研山铁矿高富水特厚冲积层边坡稳定性研究

第 1 章 绪论

1.1 文献综述
边坡研究的理论基础是建立在土力学和岩石力学之上的，所以土力学和岩石力学的成就与发展决定了对边坡研究的完善程度。二次世界大战前后，边坡问题的研究尚属土力学的研究范畴，边坡稳定性分析方法主要借鉴土力学的研究成果，Fellenius 的圆弧滑动法、Bishop 的条分法、Janbu 的普遍条分法等形成的极限平衡理论，是建立在刚塑性体模型基础上的破坏理论，是古典土力学解决土质边坡稳定性的核心。在20 世纪 60 年代初期，随着大型工程的建设，所形成的边坡规模加大，地质条件变得极其复杂，人们逐渐意识到在边坡稳定性分析中必须将地质分析和力学机制分析紧密结合起来，从而形成 60 年代初期的刚体极限平衡法。在这之后，许多学者围绕这两种分析方法做了大量的拓展性研究，并在这个过程中将边坡稳定性分析从原来的二维发展到了三维。到了 20 世纪 90 年代，边坡问题的研究进入了一个新时代，我们把它叫做现代边坡工程学，该方法研究边坡问题时结合了传统边坡地址工程学、现代数学力学和现代岩土力学。ATAEI M ，BODAGHABADI S[1]用数值模拟和极限平衡方法综合分析了 Chador-Malu 铁矿的边坡稳定性，他们根据矿区的地质力学特征，将其分为六个区，根据 Hoek-Brown 破坏准则，计算了所有区域的粘性和摩擦角，用 FLAC 2D 和 Geoslope 等软件显示了 Talus和 Albitite 是两个主要破坏区。Wael Alkasawneh[2]等人利用包括极限平衡法在内的不同滑动面搜索技术得出了边坡稳定性的安全系数，通过比较得出，使用蒙特卡罗优化技术，可以使极限平衡法分析边坡稳定性的可靠性大大提高。Paul F.McCombie[3]利用多楔体法分析边坡稳定性，充分考虑到在既不是圆形又不是标准平面上运动所发生的扭曲。
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1.2 研究方案

1.2.1 研究目标
研山铁矿东帮第四系表土层厚大，采场东北部第四系冲洪积砂、砂砾卵石层孔隙潜水含水层透水性、富水性极强，新河将作为定水头补给水源，向采场内大量涌水，本文的主要目标就是分析采场的水文地质条件，分析边坡性质和稳定性，及其各种水源给其稳定性带来的威胁，并采用防渗墙进行堵水工程，分析其稳定性，最终实现矿山安全高效生产。

1.2.2 研究内容
1）对矿区进行工程地质、水文地质调研分析，查清地层结构、渗流规律，通过查看已有资料及进行岩石力学室内实验，补全岩土力学参数，确定岩土物理力学性质，为数值分析提供基础数据。2）应用数值模拟等方法对高富水特厚冲基层边坡稳定性进行分析，分采用防渗墙处理前后两种情况来模拟，之后对比分析模拟结果。3）边坡位移监测方案的设计，对边坡及其采用防渗墙处理之后的效果进行稳定性评价。
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第 2 章 研山铁矿工程地质概况

2.1 工程概况
河北钢铁集团滦县研山铁矿位于河北省滦县城南 3km，地理坐标为东经118°45′40″，北纬 39°38′20″~39°39′42″。北距京山铁路滦县车站 8km，西距迁（迁滦县司家营一带铁矿开采历史悠久，早在解放前就已探查出地下赋存铁矿，但由于司家营一带大部分地区属于滦河的冲积平原，其东部又有滦河横亘南北，向南流入渤海湾，土层中含有透水性强的沙卵石层，水量丰富；而铁矿大部分埋藏在当地侵蚀基准面以下，并为第四系表土所覆盖，第四系覆盖层厚度为 10m~30m，最厚约 65m。采场现状如图 3 所示。根据前期勘察资料，东部第四系地层由上至下为杂填土层、粉质粘土、粉砂层、砾石层及基岩层。其中冲洪积砂、砂砾卵石层孔隙潜水含水层透水性，富水性极强，新河将作为定水水头补给水源，并以东段为涌水通道，向采场内大量涌水，根据《唐钢滦县司家营铁矿二期工程初步设计》中矿坑东部边帮涌水量正常为33542m3/d，最大 62994m3/d。矿区出露地层以前震旦系、震旦系和第四系为主。第四系地层大面积覆盖，基岩露头除在矿区东部和尚山—铁石山一带有较连续的分布外，其它均为零星出露。前震旦系（Ar）地层构成本区古老的结晶基底，主要由一套变质程度较浅、岩性较简单的变粒岩类、片岩类和石英岩类等组成，混合岩化弱而普遍。该系地层走向近南北，倾向西，倾角 40°~50°。其中单塔子群白庙子组第三段（Arb3）为矿区主要含铁岩系。
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2.2 帷幕注浆情况
矿区东部边帮岩石主要为太古界变质岩系，长城系石英砂岩及少量的含燧石条带白云岩。第四系以亚砂土为主，其次为坡残积、冲洪积物。根据前期资料和施工前所做的 5 个勘察验证孔的地层埋藏条件、岩性特征和物理力学性质指标，场地地基土划分为 5 个工程地质层、3 个高喷处理层。从上至下依次为：①杂填土②粉砂、粉土③卵、砾石④粉质粘土⑤卵石⑥含泥卵、砾石⑦基岩，其中②③⑤为高喷主要处理层。司家营矿区东部、新河沿岸的强透水层渗流现象严重，原来用过帷幕方法但效果不理想，现改为防渗墙处理。防渗墙所采用的材料为塑性混凝土，，建设规模如下：防渗墙布置于矿区东北部、新河沿岸，始、末两端分别达到不含卵石层的不透水处，墙顶高于新河最高水位以上不少于 0.5m，即 22.5m；防渗墙基础坐落在下部的强风化基岩上，墙底深入强风化基岩不小于 1m，从而形成完整的防渗体系，解决矿区东帮渗漏严重的问题。防渗墙工程剖面图如图 4 所示，平面布置图如图 5 所示。
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第 3 章 矿岩力学参数确定 ....20
3.1 室内岩石力学实验....20
3.1.1 土力学实验......20
3.1.2 岩石力学实验 ..........21
3.2 现场岩石力学测试试验.....32
第 4 章 数值模拟及结果分析 ........36
4.1 研究方案....36
4.2 计算模型....36
4.3 选取模型参数....39
4.4 防渗墙设计参数论证 ........41
4.5 建模过程...........42
4.6 数值模拟结果分析....42
4.7 本章小结...........88
第 5 章 边坡监测方案研究....90

第 5 章 边坡监测方案研究

对于东帮边坡潜在的弱层进行位移监测和地下水位也十分必要，建立地下岩移监测孔网，专人进行监测，动态监测边坡稳定性，及时掌控边坡变形破坏规律，并使用相关仪器对矿区东部的地下水位进行监测，当工作人员发现矿区的某一部位变形异常的时候，应该马上采取相应的措施，如提高监测的频率等，并在查出问题之后提出相应的治理方案，如有异常立即采取工程措施，避免给矿山带来更大的损失。

1）位移监测
（1）监测方法
对边坡监测采用传统的地面观测网监测方法，在设置若干个观测桩（可以应用木桩或者混凝土桩），构成若干条观测线，形成观测网。监测线间距一般 15~30m为宜，由于该矿坑跨度较大，故本次监测初步选取 50m 间距，在监测过程中根据实际情况对移动较大区域进行监测线加密；随着坑内集水逐步疏干，分别于每个边坡平台进行监测点布置。本次共布置监测线 22 条，监测点 198 个。全站仪（图124）是测绘中经常使用的仪器，它可以测量水平角、垂直角、距离（斜距、平距）、高差等。全站仪满足本次的监测要求，所以在进行边坡监测时使用该设备。为了控制各观测桩在三维空间的位移量和位移方向，可以通过观测各桩垂直观测线方向的位移值和各桩的升降值来达到目的。

结 论

本文通过对研山铁矿地质情况的现场调研，并结合室内力学实验，获取相关力学参数，在此基础上，对矿区东帮高富水特厚砾石层进行数值模拟，选取了三条勘探线（N24、N26、N28）的剖面，分别模拟采用防渗墙前后的两种模型。通过开展以上工作，所获得的成果如下：
1）现场实地调研，取得了研山铁矿相关的工程地质和水文地质资料，确定了第四系岩土的地质特征和基本性质。
2）利用岩体几何参数三维不接触测量系统（3GSM）对岩体进行了节理裂隙的分析，确定岩体结构特征。
3）通过开展单轴抗压实验、岩石变形实验、抗拉强度实验及剪切强度实验等室内岩石物理力学性质实验，测定了岩石密度、抗压强度、抗拉强度以及抗剪强度等物理力学参数。
4）运用数值模拟等方法建立高富水特厚冲基层边坡模型，通过研究其渗流场、位移场、应力场等特征及安全系数计算，综合评价了防渗墙边坡防渗效果与稳定性。
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参考文献（略）