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露天礦高陡邊坡滑坡治理技術

文檔作者：謝振華，夏雨，李正濤文檔來源：北京科技大學土木與環(huán)境工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年02月19日
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上一篇：露天礦滑坡勘察研究分析

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· 14 · 露天采礦技術 2013年第6期臣重固
露天礦高陡邊坡滑坡治理技術
謝振華，夏雨，李正濤
(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京100083)
摘要：結(jié)合各類邊坡工程的治理技術和露天礦高陡邊坡的實際情況，提出了分層多次高壓注漿預應力
錨固技術和復合式錨桿樁技術。
關鍵詞：露天礦；高陡邊坡；滑坡治理；分層多次高壓注漿；復合式錨桿樁
中圖分類號：TD 824．7 文獻標識碼：B 文章編號：1671—9816(2013)06—0014—05
Landslide treatment technology of open-pit mine high-steep slope
XIE Zhen-hua，XIA Yu，LI Zheng-tao
(School ofCivil En#needng and Environment of USTB,Beifing 100083,China)
Abstract：Combined with the practical condition of all kinds slope engineering treatment technology and open-pit hish-steep
slopes，multi-times layered high pressure technology and composite anchor pile technology is put forward．
Key words：open-pit mine；hish-steep slope；landslide treatment；multi-times layered high pressure grouting；composite bolt pile
在露天礦開發(fā)過程中，由于礦山工程邊坡高度
和邊坡角度的不斷加大，使邊坡失穩(wěn)破壞現(xiàn)象日趨
嚴重，邊坡病害頻繁發(fā)生。大冶鐵礦東露天礦，建國
前就進行了開采，建國后又進行大規(guī)模開采，其東采
場獅子山北幫A區(qū)尖F9斷層上盤邊坡穩(wěn)定性不
良，由于斷層交匯，巖體嚴重破碎。1990年4月30日
暴雨誘發(fā)滑坡即井1A滑坡，該滑坡所在高程為一72
m～12 m，滑坡區(qū)上部西北側(cè)邊坡變形加劇，嚴重威
脅下部運輸干道的暢通和采礦安全生產(chǎn)。湖北省宜
昌市遠安鹽池河磷礦，1980年6月3日凌晨發(fā)生了
巖崩，崩塌體100萬m ，崩塌堆積層的厚度平均約
20 m，最大40 m，崩塌物塊體最大約1 000 m ，重約
2 700 t。堆積物淹沒整個工業(yè)場區(qū)及民用建筑場，死
亡多人，經(jīng)濟損失2 500萬元【”。由此可見，露天礦高
陡邊坡產(chǎn)生滑坡這類地質(zhì)災害的危害極大，必須及
時采取措施進行治理。
2 邊坡滑坡治理技術綜述
邊坡的破壞類型從形態(tài)上可分為崩塌和滑坡，
本文僅從滑坡治理的角度進行闡述。
收稿日期：2012—12—11
作者簡介：謝振華(1968一)，男，湖北人，1993年畢業(yè)于
北京科技大學安全技術及工程專業(yè)，工學博士學位，現(xiàn)任北京
科技大學安全科學與工程系教授。
早期由于人們對滑坡的性質(zhì)和變化規(guī)律認識不
深，邊坡的治理基本屬于被動治理，如繞避、削坡減
載等。20世紀80年代以來，開始采用支擋結(jié)合排水
治理滑坡和主動抗滑的預應力錨固技術，使滑坡治
理從單純的被動抗滑進人主動或主動與被動抗滑相
結(jié)合[2】。
2．1 被動治理技術
1)削坡減載與壓腳。削坡減載適用于推移式滑
動變形邊坡的穩(wěn)坡。當邊坡角過陡、滑體上部滑坡推
力過大時削坡減重就是行之有效的方法，對滑動面
及邊坡角上陡下緩的滑動體，其穩(wěn)坡效果更好。壓腳
穩(wěn)坡就是在邊坡坡腳堆筑廢石，借以支撐滑體或增
加滑體下部滑動面上的摩擦力。削坡減載與壓腳通
常聯(lián)合使用效果更佳。
2)疏排水。疏排水可分為地表排水和地下排水。
地表排水的目的是攔截滑坡地段以外的地表水，和
盡快排除滑坡范圍內(nèi)的雨水。由于斜坡土層(巖體)
中埋藏有地下水，流人邊坡變形區(qū)，產(chǎn)生了動水壓力
和靜水壓力，為減弱這種壓力的作用，可采用地下排
水，具體有截、排、疏和降低地下水位等辦法。
3)擋墻。對于大型滑坡來說，是作為排水、減重
等綜合措施的一部分；對于中小型滑坡來說，可以單
獨使用。其優(yōu)點是穩(wěn)定滑坡收效較快，就地取材，施
工方便。但應用時必須弄清滑坡的受力性質(zhì)，滑坡體
的結(jié)構，滑動面的層數(shù)和位置，滑坡推力及擋墻基礎
E蔥圈 露天采礦技術 2013#-g 6期 ·15·
等情況，否則容易造成抗滑擋墻的變形，致使治理工
程失敗。
4)防護網(wǎng)。防護網(wǎng)按其結(jié)構形式、防護功能和作
用方式分為主動網(wǎng)和被動網(wǎng)兩類。主動防護網(wǎng)用于
坡面圍護、限制落石、治理崩塌的發(fā)生。被動防護網(wǎng)
主要用于崩滑體下方的攔截落石。
2．2 主動治理技術
1)錨桿(索)。邊坡錨固就是對潛在失穩(wěn)或?qū)?
可能發(fā)生失穩(wěn)的滑體采用錨桿(索)進行加固處理。
因此，錨固設計的任務首先根據(jù)工程地質(zhì)勘察與分
析研究，確定潛在滑移塊體的位置、規(guī)模、形態(tài)、大小
及穩(wěn)定狀態(tài)，然后確定邊坡的工程性質(zhì)與穩(wěn)定性重
要程度，選擇合理的破壞準則和安全系數(shù)。最后決定
錨桿布局、安設角度及預應力值，設計錨桿和錨桿體
的類型和尺寸，驗算錨桿穩(wěn)定性和設計錨頭等主要
內(nèi)容。
2)抗滑樁。樁是深入土層或巖層的柱形構件?？?
滑樁是通過樁身將上部承受的坡體推力傳給樁下部
的側(cè)向土體或巖體，依靠樁下部的側(cè)向阻力來承擔
邊坡的下推力，而使邊坡保持平衡或穩(wěn)定。
3)土釘墻。土釘墻是一種原位土體加筋技術，是
由設置在坡體中的加筋桿件與周圍土體牢固黏結(jié)形
成的復合體及面層構成的類似重力擋土墻的支護結(jié)
構。土釘墻墻面坡度不宜大于1：0．1，土釘必須和面
層有效連接，應設置承壓板或加強鋼筋等構造措施，
承壓板或加強鋼筋應與土釘螺栓連接或鋼筋焊接連
接。土釘墻施工適用于地下水位以上人工填土、黏性
土和松散結(jié)構土。
4)注漿與灌漿加固。注漿加固適用于以巖石為
主的滑坡、崩塌堆積體、巖溶角礫巖堆積體，以及松
動巖體。注漿加固的目的在于通過對崩塌堆積體、巖
溶角礫巖堆積體以及松動巖體注入水泥砂漿，以固
結(jié)圍巖或堆積體，提高其整體穩(wěn)定性。灌漿用以改良
土體性質(zhì)提高其強度，在其他工程上是廣泛應用的，
因而人們也想利用灌注水泥漿或水泥砂漿于滑帶，
以提高其強度，穩(wěn)定滑坡。
5)錨噴支護。錨噴支護是采用錨桿和噴射混凝
土支護圍巖的措施。錨桿和噴射混凝土與圍巖共同
形成一個承載結(jié)構，可有效地限制圍巖變形的自由
發(fā)展，調(diào)整圍巖的應力分布，防止巖體松散墜落。
6)框架梁錨固。鋼筋混凝土框架梁護坡是指在
邊坡上現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架或?qū)㈩A制件鋪設于坡面
形成框架，在框架的節(jié)點處用錨桿(管)來固定。一般
該方法可適用于各類邊坡，但由于造價高，僅在那些
淺層穩(wěn)定性差的邊坡中采用。
7)抗剪洞和錨固洞?？辜舳粗饕糜趫杂餐暾麕r
體內(nèi)可能發(fā)生沿軟弱結(jié)構面剪切破壞時的加固。錨
固洞適用于需要加固的堅硬、較完整的巖質(zhì)邊坡內(nèi)。
邊坡滑坡的治理應根據(jù)礦山的實際情況，考慮
技術經(jīng)濟因素綜合決定。根據(jù)邊坡不穩(wěn)定程度的嚴
重性，應依次選用被動治理、主動治理、主被動綜合
的方法。借鑒水利、道路行業(yè)的邊坡治理經(jīng)驗，本文
提出兩種實用且特殊的治理方法，即分層多次高壓
注漿預應力技術和復合錨桿樁技術。
3 分層多次高壓注漿預應力錨固技術
分層多次高壓注漿預應力錨固技術是一種錨注
復合技術，其相關機理與高壓劈裂注漿以及錨固均
有關系。
3．1 注漿方式
對于露天礦山巖質(zhì)較為破碎的邊坡巖體，如果
直接采用較為常見的預應力錨固技術加錨，難以達
到預期的加固效果。在分層多次高壓注漿預應力錨
固技術中，采用分層多次高壓注漿一方面改善巖質(zhì)
破碎或節(jié)理發(fā)育巖體的巖質(zhì)，提高巖體的整體性，另
一方面在錨桿(索)與巖體之間形成不規(guī)則的注漿
體，提高錨桿加固的強度。
1)滲透注漿。在該技術中，第一次注漿由于考慮
到巖質(zhì)的破碎性，為了防止跑漿和在露天礦高陡邊
坡上高壓注漿的難度，一般采用低壓或不加壓注漿。
在這一階段，采用的注漿方式符合滲透注漿原理，把
漿液充填到巖土地層裂隙或孔隙中，形成新的具有
相對較高強度的膠結(jié)體，以初步改善巖質(zhì)。在注漿壓
力的作用下，漿液滲入到充填物與節(jié)理上下盤巖體
的接觸面和節(jié)理錯動裂隙里，形成“注漿巖橋”和“注
漿巖楔”。這些結(jié)構使得節(jié)理面的裂隙損傷得以彌補[3】。
注漿體在裂隙中所起作用的示意如圖1所示。
2)高壓劈裂注漿。在初次滲透注漿改善巖體巖
質(zhì)的基礎上，即可對露天高陡邊坡實行高壓裂劈注
節(jié)理
注漿巖
／ _ - 一
≮ l 。 注漿巖
： 亡 弓號
／
圖1 注漿體在裂隙中作用示意圖
· 16 · 露天采礦技術 2013年第6期
漿。即：在地滲透性的地層注漿中，在較高的壓力作
用下，漿液先后克服地層的初始應力和抗拉強度，使
其在地層中發(fā)生水力劈裂作用，從而破壞或擾動地
層，使原來的孔隙和裂隙擴大，促使?jié){液的可注性和
擴散范圍擴大。同時配合錨桿加固，形成錨桿加固的
不規(guī)則注漿體，加強錨固效果。
3．2 高壓注漿作用機理
分層多次高壓注漿預應力錨固技術中，具有如
下的擴散過程與機理。以鉆孔不與節(jié)理相交為例，如
圖2所示，注漿孔壁圍巖的劈裂過程分為幾個階段
進行[4】：
一∞
(a)初次劈裂階段 (b)二次劈裂階段
l
l ‘ l l l I
l t t t f t
0"1
(c)三次劈裂階段 (d)劈裂貫通階段
圖2 注漿孔附近劈裂注漿過程
1)初次劈裂階段。在第一次改善巖性的注漿基
礎上，此次注漿壓力很快上升，當孔內(nèi)注漿壓力達到
起裂壓力時，在垂直于最小主應力的方向上發(fā)生初
次劈裂，隨后注漿壓力迅速下降，漿液流量增大。
2)--次劈裂階段。初次劈裂結(jié)束后，注漿壓力繼
續(xù)回升，引起漿液流量又將繼續(xù)減小，繼而產(chǎn)生二次
劈裂。
3)三次劈裂階段。過程與上一階段類似，鉆孔附
近巖體進一步開裂。
4)劈裂貫通階段。當孔壁劈裂裂隙與周圍裂隙
貫通后，劈裂結(jié)束，此時注漿壓力迅速下降，漿液流
量增加，漿液在貫通裂隙網(wǎng)絡內(nèi)繼續(xù)流動。
3_3 預應力錨固的加固作用
目前，預應力錨固技術的使用已經(jīng)十分廣泛，它
是預應力混凝土技術在巖土工程領域的延伸發(fā)展。
在分層多次高壓注漿預應力錨固技術中與分層多次
高壓注漿相互配合，實現(xiàn)較為優(yōu)異的錨固效果。一
般，預應力錨固機理有以下幾個作用[5j：
1)懸吊作用。錨桿支護通過錨桿將軟弱、松動、
不穩(wěn)定的巖土體懸吊于穩(wěn)定的巖土體之中，以防其
離層滑落。
2)組合梁作用。錨桿支護后，相當于用螺栓將薄
層狀巖體緊固成組合梁，各層板便相互擠壓，層間摩
阻力大為增加，內(nèi)應力和撓度大為減少，于是增加了
組合梁的抗彎強度。當把錨桿打人巖土體一定深度，
相當于將簡單疊合數(shù)層梁變成組合粱，從而提高了
巖土體的承載能力。錨桿提供的錨固力越大，其強度
也越大。
3)擠壓加固作用。當在彈性體上安裝預應力錨
桿時，彈性體內(nèi)形成以錨桿兩頭為頂點的錐形壓縮
帶，若將錨桿以適當?shù)拈g距排列，使相鄰錨桿的錐形
體壓縮區(qū)相重疊，便形成連續(xù)壓縮帶。
4)增強作用。對于節(jié)理密集的破碎巖體，或是較
為軟弱的土體施加錨桿，可使破碎巖體具有完整性，
在軟弱土體中增加筋骨，因而增強了錨固區(qū)圍巖土
體的強度。
5)銷釘作用。主要指在邊坡等被錨固體中，錨桿
或錨索穿過滑動面或潛在滑動面之下，所變現(xiàn)出來
的阻滑抗剪作用。
3．4 分層多次高壓注漿預應力錨桿技術的特點
與單獨采用預應力錨固方式相比，分層多次高
壓注漿對預應力錨固的效果具有很好的改善和加強
作用，可以顯著提高錨固體四周巖體的抗剪強度，加
強錨固體與周邊巖土體的咬合以及粘結(jié)摩擦力，改
善被錨固邊坡體的力學性質(zhì)。具體機理如下[61：
注漿漿液首先劈裂進入錨固段周圍抗拉強度較
小的介質(zhì)，并從中間向兩側(cè)擠壓、膠結(jié)，改善錨固段
周圍巖土體的力學特性以及粘結(jié)程度。漿液向裂隙
兩側(cè)施壓，還使得作用在裂隙側(cè)面的小主應力局部
升高，進而使錨固段所受到的正壓力加大，因而增加
了錨固段與周圍巖土體的摩擦粘結(jié)阻力。同時，漿液
劈裂作用形成的漿脈膠結(jié)體終將成為錨固段的一部
分，使錨固段的體積與表面積增加，擴大了錨固段的
規(guī)模也相應增加了錨桿或錨索的承載能力。
4 復合式錨桿樁技術
4．1 復合錨桿樁技術機理分析
E盈圈 露天采礦技術 2013年第6期 ·17·
復合錨桿樁技術是利用錨桿技術及其機理而衍
生出的一種新的基礎加固技術，以其工藝特殊但不
復雜、經(jīng)濟比較合理，可縮短施工工期等特點。這一
技術是充分利用錨桿體的承壓特性，一端與上部基
礎相連，另一端則通過鉆孔與下部穩(wěn)定的土體相
連，通過中高壓注漿將錨桿錨固在穩(wěn)定的土體中，
從而承受和傳遞上部壓力。
單孔復合錨桿樁與傳統(tǒng)的錨桿樁相比，是在同
一個鉆孔中安裝多個長度不同的錨桿體，每個樁體
有自己的桿體、自由長度和錨固長度，如圖3所示。
通過高壓注漿能使粘結(jié)應力比較均勻地分布在整
個錨固長度上，并能將載荷分散地傳遞給鉆孔內(nèi)的
不同錨固段，從而減少或根除了粘結(jié)效應逐漸弱化
或“脫開”現(xiàn)象，由此可以顯著地提高軟弱土體的承
載能力。
自由段
圖3 復合錨桿樁示意圖
同時，在施工過程中通過特殊的施工工藝可以
根據(jù)需要調(diào)節(jié)注漿壓力，軟弱土層在高壓注漿體的
作用下，土體被擠密，孔隙被填充，土體中孔隙水被
擠出，孔壁周圍的土層被逐漸固結(jié)和強化，外部的土
體則在劈裂和充填機理的作用下形成新的錨固體一
異型擴體。此時，錨固段的剪切面不是原來的圓柱
體，而是不規(guī)則的曲面，滑移面內(nèi)外均受到注漿體的
影響，特別是高壓注漿的劈裂作用改變了滑動曲面
處土體的物理力學性質(zhì)，從而大大提高了錨桿樁的
承載力。
在中高壓注漿的作用下，在錨桿樁的周圍形成
了連續(xù)的異形擴大錨固體，因此錨桿樁在承受垂直
方向上的壓力載荷時，不僅要克服錨固體與土體的
摩擦阻力而且還要克服擴大體受壓部分巖體的抗壓
強度和注漿體的抗剪強度，因而可以大大提高錨桿
樁的承載效果[7】。
4．2 復合錨桿樁技術的優(yōu)點
與其他加固方法相比，復合錨桿樁具有以下5
個優(yōu)點：
1)施工場地條件要求低，在平面尺寸1．1 m×2．5
m和凈空高度2．5—3．5 m條件下即可施工，施工機
械簡單經(jīng)濟，普通地質(zhì)鉆機即可；
2)樁孔孔徑小，幾乎不產(chǎn)生附加應力，施工時對
原有基礎影響小，不干擾建筑物的正常使用；
3)能夠非常方便地布置斜樁，有效抵抗水平和
豎向載荷；
4)由于復合錨固樁施工過程中，先成孔，后成
樁，可以穿透障礙物，適用于各種不同的土質(zhì)條件；
5)承載力高，復合錨固樁單樁承載力要超過同
等樁徑樁長的微型樁。多數(shù)情況下，隨著樁體承受荷
載的增大，在荷載傳至固定長度最遠端之前，在錨固
桿體與注漿體或注漿體與巖土接觸面上會發(fā)生粘結(jié)
效應逐步弱化或脫開的現(xiàn)象，如圖4(a)。對于復合
錨固樁而言，通過各個單樁不同的固定段分別承
載，能使粘結(jié)應力比較均勻地分布在整個樁體長度
上，能最大限度地調(diào)用整個復合錨固樁長度范圍內(nèi)
的地層強度，如圖4(b)所示，從而達到減少或根除
樁側(cè)摩阻力失效或局部失效的目的閻。
J
根
錨
固
樁
粘結(jié)應力 粘結(jié)應力
復
合
錨
固
樁
(a)單根錨固樁 (b)復合錨固樁
圖4 粘結(jié)應力沿樁長分布
4．3 復合錨桿樁技術的主要施工工序
復合錨桿樁技術的主要施工工序可以分為6大
步，如圖5所示。其中，在第五步中，注漿次數(shù)和目標
地層需要視情況而定，但一般建議注漿次數(shù)應在3
次以上；第六步中的擴大基礎承臺亦視情況而定[91。
5 結(jié)語
由于每一種滑坡治理技術有利必有弊，露天礦
高陡邊坡滑坡治理不可能只使用某一種技術，往往
是一系列的治理技術的綜合應用。而在眾多治理措
施中，在經(jīng)濟條件允許的情況下，結(jié)合邊坡實際情
(下轉(zhuǎn)第20頁)
· 20 · 露天采礦技術 2013#-g 6期
表1 北排土場位置選擇比較表
方案 優(yōu)點 缺點 備注
1)如按10．OMl／a規(guī)模
生產(chǎn)，節(jié)約58 a后134．30 初期煤運距
+ 女 Mm3二次剝離量； 比二方案大2．0
c開采
257 050萬元，折現(xiàn)值為元；
15 172萬元。
1)生產(chǎn)前期(58 a)每
年比一方案節(jié)約剝離運距
2．0 km，初期比方案一節(jié)
約177 276萬元投資，該節(jié)
約部分貼現(xiàn)周期短，故現(xiàn)
值較大。對北排土場設置 1)導致生
在開采境界內(nèi)有利。 產(chǎn)58a后，剝采
2)二次剝離越晚，則比由2．59 nm
二方案 支出部分貼現(xiàn)周期越長，增至3．22 m，，t。
(開采境界內(nèi)) 現(xiàn)值越小，對北排土場設 2)58 a后，
置在開采境界內(nèi)有利。 生產(chǎn)費用比一方
3)一般來說，貸款利案增加15 172
息越高，臨時排土場的經(jīng)萬元。
濟效益越好；而經(jīng)濟年數(shù)
值隨貸款利息率增加而降
低；當實際貸款利息率大
于臨界貸款利息率時，則
北排土場方案是可取的。
期部分剝離物和生產(chǎn)期部分剝離物的外排排棄。
3)內(nèi)排土場。本礦煤層傾角在5。左右(小于l5。)，
首采區(qū)是沿傾向推進，因此當采礦工程發(fā)展到一定位
置時，其采空區(qū)即可開始內(nèi)排，達產(chǎn)第1年開始內(nèi)排；
隨著采礦工程的推進，達產(chǎn)第11年實現(xiàn)全部內(nèi)排。
3 幾點應考慮的問題
1)本礦北排土場的選擇在開采境界內(nèi)，導致運
輸設備數(shù)量減少將引起汽修廠、保養(yǎng)場、油庫等輔助
生產(chǎn)設施規(guī)?；蛲獍犖榈南鄳獪p少，從而可降低
輔助生產(chǎn)設施的投資及運營費。
2)設備投資及經(jīng)營費是逐年發(fā)生的，尤其是二
次剝離的投資與運營費發(fā)生的更晚，因此應將由于
通貨膨脹而引起的設備價格上漲及運營費的提高考
慮到比選中去。
3)如果一次剝離期間采用進口設備，那么隨著我
國機械制造工業(yè)水平的提高，在二次剝離期間采用國
產(chǎn)設備是有可能的，這樣在第二次剝離中將節(jié)省外匯。
4)對任何一個采用卡車開拓運輸?shù)穆短斓V，一律
采用一次剝離永久排土場或一律采用臨時排土場的
做法必須根據(jù)具體條件，經(jīng)過充分計算、分析和比較
方能確定。
5)建議在選擇排土場時，將常規(guī)的設計指導思
想中的第一條要求改成：一般情況下，排土場需布置
在露天礦最終境界以外，靠近首采區(qū)拉溝位置，滿足
近距離排土要求，在通過技術經(jīng)濟論證合理時，亦可
布置在最終境界內(nèi)，并適時進行二次剝離。
本文得以形成的基礎是在《沙爾湖礦區(qū)一號露
天煤礦可行性研究報告》和《露天礦境界內(nèi)建臨時排
土場、后期二次剝離、經(jīng)濟效益研究》一文啟發(fā)下而
作，該文不足之處，望批評指正。
塑 例 r ．悌一次注漿h睦
叫?注漿卜J
況，盡可能優(yōu)先選擇主動治理措施，如文中所述的分
層多次高壓注漿預應力技術、復合錨桿樁技術。對于
變形控制要求嚴格的巖質(zhì)邊坡，建議使用分層多次
高壓注漿預應力技術；對于變形控制要求嚴格的軟
巖土邊坡，建議考慮使用復合錨桿樁技術來加固。
參考文獻：
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