胡世士,肖云华,文韬,魏红年,李伟

(1.葛洲坝兴山水泥有限公司, 湖北 宜昌市 443701;2.北京洛斯达科技发展有限公司湖北分公司, 湖北 武汉 430074;3.武汉理正工程科技有限公司, 湖北 武汉 430070)

0 引言

顺层岩质边坡的岩层和节理相对复杂,由于滑面一般位于坡体内的软弱结构面处,软弱结构面本身力学性能较差,在降水以及爆破扰动的双重影响下,软弱结构面强度降低、抗滑力减弱,使得边坡内的岩体沿某一软弱结构面产生滑移[1],导致坡体变形破坏,发生滑坡事故。据不完全统计,露天矿滑坡事故中,受顺层岩质边坡结构影响的滑坡约占滑坡总数的60%以上。这些持续发生的顺层岩质边坡滑坡事故,不仅严重威胁矿山企业的正常运营,也对从业人员的生命安全构成了重大威胁。为确保边坡安全,除完善边坡支护以外,对边坡工程的稳定性及安全状态进行监测、评价也十分重要[2]。为此,国内外学者研究了一系列可应用于边坡安全监测的技术,见表1[3- 4]。

表1 边坡变形监测技术

王立文等[5]对真实孔径雷达和合成孔径雷达的技术原理、参数进行分析,研究表明,真实孔径雷达适用于大倾角的边坡,合成孔径雷达适用于弧度小的低边坡。于淼等[6]根据MSR地基边坡雷达特性,根据实例探究了其在边坡监测中的适用性,发现其毫秒级变形监测精度可以为边坡安全评价提供有效数据支撑。谭捍华等[7]对比了TDR(Ti me Domain Reflectometry)技术和传统测斜技术在不同环境下监测剪切变形的效果,结果表明,TDR技术具备快捷、安全、准确的优点,适用于边坡变形监测。张金钟等[8]采用自动式全站仪,通过合理布设监测点位,设置监测指标安全阈值,实现了露天矿边坡的安全监测。

与其他位移监测技术相比,GNSS(Global Navigation Satellite System)技术具有定位精度高、全天候实时作业、监测用时短、数据解算速度快、抗干扰能力强、各个基站之间不需要通视等显著优点[9-10]。因此,本文采用GNSS监测技术,以塘垭石灰石矿边坡工程为实例,综合分析现场破坏现象及变形监测数据,对该矿山边坡的安全状态及稳定性进行评价。

1 工程地质条件

1.1 工程概况

塘垭石灰石矿设计年产石灰岩108万t,可采矿量为1300万t。该矿山地质构造复杂,存在顺层边坡、断层、岩溶、软弱夹层以及层间错动带等不利因素,影响边坡稳定性,并由于支护工作不到位及爆破扰动,边坡曾出现多处块体坍塌、变形、平台局部下沉和块石崩落的现象,给矿山生产和终了边坡的稳定带来重大安全隐患。

1.2 工程地质评价

由于边坡规模较大,地质条件不均一,对矿区边坡进行了分段调查,根据边坡稳定性影响因素的不同将边坡划分为8段,各区平面位置和规模如图1所示。

图1 塘垭矿边坡各区域位置示意

第1段位于边坡最南部,边坡高程从1062 m至1132 m,区段长度约为58 m,倾向333°,平均坡度为67°,发育3条断层,主要为西南走向;岩体完整性较好,无明显不良地质现象,该段边坡为基本稳定边坡。

第2段位于边坡南部,边坡高程从1062 m至1132 m,区段长度约为48.6 m,倾向289°,平均坡度为65°,发育多条断层,主要为西北走向;该段有大量爆破堆积体,同时存在大面积岩溶和危岩,岩体切割强烈,该段边坡为欠稳定边坡。

第3段位于边坡坍塌体南边1/3处,边坡高程从1062 m至1132 m,区段长度约为46 m,倾向289°,平均坡度为64°,发育两条断层,主要为西北走向;岩体较破碎,被多组裂隙切割,岩溶较发育,该段边坡为不稳定边坡。

第4段位于边坡坍塌处,边坡高程从1062 m至1132 m,区段长度约为35.9 m,倾向293°,平均坡度为66°,发育两条断层,主要为西北走向;岩体较完整,该段边坡为欠稳定—基本稳定边坡。

第5段位于边坡中部冲沟段,边坡高程从1062 m至1132 m,区段长度约为77.8 m,倾向267°,平均坡度70°,发育多条断层,主要为西北走向;岩体很破碎,被多组裂隙切割,边沟的存在导致该段岩溶很发育,该段边坡为不稳定边坡。

第6段位于边坡北部爆破堆积体对应区域,边坡高程从1062 m至1132 m,区段长度约为83.6 m,倾向265°,平均坡度为66°,发育多条断层,主要为西北走向和西南走向;岩体虽较完整,裂隙不发育,但岩溶较发育,尤其在该段南部1132平台以上存在大面积岩溶区,该段边坡为欠稳定边坡。

第7段位于边坡北部崩塌体和爆破堆积体之间,边坡高程从1076 m至1132 m,区段长度约为58.7 m,倾向268°,平均坡度为65°,发育多条断层,岩体较破碎,被多组裂隙切割,贯穿裂隙较多,同时该段南部存在一较大危岩体,岩溶不发育,该段边坡为欠稳定-基本稳定边坡。

第8段位于边坡最北部,边坡高程从1076 m至1132 m,区段长度约为67.8 m,倾向252°,平均坡度为67°,发育多条断层;岩体较松散破碎,被多组裂隙切割,贯穿裂隙较多,同时该段北部存在一较大危岩体被两组断层切割,对安全性影响较大,岩溶较发育,该段边坡为不稳定边坡。

2 GNSS监测结果及数据分析

在塘垭矿以往的开采作业中,局部边坡由于边坡角较大、工程地质条件较复杂,加上受到爆破扰动的影响,发生垮塌事故,造成大量碎石堆积,部分平台尚有危岩存在;同时中部边坡后缘已经完全开裂,可能发生大规模下滑。为解决边坡失稳问题,矿山开展一系列边坡治理工作,在此基础上,采用GNSS在线监测技术对2～8段边坡进行表面位移监测,以保障边坡安全。

根据整体稳定性监测为主、局部稳定性监测为辅、突出监测重点部位的原则,现场共布设21个监测点,各监测点的平面位置分布如图2所示,其中WY06监测点为基站点,设置于非变形区。监测点区域的划分见表2。

图2 塘垭矿山监测点位布置

表2 监测点区域划分

对塘垭矿2021年10月至2022年3月共计6个月的边坡变形监测数据进行分析,绘制出图3至图9所示的边坡位移、沉降曲线。

由图3至图8可知,塘垭矿第2段、3段、4段、6段、7段边坡的水平位移曲线在-4～＋4 mm区间波动,数据主要位于-2 mm～＋2 mm之间,沉降位移波动区间为-6 mm～＋8 mm。区域内相邻点位的数据重复率较高,说明同区域内不同位置的位移变化相对较小。第2段、3段、6段是工程地质评价中岩体较破碎、岩溶较发育的欠稳定和不稳定边坡,监测数据表明,这些区域水平位移和沉降位移数据波动较小,均在安全范围之内,可见这些区域的边坡治理工作取得了良好效果,边坡整体稳定性较好。另外,观察所有监测点位的沉降位移可知,曲线于11月至2月份波动较为明显,原因为冬季气温骤降,引起土发生了冻胀,导致11月至2月份沉降数据变化趋势较大,随着3月份气温逐渐稳定,沉降数据变化趋势减缓。

图3 第2段边坡水平及沉降位移曲线

图4 第3段边坡水平及沉降位移曲线

图5 第4段边坡水平及沉降位移曲线

图8 第7段边坡水平及沉降位移曲线

图7 第6段边坡水平及沉降位移曲线

由图6可知,第5段边坡的水平位移在-6～＋6 mm区间波动,高于其他段边坡,沉降位移的波动范围为-8～＋18 mm,可见引起该边坡位移的主要因素是沉降作用。考虑到第5段边坡为岩体破碎、岩溶发育的不稳定边坡,且沉降位移较大,建议将第5段边坡列为重点监测对象,以确保该区域的稳定与安全。

图6 第5段边坡水平及沉降位移曲线

由图9可知,第8段边坡的水平位移在-6～＋5 mm区间波动,沉降位移波动区间为-16～＋10 mm。第8段边坡相邻点位的数据重复率较低,说明该区域不同点位之间的位移变化较大,考虑到该区域岩体破碎,发育多组断层、裂隙和岩溶,且监测数据表明,该区域边坡变形较大,建议加大对该区域的观察力度,以确保边坡安全稳定。

图9 第8段边坡水平及沉降位移曲线

3 结论

(1)第5段、8段边坡受较发育的节理裂隙、岩溶和断层影响,较其余段边坡更容易发生变形。塘垭矿各段边坡的沉降位移均大于水平位移,说明造成边坡变形的主要原因为沉降作用。

(2)11月至2月之间,气温骤降,边坡岩土体受到冻胀作用,各段边坡的水平位移和沉降位移变化均较大,第5段边坡由于岩体破碎、土质松散,受冻胀作用的影响更为显著。

(3)塘垭矿第2段、3段、4段、6段、7段边坡水平及沉降位移波动小,且区域内相邻点位的数据重复率高,同区域内不同点位之间的位移变化较小,说明这些监测区域内边坡的整体稳定性较好。第5段、8段边坡的地质条件复杂,且沉降位移较大,建议加大对这两个区域的监测力度。