小王莊排土場增高擴容工程邊坡穩(wěn)定分析及治理

李曉俊

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

小王莊排土場增高擴容工程邊坡穩(wěn)定分析及治理

李曉俊

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

通過勘察、試驗及反分析等方法，確定山西華瑞露天礦小王莊外排土場邊坡計算所需的巖土體物理力學參數(shù)，對外排土場現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)進行計算分析，并提出相應的治理措施，以達到排土場增高擴容所需的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。

露天礦；外排土場；邊坡穩(wěn)定分析；治理措施；增高擴容

1 概 況

山西華瑞露天礦位于交口縣城東直距約33 km處的桃紅坡鎮(zhèn)橫羅、孿子頭、高家堰、店則溝村一帶。該礦田位于霍州煤炭國家規(guī)劃礦區(qū)靈石區(qū)范圍內(nèi)，平面形態(tài)呈西北—東南向長條狀，為不規(guī)則的多邊形，南北長約9.5 km，東西寬約2 m，面積17.876 km2。露天煤礦的剝離和采煤均為單斗-卡車開采工藝。小王莊排土場為該礦外排土場，排土場長約1 500 m，寬約500 m，高差為200 m，規(guī)模較大。其基底為第四系黃土，黃土下部為基巖。地形傾向與邊坡傾向一致，不利于邊坡穩(wěn)定。

開展邊坡穩(wěn)定研究前，小王莊排土場已出現(xiàn)裂縫、沉降、坡底鼓丘和剪出口等不同程度的滑坡跡象。同時，華瑞露天礦面臨著外排量較大，外排土場容量不足的問題，而外部征地困難，需要在現(xiàn)有小王莊排土場增高擴容，以容納后期剝離物，確保煤礦能夠順利安全進行生產(chǎn)。為此，需對小王莊外排土場現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定狀態(tài)進行穩(wěn)定分析，根據(jù)分析結(jié)果進行邊坡治理，使外排土場邊坡達到適合增高擴容的穩(wěn)定狀態(tài)。

1.1 外排土場邊坡工程地質(zhì)條件

小王莊排土場邊坡地層總體傾向為南東，傾角11°～14°，出露巖層的風化裂隙較為發(fā)育，黃土與下伏基巖界面存在古風化層，主要為軟弱的泥質(zhì)巖土，易于形成弱層。分析區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)存在斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造。

該排土場為黃土地貌排土場，主要由露天剝離物堆砌而成，成份較為復雜，包括第四系土、泥巖、砂巖、灰?guī)r和矸石等。

黃土地貌的主要特點是千溝萬壑、丘陵起伏，而這些恰恰為排土場的不均勻沉降提供了有利條件。從黃土自身來講，顆粒細且均一、質(zhì)地疏松、垂直節(jié)理發(fā)育、可溶性鹽含量較大，使得其具有特殊的物理力學性質(zhì)，主要表現(xiàn)為大孔隙比、濕陷性、遇水易崩解、以及力學強度對水具有較強的敏感性等。

隨著排土工作的進行，排土場上部的荷載對基底的壓力會逐漸增大，使基底巖土層產(chǎn)生壓縮變形，地表產(chǎn)生沉降，同時會破壞巖土層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導致巖土體力學強度的降低。

1.2 外排土場邊坡水文地質(zhì)條件

排土場邊坡底部存在一條地表河流，位于坡底以北10～20 m，河寬10～15 m，河深2～3 m。該河僅雨季時有水流通過，屬于季節(jié)性河流。

根據(jù)野外露頭調(diào)查，排土場邊坡出露多為泥巖、砂巖及灰?guī)r，主要補給源為大氣降水，水量不大，水位連續(xù)性差，除了通過河道排泄外，區(qū)內(nèi)新生界地層與基巖風化裂隙帶相接觸，第四系孔隙潛水通過基巖風化裂隙帶緩慢向下滲透，補給煤系地層含水層。

氣候方面而言，本區(qū)雖然較為干旱，多風少雨，蒸發(fā)強烈，但是排土場的形成一定程度上破壞了原有的水文地質(zhì)條件。排土場非飽和土能夠很好的吸收和保持降水，這些水分會滲入基底黃土層。同時當排土場形成一定規(guī)模后，能夠阻擋基底土層中水分的蒸發(fā)，使得基底黃土層中水分得以保存。隨著排土場的不斷增高，基底黃土層中含水量不斷加大，甚至形成上層滯水，致使排土場底部形成塑性區(qū)。另外，考慮到本區(qū)為典型的溫帶大陸型氣候，降雨較為集中，由于排棄物與基底黃土層的滲透差異，致使大氣降水后水體在基底巖土層產(chǎn)生滯留浸潤，巖土體抗剪、抗壓強度下降，極易形成滑帶。

結(jié)合以上分析，小王莊排土場易于在黃土與基巖接觸面形成滑動帶。

2 小王莊排土場邊坡滑坡機理及影響因素

隨著小王莊排土場的不斷增高，其南北兩側(cè)邊坡出現(xiàn)不斷延伸的裂縫，地表沿主裂縫呈圓弧狀滑面“下坐”，滑體中部被構(gòu)造面切割成的塊體在滑坡前緣的牽引下沿折線滑面向前滑動；滑坡前緣在滑體后推力的作用下，順巖層形成隆起帶，形成了“坐落—滑移式”破壞模型?；滦纬稍蚣爸饕绊懸蛩胤治鋈缦拢?/p>

2.1 地形因素

第四紀以來，我國西北、華北地區(qū)沉積了較厚的黃土，從下到上依次為午城黃土、離石黃土和馬蘭黃土，其中還夾有數(shù)層古土壤。進入全新世后，氣候由干旱逐漸轉(zhuǎn)為暖濕，雨水增多，疏松的黃土高原經(jīng)流水侵蝕，逐漸形成了溝壑縱橫的破碎地貌。小王莊排土場以此種地貌為基礎，建立在斜坡之上，自然對其自身的邊坡穩(wěn)定造成不利影響。

2.2 基底弱層是控制滑坡形成的物質(zhì)基礎

軟弱結(jié)構(gòu)面控制著邊坡的整體穩(wěn)定性，沉積巖在沉積過程中形成的成分不同的薄層常常具有軟弱性，而且分布連續(xù)、影響面大[1]。

小王莊排土場的基底為第四系黃土層，黃土顆粒較細且均勻、質(zhì)地松散、節(jié)理發(fā)育、可溶性鹽含量較大，從而使黃土具有了大孔隙比、濕陷性、遇水易崩解且水理性較差等特殊物理力學性質(zhì)。同時，黃土在沉積過程中與下伏基巖界面存在古風化層，主要表現(xiàn)為泥質(zhì)軟弱帶。結(jié)合小王莊排土場所處的斜坡地形，其基底，即第四系黃土與下伏基巖接觸面，易于形成連續(xù)性好、飽和度高、強度較低的弱層。隨著排土場排棄高度的不斷增加，荷載逐漸加大，壓力逐漸向基底黃土層深部延伸，當壓力達到該弱層位置并超過其抗剪強度后，軟弱層產(chǎn)生塑性流動擠出，下部基底隆起剪切。

2.3 水的作用是邊坡失穩(wěn)的觸發(fā)條件

邊坡在雨季、解凍期等情況下易發(fā)生滑坡，說明水對邊坡穩(wěn)定性有著很大的不利影響，這些不利影響主要表現(xiàn)在：軟化泥巖類巖石，使其強度大大降低；潛蝕作用；對邊坡產(chǎn)生靜水壓力與動水壓力，增加了邊坡的下滑力；凍結(jié)作用等[2-4]。

3 邊坡穩(wěn)定分析及治理方案

3.1 小王莊排土場滑坡模式分析

小王莊排土場地形為山地，排土場建立在山頂至山底的山坡上，山坡地形變化較大，一是地形傾角變化，一是山坡上的溝谷與山梁情況變化較大（即溝谷的寬度和山梁的寬度變化較大）。

邊坡滑動體是一個三維的滑動體，其受力方式為三維，在地層情況和上部邊坡變化相對較小的區(qū)域可簡化為二維方式來計算，但在小王莊排土場，根據(jù)計算分析，這種三維效應非常明顯。

小王莊排土場地層基本上可分為4層：排棄物、黃土、粉土和基巖。黃土、粉土的強度相對較低，排棄物次之，基巖最高。在空間位置上，排棄物在最上部，黃土在中部（局部缺失），粉土在黃土下部（局部缺失），基巖在最下部。

這一順序不利于邊坡穩(wěn)定，因強度相對較低的黃土和粉土在強度相對較高的排棄物下部，在邊坡抗滑力相對較大的部位。最理想的情況應是黃土和粉土在上部，排棄物在下部，基巖在底部，這樣的組合是比較理想的組合。

根據(jù)工程地質(zhì)鉆探、巖體強度分析、現(xiàn)場踏勘以及類似礦山排土場滑坡事例，推斷出滑坡模式為圓弧—折線式滑坡，即滑弧上部從排棄物中裂開，部分穿過黃土和粉土，下部在基巖頂面風化層中平面或曲率相對較小的曲面上，到達邊坡坡腳時，切穿第四系黃土或直接在基巖出露面滑出?；履Ｊ饺鐖D1。

圖1 滑坡模式

3.2 計算分析理論概述

邊坡穩(wěn)定極限平衡分析法歷史悠久、可靠性較高，是目前世界范圍內(nèi)廣泛采用的一種方法。其計算方法很多，有瑞典法、畢肖普法、推力法、薩爾瑪法、詹布法等。各種方法考慮問題的切入點不同，本次計算采用畢肖普法計算[5-6]。

3.3 邊坡穩(wěn)定分析

為了科學合理的評價增高后排土場邊坡的穩(wěn)定性，需要確定排棄物及邊坡地層巖體強度。計算、模擬分析所選用巖體強度參數(shù)的合理性直接關(guān)系到結(jié)果的可靠性，所以科學可靠的確定巖體強度參數(shù)是邊坡穩(wěn)定計算的關(guān)鍵。

在本次勘察工作過程中，采取巖土試樣，進行了室內(nèi)巖土體的物理力學性質(zhì)試驗，并在此基礎上綜合運用強度折減法、反分析等方法間接確定小王莊排土場邊坡的巖體強度，強度參數(shù)見表1。

表1 小王莊排土場巖體強度

其中，1剖面弱層、2剖面弱層、3剖面弱層強度是不一致的，這主要是因為小王莊排土場基底為山坡，第四系底板起伏較大，邊坡滑動時是一個弧形的三維體，這個三維體受第四系底板約束，排棄物的強度高，第四系底面的強度低；當山坡中的山谷地形較寬緩時，則滑面在第四系底面上的面積就相對較大，則穩(wěn)定邊坡角就相對較?。划斏狡轮械纳焦鹊匦屋^狹窄時，則滑面第四系底面上的面積就相對較小，則穩(wěn)定邊坡角就相對較大。因此，1、2、3剖面弱層強度不一致。1、2、3邊坡反算分析計算結(jié)果如圖2—圖4。

圖2 1剖面邊坡反算分析

圖3 2剖面邊坡穩(wěn)定反算分析

圖4 3剖面邊坡穩(wěn)定反算分析

3.4 治理方案

邊坡穩(wěn)定加固方法較多，經(jīng)常采用削坡、壓腳、抗滑樁、錨索、疏干等方法。

削坡方法一般在純圓弧滑坡時效果較明顯，對圓弧—折線滑坡效果相對較差；根據(jù)經(jīng)驗，單一的削坡方法一般不能保證邊坡穩(wěn)定，尤其是小王莊滑坡模式為圓弧—折線滑坡，其抗滑效果相對較差，性價比不高。

壓腳方式在空間允許時，是一種性價比較高的加固方法，邊坡加固效果較明顯，尤其是小五莊排土場，壓腳方式在費用上是最省的，所需排棄的排棄物是采掘場挖掘的，基本上是免費的，所增加的費用只是壓腳排棄物增加的幾百米運距的費用。

抗滑樁是一種相對古老的加固方式，在錨索引入國內(nèi)前，國內(nèi)露天礦邊坡加固基本上都是采用抗滑樁，但抗滑樁施工周期相對較長，由于邊坡在施工時，會產(chǎn)生一定滑動，而混凝土本身需一定的養(yǎng)護期，可能導致樁身產(chǎn)生位移或裂紋，從而達不到設計的強度；抗滑樁抗滑是一種被動抗滑措施，需要產(chǎn)生一定的位移才能提供抗滑力，此時抗滑樁所支撐巖體本身也會發(fā)生變形，從而導致巖體強度下降，因此不能充分發(fā)揮整個系統(tǒng)的抗滑能力?？够瑯犊够强靠辜簟⒖箯澞芰砜够?，而混凝土的抗剪能力并不強，因此，從材料特性上來看，抗滑樁抗滑并不經(jīng)濟。

錨索加固的基本原理是通過注漿將錨索與周圍土體固結(jié)為一體，依靠錨索、膠結(jié)體及土體之間的抗剪強度來增加土體穩(wěn)定性。它的主要功能是：①能夠提供作用于滑體的抗滑力，作用方向與滑移方向相反；②錨索預應力使邊坡產(chǎn)生壓應力同時錨索能夠起到加筋作用；③錨索加固過程中能夠使邊坡巖土體力學性能提高；④通過錨索錨固，使錨索與加固巖土體形成一個共同承擔荷載的復合結(jié)構(gòu)，能夠有效提高巖土體的整體強度[7]。

因此，小王莊合適的加固方式為壓腳和錨索方式。從費用和可靠性方面來說，最可靠的方式為壓腳，最經(jīng)濟的方式也是壓腳。因此小王莊排土場邊坡治理方式首選壓腳。

由于小王莊排土場下部有公路存在，極大地限制了壓腳方式的空間，因此為采取壓腳方式，需將這條公路改道，給壓腳措施騰出空間，根據(jù)現(xiàn)場反饋意見，在2、3線間公路可以改道，在1、2線之間公路不能改道，為此在2、3線間可采取邊坡壓腳措施，而在1、2線之間則只能采取錨索抗滑措施。

由于礦山外排量較大，因此在保證小王莊排土場邊坡穩(wěn)定的前提下，在2、3線之間盡可能地多排棄一些排棄物，而為了保證排棄后的排土場邊坡穩(wěn)定，這一部分排棄物必須排棄一引些堅硬、遇水不易泥化的巖石，禁排強度較低的第四系物料，首選堅硬的砂巖、次之為含砂量較高的砂質(zhì)泥巖。

為達到邊坡穩(wěn)定的效果，根據(jù)規(guī)范，采用壓腳方式進行加固，邊坡穩(wěn)定系數(shù)需達到1.25以上。為此在設計過程中經(jīng)多次試算，2、3剖面壓腳計算結(jié)果如圖6—圖7。

而1、2剖面間由于沒有排土空間進行壓腳，則只能采用錨索加固方式進行加固。根據(jù)規(guī)范，采用錨索方式加固，邊坡穩(wěn)定系數(shù)需達到1.10以上。根據(jù)計算，需外加120 t/m的外力，外力方向為與水平方向呈30°。具體計算結(jié)果見圖5。

4 結(jié)論

1）勘察綜合運用工程地質(zhì)測繪、鉆探、室內(nèi)物理力學試驗、勘察區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的工程地質(zhì)資料成果，對小王莊排土場邊坡工程地質(zhì)條件進行了分析，為邊坡的穩(wěn)定性評價和優(yōu)化提供了基礎資料。

2）查明排土場邊坡弱層的層位及物質(zhì)組成。小王莊排土場軟弱層主要分布于排土場基底，即黃土與基巖接觸面，物質(zhì)組成以粉質(zhì)黏土、古風化層及泥巖、炭質(zhì)泥巖為主。

3）本區(qū)邊坡類型為第1類松散巖二型～第2類半堅硬巖一型邊坡。

4）小王莊排土場邊坡可能產(chǎn)生的滑落形式主要為圓弧—折線滑動形式

5）小王莊排土場滑移變形規(guī)模較大，長約1 500 m，寬約500 m，高差200 m。為保證小王莊排土場邊坡穩(wěn)定，所需采取的工程措施規(guī)模也較大。

6）根據(jù)計算分析，2、3剖面間可采用壓腳方式進行加固，同時可排棄一些剝離物，所排棄的剝離物是堅硬、遇水不易泥化的巖石。

7）由于1、2剖面之間不能采用壓腳方式來加固，因此采用錨索方式來加固。

8）增高后的小王莊排土場不僅要滿足業(yè)主單位生產(chǎn)需求，還要保證其邊坡的穩(wěn)定性。

圖5 1剖面錨索加固邊坡穩(wěn)定計算分析

圖6 2剖面壓腳分析計算

圖7 3剖面壓腳分析計算

［1］ 王建國，王振偉，王來貴，等.受控于軟弱結(jié)構(gòu)面的礦山軟巖邊坡穩(wěn)定性［J］.遼寧工程技術(shù)大學學報，2006（5）：686-688.

［2］ 周罕，徐則民.水對邊坡穩(wěn)定性的影響及防治措施［J］.工程建設，2008（2）：23-25.

［3］ 王勇.勝利一號露天煤礦沿幫排土場增高擴容邊坡穩(wěn)定研究［J］.煤炭工程，2012（10）：92-93.

［4］ 于庭安，戴興國.露天礦邊坡穩(wěn)定性的安全因素分析［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2008（1）：73-76.

［5］ 孫聚龍.滲流對邊坡穩(wěn)定性的影響［D］.長沙：長沙理工大學，2013.

［6］ 胡輝，姚磊華.瑞典圓弧法和畢肖普法評價邊坡穩(wěn)定性的比較［J］.路基工程，2007（6）：110-115.

［7］ 李凱玲，門玉明.錨索抗滑樁與巖土體相互作用研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2006（1）：21-23.

【責任編輯：解連江】

Slope stability analysis and control of increased capacity expansion project in Xiaowangzhuang dump

LI Xiaojun
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

Through the investigation,test and back analysis methods,the article determines the physical and mechanical parameters of rock and soil in Shanxi Huarui Open-pit Mine dump slope,and analyzes external dump slope stability state,and proposes the corresponding countermeasures,in order to increase the dump slope stability state expansion.

open-pit mine;external dump;slope stability analysis;control measure;increased capacity expansion

TD824.7

B

1671－9816（2017）06－0009－05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.06.003

李曉俊.小王莊排土場增高擴容工程邊坡穩(wěn)定分析及治理［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（6）：9-12.

2017-01-03

李曉?。?982—），男，山東煙臺人，碩士，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學巖土工程專業(yè)，從事露天礦邊坡、采礦設計工作。