断层高陡边坡稳定性分析及加固设计初探

断层高陡边坡稳定性分析及加固设计初探

辛建蒲朝军

（1.山东省城乡建设勘察设计研究院山东济南250031）

（2.中化矿山总局贵州地质勘察院贵州遵义563100）

【摘要】文章以现阶段我国露天开采行业的发展趋势，以及面临的问题作为立足点，首先简明扼要的阐述了对断层高陡边坡的稳定性进行分析与加固的意义，然后通过理论和实际相结合的叙述方式，有针对性的提出了对断层高陡边坡的稳定性进行分析的方案，最后以模拟结果为基础对断层高陡边坡的加固进行了深入、系统的探究，并得出相关结论，为相关工作的顺利开展奠定理论基础。

【关键词】断层；高陡边坡；稳定性；加固设计

【中图分类号】TD804【文献标识码】A【文章编号】1002-8544（2017）12-0006-02

1.引言

随着社会的进步，人们的思想观念水平与之前相比有了较为明显的提升，因此，开始有越来越多人将关注重点转向对边坡所具有稳定性进行分析，以及如何对边坡进行加固的方面，随着研究工作的深入，现阶段，已经有部分方案被用于分析的过程中，并取得了相应的成果。但是需要明确一点，针对边坡稳定性所开展的分析和设计工作，由于起步时间较晚，到目前为止仍旧存在一定的不足，这也从侧面说明了对相关工作进行深入探讨所具有的实际意义。

2.对断层高陡边坡的稳定性进行分析与加固的意义

在发展速度极快的当今社会，随着科技的进步，露天开采的深度与过去相比有了非常明显的增加，也就是说，露天坑的深度越来越深，随之而来的问题就是开采难度的增加，以及剥采比的变大。而高陡边坡的问题，在这种背景下必然会变得愈发严重，受到裂隙或断层影响而导致的边坡稳定性下降的问题是无法避免的。另外，容易对断层高陡边坡的稳定性产生不利影响的因素还包括地下水位、边坡软弱夹层、降雨影响等，如果边坡遭到破坏，不仅会对正常工作的开展产生不利影响，还会导致矿井无法正常生产，甚至会对工作人员的生命安全造成威胁。

通过对国内露天矿的发展现状进行研究可以发现，现阶段，面临上述问题的露天矿数量不容忽视，其中具有代表性的露天矿有武钢大冶铁矿。尤其是开采工作进入到后期时，边坡在稳定性方面所具有的问题就会逐渐显露出来，一方面，露天矿的管理者为了提高资源的利用效率，以及获取更多经济效益，会有针对性的对边坡的角度进行加大，另一方面，原始边坡极易受到爆破或其他因素的影响，导致岩体强度的下降，以及裂缝的增多[1]。以由风化后的大理岩所构成的边坡为例，由于边坡大理岩受到风化的程度不同，因此，表层全风化、裂隙数量大的大理岩的存在，在边坡中是无法避免的，这部分大理岩极易受到降水、爆破等因素的影响，出现崩落或滑塌的问题。另外，已经出现过多次崩落或滑塌问题的边坡，较易出现双台阶或是三台阶的并段，进而对边坡稳定性产生不利影响。基于这种情况，对具有上述特点的边坡稳定性进行分析，并且结合实际情况对其进行加固是非常有必要的，这样做不仅能够保证开采工作的顺利进行，还能保证工作人员的生命安全，使露天矿所具有的社会和经济效益得到双重提升。

3.对断层高陡边坡的稳定性进行分析的方案

3.1气候特点

我国幅员辽阔，不同地区所具有的气候特点均有所不同，在对断层高陡边坡所具有的稳定性进行分析时，工作人员应当明确在众多气候因素中，对研究结果产生影响最大的因素为降雨因素。在众多地区中，气候特点最突出的当属亚热带半干燥气候，处于该气候影响下的地区，通常一年分为旱、雨两季，每年的六月初到十月下旬为雨季，其余时间均属于旱季。雨季所具有的降水量，约占全年总降水量的九成。处于该气候区的矿区，普遍具有降水强度大以及雨量集中的气候特点，因此，矿区普遍面临着雨季时由于大气降水的不断补给，导致地下水位上升的情况，这也从侧面说明了对边坡进行加固设计所具有的重要性[2]。

3.2模型设计

在对断层高陡边坡所具有的稳定性进行计算时，工作人员可以视情况将其简化成为相应的平面问题，然后通过平面计算的方式，将三维计算最终得出的结果由平面计算所得出的结果进行替代，这样做能够在保证计算结果精确性不受影响的同时，精简计算过程、缩短计算时间[3]。另外，工作人员在对计算刨面进行选取时，应当将采矿工程以及下部矿体涵盖在考虑的范围内，通过在三者间建立相应联系的方式，保证计算结果准确性的提高。

以模拟范围作为基础对模型进行设计时，工作人员需要遵循以下原则：如果该边坡正处于采矿期间，那么所确定模拟范围的最小值，应当保证该范围是不会受到应力扰动波及的边界，也就是说模拟范围的周边地区，应当一直保持着最初的应力状态。此时工作人员可以根据该地区的地质图、岩石所具有的物理力学性质或其他相关材料，对于研究任务和对象相契合的模型进行设计并确定。为下一阶段工作的开展，奠定良好的基础。

3.3数值计算

在对断层高陡边坡的稳定性进行模拟计算时，工作人员应当视情况确定不同方案所对应的情况。下文以降雨和加固两个因素作为主要参考，分三种情况对边坡稳定性进行了模拟和计算。第一组方案是无降雨、无加固；第二组方案是有降雨、无加固；第三组方案的有降雨、有加固。除上述因素外，三组模拟方案其他方面的参数均保持高度一致[4]。除此之外，在对断层高陡边坡进行研究时，工作人员应当对不同区域的岩性引起足够重视，边坡可以根据岩性的不同，分为断层结构面、大理岩以及辉长岩透镜体等等。

4.以模拟结果为基础对断层高陡边坡的加固进行探究

4.1第一组方案

第一组方案所模拟的为正常情况，也就是无降雨，并且地下水位正常。首先对初始模型进行建立，然后将该模拟方案所对应岩石参数输入到初始模型中，通过软件计算出在满足上述条件的基础上，该边坡的模拟安全系数，以及危险滑移面。如果计算出安全系数的最小值较小，就代表该断层高陡边坡的稳定性差，在断层的影响下，边坡极易出现滑移的情况，反之亦然[5]。如果边坡遭受到外界影响较大，那么滑落现象发生的几率就会大大增加。

4.2第二组方案

第二组方案所模拟的为有降雨，但是没有对边坡进行加固的情况。和第一组方案相同，首先对初始模型进行建立，然后将该模拟方案所对应岩石参数输入到初始模型中，通过软件计算出在满足上述条件的基础上，该边坡的模拟安全系数，以及危险滑移面。如果此时计算出安全系数的最小值仍旧较低，这就代表该断层高陡边坡出现滑移或垮落的可能极高。也就是说，一旦该地区出现降雨，边坡断层破碎带的存在会增加边坡滑落的可能。这主要是因为，断层破碎带通常由破碎岩体结构所构成，因此结构相对破碎，在遭遇降雨时，雨水会经由边坡裂缝处逐渐渗透至断层之内，导致岩体破碎程度加剧。另外，雨水的深入对断层破碎带产生的影响还有：岩体弱化、滑带泥化，粘土矿物受水化作用影响粘着力明显降低，这也会导致边坡软弱结构面所具有的抗剪强度弱化，在上述种种因素的共同作用下，导致边坡滑落问题的发生。

4.3第三组方案

第三组方案所模拟的为有降雨，并且对边坡进行加固的情况。在对边坡进行加固时，工作人员首先通过对物理力学的基本参数以及剩余推力进行计算的方式，完成对锚固的设计。能够对剩余推力法进行计算和表达的式子为：

Ea=Wasinαa-（WacosαatanΦa+αaLa）+ΨaEa-1

Ψa=cos（αa-1-αa）-sin（αa-1-αa）

其中：Ea代表的是第a条块所对应的剩余推力；Wa代表的是第a条块所对应的重量；αa代表的是第a条块所对应的滑面内聚力；k代表的是稳定系数；Φa代表的是第a条块所对应的滑面摩擦角；La代表的是第a条块所对应的底面长度；Ψa代表的是第a条块所对应推理的传递系数[6]。另外需要注意的是，上述模型以各条块不对相互所具有的拉力作用进行承受为前提。

接下来，工作人员需要对锚杆支护进行设计。通过对现阶段在对边坡进行加固的过程中，应用频率较高的锚杆支护类型进行对比和分析，选定与所在区域环境最契合的锚杆。然后再通过以下式子对锚杆受力进行计算。

锚杆承载力：P1=Sσ

其中：代表的是设计强度。

砂浆摩阻力：P2=πDLaT2

其中：D代表的是孔径；T2代表的是砂浆同孔的平均摩阻力。

砂浆握裹力：P3=πdLaT3

其中：d代表的是锚杆的换算直径；La代表的是锚杆的有效长度。

锚固抗滑阻力：Fp=P[sin（α+β）tgφ+cos（α+β）]

其中：P代表的是锚固力；α代表的是滑面倾角；β代表的是锚杆和水平方向所产生的夹角。

如果通过上述计算发现，此时安全系数的最小值与之前两组方案相比有了明显的提高，就代表其与安全生产所具有的要求相符。另外，工作人员需要对已经加固的边坡设立相应的观测标志，这样做是为位移观测工作提供方便。还应当结合实际情况，在已经加固的边坡的某些特定区域挂网，在最大限度上避免小范围滑落这一情况的出现。

4.4最终结论

首先，工作人员在对数值进行模拟的过程中，对处于不同背景和条件下的边坡稳定性进行了研究。在第一组方案中，边坡处于无降雨、无加固的状态下，此时断层高陡边坡较为危险，极易受到外界因素的影响进而导致滑坡现象的发生；在第二组方案中，边坡处于有降雨、无加固的状态下，此时断层高陡边坡仍旧处于临界点，危险系数极高；在第三组方案中，边坡处于有降雨、有加固的状态下，此时断层高陡边坡遇上两种情况相对比而言，安全系数有了较为明显的提升。然后，工作人员在对边坡稳定性进行分析的过程中，不仅需要将极限平衡法作为开展研究工作的基础，还需要将地下水位、边坡软弱夹层、降雨影响等因素涵盖在考虑的范围内，只有这样才能保证对实际情况的真实反映，也才能保证模拟所具有科学性的提升[7]。最后，针对稳定性较差的边坡而言，工作人员可以通过剩余推力法或是其他规范的应用，完成锚固设计，并且在此基础上通过模拟的方法，对设计结果所具有的安全性和科学性加以印证，同时辅以必要的监测工作，保证对边坡失稳所具有的前兆进行准确、及时的掌握。

5.结论

综上所述，全文的叙述重点落在对边坡稳定性进行分析，以及对模拟结果进行探究两个方面，首先从气候特点、模型设计和数值计算三个方面，深入、细致的分析了边坡的稳定性，然后又以降水和加固作为主要参考因素，对不同条件下断层高陡边坡的稳定性进行了探究，并且以通俗易懂的语言对探究结果进行了概括，希望能够为下一阶段相关设计工作的开展提供理论依据，进而达到促进我国露天开采行业进步的最终目标。

参考文献

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[3]程成.强震作用下岩质高陡边坡动力稳定性特征及抗滑稳定矢量和分析方法研究[D].上海交通大学,2014.

[4]余鑫.强震区断层带边坡抗滑桩抗震加固机理及模式研究[D].成都理工大学,2014.

[5]杨小强.岩土类边坡稳定性分析及加固设计[D].湖北工业大学,2013.

[6]张定邦.高陡边坡与崩落法地下开采相互影响机理模型试验研究[D].中国地质大学,2013.

[7]王宁.水库边坡稳定性分析及加固设计研究—泥洛堆积体[D].武汉工程大学,2014.