龍門礦區(qū)尾礦高邊坡穩(wěn)定性預測與評價

周志超，李向全，劉玲霞，侯新偉，聞曉慧，李杰彪

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029；2.中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061；3.中鐵資源地質(zhì)勘查有限公司,北京 100039)

隨著大規(guī)模的礦山開采與大型工程建設(shè)項目的不斷增加，尾礦及棄渣等堆積形成的高邊坡分布與規(guī)模越來越大，受震動和暴雨等外動力條件侵蝕時，就容易形成滑塌等地質(zhì)災害，給生命財產(chǎn)造成重大損失，進而嚴重影響到人們的生活、工程建設(shè)及能源的合理開發(fā)利用。近年來，許多專家學者對邊坡的成災機理及其防治做了大量的研究工作[1-4]，謝學斌等對礦山散體堆積物料的力學性質(zhì)進行了探討研究[5]。胡瑞林、胡世起、劉衡秋等對堆積體及高邊坡穩(wěn)定性機制做了深入研究[6-7]，王光進、楊春和等研究了超高排土場的粒徑分級及邊坡穩(wěn)定性[8]，胡卸文等對松散堆積體邊坡坍岸寬度進行了預測[9]，劉玲霞、李向全等對滑坡碎屑流發(fā)生機制進行了試驗研究[10]。

這些研究主要集中在巖土高邊坡及古滑坡堆積體的形成機制、穩(wěn)定性評價及工程防護研究等方面，當前對尾礦高邊坡的研究相對較少，本文研究對象為石灰石礦露天開采的土石混排尾礦高邊坡，位于山西河津龍門礦區(qū)采礦場東南角的塔底溝排土場，排土場的下游是居民區(qū)、廠礦和鐵路，一旦排土場發(fā)生滑坡災害，不僅會影響到該礦的正常生產(chǎn)，而且會危及到下游的鐵路和居民。因此，該排土場高邊坡的穩(wěn)定性與評價對廠礦的正常生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展以及居民的生命財產(chǎn)安全具有重要的作用。且近年來相繼出現(xiàn)坡體變形、開裂等失穩(wěn)現(xiàn)象，急需對該礦山排土場邊坡進行穩(wěn)定性分析，預測邊坡發(fā)展趨勢，從而為防災減災提供現(xiàn)實依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌

由于長期受到尾礦排棄的影響，散體堆積物覆蓋了原地形，坡面與地形坡面同向，坡度接近30°，局部地段甚至達48°。上部排土場尾礦堆積體的自然安息角約在35～40°，由于黃土排放較多，在土的粘性作用下，呈現(xiàn)凸形坡面，一段時期后固結(jié)并暫時穩(wěn)定。區(qū)內(nèi)出露巖性為奧陶系第六段灰?guī)r，局部地段為陡崖，無草叢灌木。排土場溝谷坡度陡，地形高差大，面積較大。區(qū)內(nèi)多條溝谷，容易形成匯水。

1.2 地層巖性

研究區(qū)出露地層簡單，主要為中奧陶系上部灰?guī)r、尾礦散體堆積物和第四系松散堆積物。

1.2.1 奧陶系灰?guī)r

奧陶系灰?guī)r出露的主要有六段和七段的灰?guī)r層，深灰、淺灰、灰褐色的白云質(zhì)灰?guī)r，夾薄層純灰?guī)r，厚度大，致密塊狀，性脆、堅硬，沿裂隙充填有方解石巖脈，力學強度高，較穩(wěn)定。主要出露于山脊與排土場溝谷兩側(cè)，厚層狀灰?guī)r夾頁巖、砂礫巖等薄層，巖層傾角大，溝口處更具代表性。

1.2.2 尾礦堆積體

尾礦介質(zhì)分布呈層狀分布，表層主要為松散土層；下伏為尾礦渣，粒度分布不均，以細碎屑礦渣為主，混雜土質(zhì)成分。碎屑主要為礦物碎屑，少量巖屑，屬細粒結(jié)構(gòu)和微粒結(jié)構(gòu)。碎屑形狀以次棱角狀結(jié)構(gòu)為主，其次是棱角狀結(jié)構(gòu)和圓形粒狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)?？梢娔承┑V物的自形晶體結(jié)構(gòu)。肉眼觀察，尾礦一般呈褐黃色。隨礦物成分變化可呈現(xiàn)灰白、褐灰、深灰色等多種顏色。從外觀看，為自然靜水條件下的機械沉積物，其突出特征是清晰的水平層理，呈水平層狀-似層狀產(chǎn)出，其礦物成分承襲原巖的一些基本特征。呈現(xiàn)出一定的空間結(jié)構(gòu)特征，上部主要分布的為粒徑>5mm的碎屑尾礦，其表層有1～1.5m的松散土，墊層主要為粒徑較大的塊石。尾礦碎屑顆粒以中粗顆粒為主，高程720～770m范圍溝谷主要以大塊石為主，直徑0.3～1.6m，巖性以灰白色灰?guī)r為主。

該排土場具有臺階高度大，堆體內(nèi)外的物質(zhì)組分基本相同，卵圓形和棱形碎石、塊石及黃土混排，尾礦介質(zhì)具有孔隙度大，降雨易入滲，容易形成滯留，不利于礦渣排土場的穩(wěn)定性。

1.2.3 第四系松散堆積物

研究區(qū)第四系松散堆積物多分布于山前緩坡地帶，在巖石出露和黃土間多為坡積物，主要是坡積、殘積、洪積的松散堆積層，以粘性土、含碎石粘性土、碎石、漂塊石和卵礫土為主。巖性混雜，分選差，結(jié)構(gòu)松散，呈散體結(jié)構(gòu)，厚度變化大，沖溝附近較薄。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于呂梁山的南部尾翼，南面為山前溝壑，平地陡起，地形切割嚴重，海拔高差大于400m，西面為黃河峽谷；山上地形較平緩，南高北低，東高西低。所處的大地構(gòu)造單元為祁-呂-賀蘭“山”字型構(gòu)造體系前弧東翼。其構(gòu)造特點受區(qū)域性構(gòu)造控制，構(gòu)造線方向為NE30～40°從礦區(qū)南部穿過的羅云-龍祠大斷裂，長達160km，破碎帶寬800～1000 m，礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育。研究區(qū)位于7°區(qū)劃范圍，對震害不可低估，區(qū)域內(nèi)有發(fā)生較大地震(破壞性地震)的可能性，防災的重點是尾礦排土場。

1.4 氣象水文

研究區(qū)位于黃河東岸中高山地段，為山陜高原，屬溫帶大陸性氣候，全年平均氣溫13.5℃左右，年蒸發(fā)量平均為1554.73mm ，年日照時數(shù)2276.2h，無霜期一般為200天左右。自1998～2009年12年間，該區(qū)最大日降水量高達101.41mm；降水主要集中在7～9月。

研究區(qū)內(nèi)石灰?guī)r層系含水層，屬基巖裂隙水和巖溶水。其形成條件主要受地貌、地質(zhì)構(gòu)造及水文氣象等因素綜合控制，石灰石礦層中的頁巖層透水性弱，地表水經(jīng)砂巖滲透聚集于頁巖層中，沿石灰?guī)r構(gòu)造節(jié)理和裂縫滲流補給地下水，受季節(jié)影響，干旱季節(jié)長，僅在雨季水量較大。

2 尾礦高邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 計算模型

2.1.1 邊坡滲流場的數(shù)學模型

各向異性尾礦介質(zhì)的飽和-非飽和滲流微分方程見式(1)[11-12]。

(1)

式中：h為壓力水頭；kr(h)為相對滲透系數(shù)，且0≤kr(h)≤1；kij為飽和滲透系數(shù)；Ss為單位貯水系數(shù)(對非飽和體，Ss=0，對飽和體Ss為常數(shù))；C(h)為容水度，且；C(h)=dθ/dh，θ為體積含水率；β為特征系數(shù)(非飽和區(qū)為0，飽和區(qū)為1)；t為時間；Q為源匯項。

式(1)的定解條件為

(2)

式中：ni(i=1,2,3)為方向余弦；Г1為水頭邊界；Г2為流量邊界；Г3為飽和溢出邊界；Г4為非飽和溢出邊界；qn為邊界法向流量，向外為正,i(t)為入滲率。

2.1.2 邊坡穩(wěn)定性分析模型

邊坡地下水水位線以上的孔隙水壓力為負值，而負孔隙水壓力又影響到基質(zhì)吸力的大小，從而影響到邊坡的穩(wěn)定性。為了考慮基質(zhì)吸力對抗剪強度及邊坡的安全系數(shù)的影響，加拿大學者Fredlund修正了Mohr-Coulomb 準則，提出了剪應力τ和抗剪強度τf的計算公式[13]。

τf=c′+(σn-ua)tanφ′+(ua-uW)tanφb

(3)

(4)

(5)

式中：c′為有效凝聚力；(σn-ua)為破壞面上的凈法向應力；ua為破壞面上的孔隙氣壓力；φ′為與靜法向應力狀態(tài)變量(σn-ua)有關(guān)的內(nèi)摩擦角；(ua-uW)為破壞時在破壞面上的基質(zhì)吸力；φb是強度隨基質(zhì)吸力而增加的速率，稱之為吸力內(nèi)摩擦角；α為坡面外法線與水平面的夾角；σ為坡面處凈應力。

根據(jù)極限平衡理論，可得到邊坡安全系數(shù)的計算公式(式(6))[14]。

(6)

自然狀態(tài)下用條分法進行分析時，根據(jù)力平衡可以得出邊坡安全系數(shù)計算公式(7)[15]。

(7)

式中：β為條塊基底長度；α為條塊底邊切線與水平方向的夾角；N條塊底邊受到的總的法向力；kW 為條塊形心上受到的水平地震荷載；D為外加線荷載，為線荷載與水平方向的夾角；A為外部施與的水壓力。

2.2 計算參數(shù)

以尾礦高邊坡為研究對象，采用連續(xù)介質(zhì)模型對邊坡進行宏觀的滲流計算，計算參數(shù)據(jù)室內(nèi)土工試驗、經(jīng)驗參數(shù)和野外取樣成果確定(表1)。

表1 物理力學參數(shù)

尾礦高邊坡的的滲流分析所需的滲透函數(shù)采用采用Fredlund和Xing法進行估算，分別取剖面上典型地段的尾礦樣品及黃土樣品做顆粒級配分析，結(jié)合飽和滲透系數(shù)可得其滲透函數(shù)，其結(jié)果見圖1、圖2。

2.3 計算剖面

通過野外地質(zhì)災害調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該高邊坡具有分段滑動的特點。排土場上部和下部的滑坡后壁清晰，無植被發(fā)育，滑坡體后緣可見2～34cm寬的拉張裂縫，裂縫深度2～80cm不等，呈平行狀或垂向相交分布，裂隙間距0.5～1.0 m，這些拉張、下錯裂縫為蠕滑-拉裂破壞作用所致。鑒于該高邊坡具有分段滑動特性，因此選擇尾礦排土場的上部和下部兩個典型剖面分別進行計算分析(圖3)。

2.4 有限元數(shù)值模擬結(jié)果分析

在天然狀態(tài)下，對選取的典型滑動面進行計算分析，載荷主要考慮巖土自重。排土場上部邊坡經(jīng)有限元分析軟件SLOPE/W計算其穩(wěn)定性系數(shù)為1.201，排土場下部剖面穩(wěn)定系數(shù)為1.36，可見其天然狀態(tài)下的穩(wěn)定性相對較好。

據(jù)氣象資料自1998～2009年12年間，該區(qū)最大日降水量高達101.41mm，因此分析強降雨條件時，取日降雨量100mm作為邊界入滲條件，經(jīng)有限元軟件SEEP/W滲流數(shù)值計算，將滲流場與孔隙水壓數(shù)據(jù)導入SLOPE/W中作邊坡穩(wěn)定性分析，經(jīng)計算得出尾礦排土場上部滑坡體穩(wěn)定系數(shù)為1.07，處于臨界滑動狀態(tài)，最危險滑動面位于中下部(圖4)，高程740～800m，厚達20余m，潛在危險滑面主要集中在中部和上部區(qū)段。

下部排土場穩(wěn)定系數(shù)為0.97，處于失穩(wěn)滑動狀態(tài)，最危險滑面位于高程580～670m，厚達30余m，滑動深度及范圍相對較大(圖4)。

3 尾礦高邊坡地質(zhì)災害防治

通過高邊坡穩(wěn)定性分析可知，該尾礦排土場上部和下部滑坡如不及時處理，雨季強降雨條件下易產(chǎn)生滑坡甚至誘發(fā)泥石流災害，危及排土場下方的廠礦、居民區(qū)和鐵路的安全。

3.1 災害治理

排土場的穩(wěn)定性可采用多臺階模式，在相鄰臺階之間設(shè)置安全平臺，這樣就可以使排土場總體坡度小于其自然安息角，從而提高其穩(wěn)定性。

鑒于該尾礦排土場的基底為巖體力學性質(zhì)較穩(wěn)定的灰?guī)r，因此，采用基底穩(wěn)定條件下的極限高度[16]。

(8)

式中:C為基底巖土的內(nèi)聚力(Pa)；φ為基底巖土的內(nèi)摩擦角(°)；γ為排土場堆積散體的單位體積質(zhì)量(t/m3)；H為第一臺階極限高度(m)；λ為穩(wěn)定性參數(shù)，無量綱，根據(jù)試驗資料和經(jīng)驗選取，0<λ<1。一般λ與F/tanφ成函數(shù)關(guān)系(F為邊坡穩(wěn)定系數(shù))，當F/tanφ由1增到5時，則由0增到1，兩者成正比關(guān)系。

圖1 黃土顆粒級配及其滲透函數(shù)

圖2 尾礦顆粒級配及其滲透函數(shù)

圖3 計算剖面

圖4 基于極限平衡理論計算的滑動面

經(jīng)穩(wěn)定性分析計算滑面在尾礦堆體內(nèi)，由(8)式計算可得極限高度為20.3m，因此該排土場可采用20.3m高度間距的多臺階排土方式，并設(shè)置相應寬度的安全平臺，清理尾礦棄渣。

3.2 水害防治與防災監(jiān)測

地表水的入滲和地下水的活動往往是導致邊坡滑塌的關(guān)鍵誘因，地下水的活動會嚴重影響尾礦排土場邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。在邊坡周界設(shè)置排水溝，將滑坡區(qū)外坡體上的降水和地下水露頭通過人工排水溝排出，減少對滑坡區(qū)穩(wěn)定性的影響；同時對坡體內(nèi)地下水露頭區(qū)設(shè)置排水管，將地下水引出。此外還需對滑坡裂縫區(qū)和上部采用防滲措施，降低降雨入滲量，從而減少降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響。

在防治工程施工完成之前，設(shè)置觀測網(wǎng)絡，監(jiān)測滑坡體及周邊地段的地表變形情況，隨時了解變形動態(tài)，識別變形異常，做好實時預警，為地質(zhì)災害防治提供技術(shù)支持。

4 結(jié)論

1) 龍門礦區(qū)尾礦排土場高邊坡堆積坡度大，且為巖土混排結(jié)構(gòu)，尾礦介質(zhì)物理力學性質(zhì)差，不利于邊坡穩(wěn)定；同時距活動斷裂帶近，且降雨量集中，這些因素都不利于邊坡穩(wěn)定性，容易在外動力條件下誘發(fā)滑坡災害。

2) 選取典型剖面進行穩(wěn)定性分析，得出天然狀態(tài)下，排土場上部剖面穩(wěn)定性系數(shù)為1.201，排土場下部剖面穩(wěn)定系數(shù)為1.36，其邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；強降雨條件下，結(jié)合流場與孔隙水壓力計算，排土場上部剖面穩(wěn)定系數(shù)為1.07，排土場下部剖面穩(wěn)定系數(shù)為0.97，其邊坡處于臨滑失穩(wěn)狀態(tài)。

3) 龍門礦區(qū)尾礦高邊坡地質(zhì)災害防治可采用20.3m高度間距的多臺階排土方式，并設(shè)置相應寬度的安全平臺，清理尾礦棄渣，以達到安全穩(wěn)定狀態(tài)。同時需輔以地表水和地下水排水防滲措施，加強地質(zhì)災害預警監(jiān)測，做好減災防災工作。

[1] 張永興，文海家.三峽庫區(qū)地質(zhì)災害及防治綜述[J].工程力學，2003，20(zk):123-130.

[2] 陳紅旗，黃潤秋，林峰.大型堆積體邊坡的空間工程效應研究[J].巖土工程學報，2005，27(3):323-328.

[3] 劉傳正.長江三峽復雜斜坡成因問題[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2005,32(1):1-6.

[4] 殷躍平，張加桂.三峽庫區(qū)巫山移民新城址松散堆積體成因機制研究[J].工程地質(zhì)學報,2000,8(3):265-271.

[5] 謝學斌，潘長良.排土場散體巖石粒度分布與剪切強度的分形特征[J].巖土力學，2004，25(2)：287-291.

[6] 胡世起.高邊坡復合堆積體穩(wěn)定性評價及基礎(chǔ)處理[J].巖石力學與工程學報,2006,25(2):345-349.

[7] 劉衡秋,胡瑞林.大型復雜松散堆積體形成機制的內(nèi)外動力耦合作用初探[J].工程地質(zhì)學報,2008,16(3):291-297.

[8] 王光進，楊春和，張超，等.超高排土場的粒徑分級及其邊坡穩(wěn)定性分析研究[J].巖土力學，2011，32(3)：905-913.

[9] 胡卸文,張志鵬，黃潤秋等.基于圓弧型滑面搜索的松散堆積體邊坡坍岸寬度預測方程[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2009，36(2)：47-51.

[10] 劉玲霞，李向全，周志超，等.強震條件下謝家店滑坡碎屑流發(fā)生機制試驗研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2011，38(3)：104-109.

[11] 榮冠，王思敬，王恩志，等.強降雨下元磨公路典型工程邊坡穩(wěn)定性研究[J].巖石力學與工程學報，2008,27(4):704-711.

[12] 李向全，周志超，劉玲霞，等.滇西典型膨脹土滑坡穩(wěn)定性分析[J].煤田地質(zhì)與勘探,2010,38(3):41-45.

[13] 譚文輝，璩世杰，高丹青，等.降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響分析[J].武漢理工大學學報,2010,32(15):39-43.

[14] Cho S E,Lee S R.Instability of Unsaturated Soil Slopes due to Infiltration[J].Computers and Geotechnanics,2001(28):185-208.

[15] John Krahn.Stability Modeling with SLOPE/W:An Engineering Methodology[R].Alberta:Geo-slope International Ltd Printed,2004.

[16] 賀躍光，顏榮貴，曾卓喬.排土場基底承載力與極限堆高[J].中國有色金屬學報，1999，9(3)：672-676.