0 前言

城门山铜矿是江西铜业公司所属拟建中的大型露天矿山, 铜金属储量165万t, 金69 t, 硫3566万t。设计中的矿坑北、东、西三面被赛城湖围绕, 仅南部为丘陵。该矿山的南部边坡是城门山铜矿开拓运输的唯一出口, 且服务年限长, 但该区段工程地质复杂, 有大断层F₁通过且反倾坑内, 并且在南部Ⅰ区存在软弱夹层, 构成潜在的滑坡体, 对边坡的稳定构成了极大的威胁。笔者对南部边坡滑坡体的加固与整治方案进行了初步分析研究和探讨。

1 南部边坡Ⅰ区工程地质特征 1.1 区内出露岩层的特征

区内岩层主要有:志留系上统纱帽组中至薄层的石英细砂岩、粉质页岩; 泥盆系上统五通组石英砂砾岩、砂岩。岩体结构呈层状。由于风化侵蚀, 紫红色纱帽组砂岩(S_3s)和五通组砂岩(D_3w)交界面充填物构成了软弱夹层, 强度较低, 而且这一软弱夹层在南部边坡Ⅰ区内基本上与边坡平行(见图 1)。在边坡深部有灰岩、蚀变灰岩及矿化带。

1.2 构造 1.2.1 断层

F₁大断层贯穿整个南部边坡, 断层长达1 600m以上, 走向为北东东, 基本平行于边坡走向, 属压扭性质。断层带的产状, 倾向155 ~ 160°, 倾角70~ 83°, 上盘向上逆冲。断裂破碎带宽20 ~ 60m。

1.2.2 节理裂隙与水文地质

节理裂隙发育于上部砂页岩中, 裂隙率4~ 11条/m, 主要分布有以下优势节理组:①14°/ ∠60°。② 318 ~ 350°/ ∠62~ 72°。③187~ 224°/ ∠35~ 80°。④ 78~ 104°/ ∠80~ 85°。

三面环水, 仅东南部为陆地, 且下部灰岩及蚀变灰岩由于受F₁断层的影响, 岩溶发育, 地下水丰富。

1.3 边坡破坏模式

边坡失稳破坏模式的确定涉及到很多因素及需要大量的工程地质工作, 由于条件有限, 笔者采用长沙矿冶研究院的研究报告成果, 边坡破坏模式主要是D_3w与S_3s的不整合接触面, 以平面形、折面形和圆弧形、弧形为主或其组合的破坏模式。岩土力学的有关参数见表 1。

2 边坡稳定性计算

稳定性分析主要采用极限平衡理论, 计算方法采用不均衡推力法和Bishop法。

稳定性计算中考虑了地下水和地震力影响, 地震影响系数取K_C =0.021, 计算滑面出口为-331m, 边坡允许安全系数在考虑地下水和地震力影响时取K =1.15, 而软弱夹层滑动面的安全系数的计算结果K =0.88 < 1.15。因此, 软弱夹层滑动面的存在, 对边坡稳定构成了威胁。

3 边坡加固方案选择 3.1 削坡减载方案

采用扩帮的方法解决边坡失稳, 将沿软弱夹层以外的岩体全部剥去, 即清除刀形滑坡体。该方案工艺简单, 容易实施, 可与正常的剥离工作同时进行, 是最见效的方案。但上部削坡工程量达802万, 工程总费用高达12 030万元。

3.2 预注浆加固方案

将水泥浆液用高压注入滑动面, 浆液沿坡体中的各种通道渗入滑坡体内, 挤走滑面中的水及裂隙中的水分, 提高了滑带土的抗剪强度。水泥浆加固时, 水泥与水产生水化作用, 使坡体的c、φ值提高进而提高滑坡体的自身强度。该方案对施工技术要求不高且安全方便, 工程费用低, 仅780万元。但主要问题是国内外工程实例少, 对注浆效果难以做出准确的定量评价。

3.3 锚杆和钢轨抗滑桩联合加固方案

采用锚杆和钢轨抗滑桩联合支档加固边坡滑坡体, 起到抗滑作用从而使边坡滑坡体得以稳定。该方案施工工艺简单, 施工难度不高, 安全可靠, 且工程量小和投资省, 工程费用1 460万元。

3.4 方案比较

削坡减载方案由于工程总费用高, 并且采用该方案的南部境界要向外扩帮30 ~ 40m, 不能满足工艺要求, 在整个布局上也不允许。对预注浆加固方案而言, 由于对注浆效果不能做出准确的定量评价, 难以确保边坡滑坡体的稳定安全。采用锚杆和钢轨抗滑桩联合加固处理边坡, 是目前国内外广泛应用的一种工程措施, 是一项切实可行的办法。综上所述, 联合加固方案优于前两者方案。

4 锚杆和钢轨联合加固方案内容 4.1 预应力锚杆加固

(1) 作用原理。当锚杆插入钻孔中, 通过锚固段注浆提供锚固力之后, 用张拉设备给锚杆施加预应力, 借助锚固段砂浆与孔壁周围岩石的摩擦阻力, 锚杆的应力就传递到深部稳固的岩体中去。锚杆两端之间的岩体构成约90°的压力锥体, 在锥体范围内的岩体被挤压, 将锚杆周围的岩石与锚杆联成一个整体, 形成一个均匀的挤压带, 约束了岩体的变形和破坏, 改变边坡体内部的应力状态, 从而提高了边坡滑坡体的稳定性。

(2) 预应力锚杆有关参数的确定。在每个Φ101mm钻孔中放置两根Φ30mm螺纹钢, 施加588kN的预应力, 预应力损失系数ξ=0.2, 锚杆的安装角θ=10°。预应力锚杆锚固长度L =4~ 6m。

(3) 预应力锚杆长度。从图 1剖面图中可知边坡面到软弱夹层的距离, 小则几米, 长则50多m。由此锚杆长度一般在10 ~ 60m之间。对于较深的钻孔, 因锚杆施工难度较大, 可用锚索代替。

(4) 预应力锚杆的混凝土墩台。在边坡的锚头外, 需浇混凝土墩台。对锚杆施加预应力后将锚杆紧固于墩台上, 同时也将锚杆施加的预应力通过墩台传递到岩体中去。混凝土墩台尺寸采用0.7m× 0.7m×0.5m。

(5) 预应力锚杆的位置。布置的原则是使被加固岩体内部形成一个连续的挤压区。锚杆间距一般取2~ 3m。在一些地段滑坡体下滑力过大, 如果采用纯锚杆加固, 势必造成锚杆过密分布在边坡上, 形成锚杆孔对边坡的切割, 使边坡的完整性受到一定影响。在这种情况下, 可用安放抗滑桩来分去一部分下滑力, 以保持合适的锚杆间距。

4.2 钢轨抗滑桩加固

(1) 加固机制。钢轨抗滑桩加固机制是靠钢轨自身的抗剪力来增大被加固滑坡体的安全系数。

(2) 钢轨抗滑桩加固内容。钢轨抗滑桩的孔径Φ250mm, 用一根重43kg/m重轨和两根18kg/m轻轨组合在一起放入孔中, 再灌入砂浆混凝土, 钢轨轨面朝下滑力的正向, 潜桩长度取12.5m, 置于边坡滑坡体的滑动面处, 每孔组合钢轨抗滑桩提供597.8kN的抗滑力。

4.3 锚杆和钢轨抗滑桩的数量与布置

根据锚杆所需施加的预应力及抗滑桩应提供的抗剪力, 通过计算得出整个滑坡体稳定所需的锚杆和抗滑桩数量(见表 2)。

锚杆和抗滑桩在剖面上的布置见图 1。

4.4 加固滑坡体的其他配合措施

(1) 治水。采用排水沟进行地面排水, 防止渗水; 采取隔心墙、灌浆及化学固化等措施进行地下截水; 采取水平孔进行地下排水。

(2) 减震措施。在临近边坡爆破作业时, 严格控制爆破药量并采用控制爆破技术。

(3) 在滑坡体规模较大, 用锚杆、钢轨抗滑桩难以承受大滑坡体的下滑力时, 采用钢筋混凝土桩进行治理。

5 结语

目前, 城门山铜矿处于初步试生产阶段(生产能力为1 200t/d), 大型露天矿山尚未开工建设。在以后矿山建设与生产中, 采用锚杆和钢轨抗滑桩联合加固方法来处理该矿山边坡不稳定的滑坡体, 以保证矿山生产正常运转, 是一项技术可行和经济合理的方法。