种状态,如果在自然条件下都不是稳定的状态,那么在外界的干扰破坏下,这个边坡基本无法维持其状态,必然发生边坡的滑动,造成巨大的财产损失和人员伤亡。这里,我们对三个滑块进行受力分析,并且借助于前面的理论计算公式可得出如下计算:

图-每个滑块自然状态下的受力分析

根据公式,FX=CX×LX+Nx tanΦ  Nx= sinα F1′= cosα n= Kx/ Kx′

Fx----------滑动面抗滑力,(kn)

Fx′--------滑动面下滑力,(kn)

α----------重力与滑动面夹角,(°)度

n-----------安全系数

Nx----------滑面岩体垂直作用于滑面力,(kn)

Kx----------该滑坡体所有抗滑力之和,(kn)

Kx′--------该滑坡体所有下滑力之和,(kn)

对于工矿点一,F1= C1×L1+N1 tanΦ  N1=sin52°×W1=697.86kn F1=363.37kn  F1′= 545.23kn 同理,

N2= 1113.52kn F2=579.41kn  F2′= 405.29kn  N3= 1070.99kn  F3=557.41kn  F3′= 389.81kn     K1=F1+F2+F3=1500.20kn   

K1′=F1′+F2′+F3′=1340.33kn   n1=K1/K1′=1.11927

结论:由最后的边坡安全系数可以看出,该边坡在自然条件下是比较稳定的,抗滑力足够大,不会构成危险源。但是从另一个方面可以看出,该边坡的安全系数偏低,那么在实际的生活中应该加强对边坡的管理养护,并且加强巡查,应该针对该边坡制定相应的应急救援预案。

工矿点二:工矿点一已经得出该边坡在自然条件下是稳定的,那么对于在特殊时期自然条件下是否任然稳定呢?我们知道,大部分滑坡、泥石流都是由于持续的暴雨导致的,因此,水灾就成为我们考虑该边坡稳定的最为重要的因素了,该边坡有两个裂隙,对于上面裂隙一在持续降雨的条件下极容易充水,水会导致裂隙结构面的内聚力下降,这里我们讨论最不利情况下,即,裂隙完全充水,则C1=0 ,同样,按照上述的方法(这里计算省略,图纸与工矿一相同,后面提供数据)可以算出,n2=1.11891。

结论:由n2可以看出,在上部裂隙完全充水的情况下,该边坡任然稳定,水对于该滑坡体的影响很小,基本上可以忽略不计,但是我们应该尽量防止裂隙充水,致使裂隙进一步扩大,影响下部裂隙,我们也应该制定必要的方法来防止裂隙充水,使该边坡更稳定。

     工矿点三:本矿山主要采用的是深孔台阶式微差爆破开采工业,那么对于边坡,在爆破过程中炸药的冲击波会对边坡造成很大的冲击作用,由于边坡存在自有的结构面,加上爆破作用有个抛掷作用,我们考虑在该边坡M2滑块上横向施加一个向外的抛掷力(拉力),此时抛掷力的大小,一般根据经验取R2=0.15W1,那么该边坡的受力分析为(如下图所示):对于工矿点三,F1= C1×L1+N1 tanΦ  N1=sin52°×W1=697.86kn F1=363.37kn  F1′= 545.23kn  对于M2滑块受力为:R2=0.15W2=177.75kn   N2= W2sin70°-R2sin20°=1073.25kn   F2=558.47kn   F2′= cos70°W1+cos20° R2=572.29kn

N3=1070.99kn  F3=557.41kn F3′=389.81kn  K3=F1+F2+F3=1479.26kn  

K3′=F1′+F2′+F3′=1507.33kn   n3=K3/K3′=0.98138

结论:最后n3=0.98138<1,说明该边坡存在危险,即,抗滑力不足以阻止其下滑,那么,该边坡已经构成了一个危险源,在这样的情况下,首先必须控制好一次爆破的药量,多次弱爆破,减少强爆破的次数,对边坡必须人工的加固,采取人工打桩、预应力锚固或者混凝土挡墙和支墩加固的办法来加强其承载能力和冲击能力。

工矿点四:同工矿三一样,由于本矿才去的是台阶爆破,工矿三分析了对上台阶爆破作用的影响,下面分析爆破作用对下台阶爆破作用的影响。那么对滑块M3施加一个水平的力R3=0.15W3,同理,该边坡的受力分析如下图所示:

对于工矿四:F1= C1×L1+N1 tanΦ  N1=sin52°×W1=697.86kn F1=363.37kn  F1′= 545.23kn  同理,N2= 1113.52kn F2=579.41kn  F2′= 405.29kn 对于M3滑块受力为:R3=0.15W3=170.96kn   N3= sin70°W3-R3sin20°=1012.52kn   F3=527kn   F3′= W3cos70°+ R3cos20° =550.46kn  K4=F1+F2+F3=1469.79kn  

K4′=F1′+F2′+F3′=1500.98kn   n4=K4/K4′=0.97922

结论:同样,爆破作用在下部时,该边坡依然不稳定,有相当大的滑坡危险,而且较工矿三,更严重一点,因此,当在爆破下部台阶的时候在减弱爆破震动的同时还必须做好边坡的监察,边坡的维护就显得更为重要了。

四个工矿点数据

D.几点建议及结论

1. 边坡处理的一般方法

    对于潜在的大规模岩石滑坡,应当加强观察,确定它们的特性和估计它们的危险性。潜在的岩石滑坡,一方面可用仪器来监视;另一方面可通过边坡的表面现象来判断分析,例如,树木斜生,弧立的岩石开始滚动或滑动,坡脚局部失稳等等都是可能发生滑坡的预兆。

    (1)用混凝土填塞岩石断裂部分

    岩体内的断裂面往往就是潜在的滑动面。用混凝土填塞断裂部分就消除了滑动的可能。在填塞混凝土以前,应当将断裂部分的泥质冲洗干净,这样,混凝土与岩石可以良好地结合。有时还应当将断裂部分加宽,再进行填塞。这样既清除了断裂面表面部分的风化岩石或软弱岩石,又使灌注工作容易进行。

    (2)锚栓或预应力锚索加固

    在不安全岩石边坡的工程地质测绘中,经常发现岩体的深部岩石较坚固,不受风化的影响,足以支持不稳定的和某种危险状况的表层岩石。在这种情况下采用锚栓或预应力锚索进行岩石锚固,很为有利。

    一般采用抗拉强度很高的钢杆来锚固岩石,其道理是很明显的。钢质构件既可以是剪切螺栓的形式,垂直用于潜在剪切面,也可以用作预拉锚栓加固不稳定岩石。过去锚栓的防锈存在严重的问题,但是目前已经取得了重大的进展。

    (3)用混凝土挡墙或支墩加固

    在山区修建大坝、水电站、铁路和公路而进行开挖时,天然或人工的边坡,经常需要防护,以免岩石坍滑。在很多情况下,不能用额外的开挖放缓边坡来防止岩石的滑动,而应当采用混凝土挡墙或支墩,这样可能比较经济。

2.结论

   1.“5.12”汶川地震诱发了大量的滑坡灾害。因此,在降雨及地震条件下对边坡进行稳定性分析与安全评价显的尤为重要。

   2.对于地震灾区边坡设计过程中应充分考虑到降雨及地震对其稳定性的影响。在实际工程中。并采取相应的“结构锚杆支护+植草+护角墙”的支护结构形式,可以有效的提高边坡的安全系数。

    3.采石场要从重大伤亡事故中吸取深刻教训,针对本矿山存在的事故隐患,编制新的开采方案,制定整改措施,建立防止边坡坍塌事故发生的组织机构和措施保障;完善企业的各项规章制度,制定有针对性的事故应急预案,加强对职工的安全教育和培训,增强从业人员的自我保护意识;强化对作业现场安全检查,特别是边坡稳定性检查的力度;在没有确保矿山开采安全的情况下,不得恢复生产,避免事故的再次发生。

    4.加强《安全生产法》等法律法规的学习,牢记胡锦涛总书记:“高度重视安全生产,保护国家财产和人民生命的安全”指示精神,本着对人民生命高度负责的态度,加大对所属矿山企业安全生产工作监管力度,有效遏制该地区采掘业伤亡事故频繁发生的被动局面。

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