伯方礦區(qū)黃土邊坡穩(wěn)定性綜合分析

王 鵬

（山西蘭花集團(tuán)伯方煤礦，山西 高平 048411）

伯方礦位于山西省高平市城區(qū)西北約7km處，區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，基巖出露，溝谷發(fā)育，溝谷呈樹枝狀展布，局部為黃土覆蓋，黃土覆蓋較厚，懸崖陡壁發(fā)育。研究區(qū)內(nèi)由于自然作用和工程活動(dòng)主要形成三類黃土邊坡：即自然邊坡、人工切坡、排土場(chǎng)堆坡，三類邊坡上下均有生產(chǎn)活動(dòng)，邊坡失穩(wěn)曾造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，為防治黃土邊坡失穩(wěn)造成的災(zāi)害，亟需對(duì)其形成原因和失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行研究并指導(dǎo)生產(chǎn)活動(dòng)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于太行山中南丹河段西側(cè)，為沁水煤田高平礦區(qū)王報(bào)井田的一部分。井田面積約27.5km2，為西北高東南低的低山丘陵區(qū)，主要為第四系沉積物，植被較少，黃土覆蓋較厚。井田內(nèi)河流均為季節(jié)性河流，平時(shí)干涸無(wú)水，僅在雨季時(shí)有洪水流過(guò)。該區(qū)屬東亞溫帶大陸性氣候，年均氣溫10.2℃，年均降水量567.1mm，雨季多集中在7、8、9三個(gè)月，約占全年降水量的70%，年平均凍結(jié)天數(shù) 78.2d，一般出現(xiàn)在1～2月份前后，最大凍土深度54cm。煤礦采動(dòng)對(duì)土地的破壞主要形式為不同長(zhǎng)度、寬度和落差的裂縫，坡度較大的山地還可能出現(xiàn)塌陷，崩塌或滑坡。

2 邊坡概況

研究區(qū)東南低山丘陵區(qū)多為黃土覆蓋，塬、梁、峁、丘廣泛分布，常形成陡崖、殘柱、陷穴等微地貌，地形切割劇烈，黃土陡坎部位可見土體崩塌與裂縫現(xiàn)象，遇大洪水時(shí)，河谷內(nèi)有輕度泥石流發(fā)生。井田內(nèi)共有滑坡多處，面積小，形態(tài)不規(guī)則，多分布于溝谷兩側(cè)，滑坡屬于小型類型。由于地形坡度較大，地層傾角平緩，軟硬巖層呈互層狀。

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查，黃土邊坡地層自上而下依次由中上更新世黃土（Q3+Q2）組成，其野外特征及分布規(guī)律分述如下：（1）Q3黃土：為淡黃色粉土、粉砂土，厚0～20m，分布于邊坡頂部，垂直節(jié)理發(fā)育，坡面有零星植被，富含植物根莖及蟲孔，局部形成落水洞。（2）Q2黃土：為淺紅色亞粘土，厚0～55.00m，主要分布于邊坡中、低部。天然含水量6.6%～22.4%，飽和度46.2%～94.0%，孔隙少 0.648～1.041，壓縮系數(shù) 0.005～0.015，濕陷系數(shù)為0.109，自重濕陷系數(shù)0.017，濕陷量一般在240～60mm之間，具濕陷性，濕陷等級(jí)為Ⅰ級(jí)，垂直節(jié)理較發(fā)育。各層土的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 數(shù)值計(jì)算所使用的土體主要力學(xué)參數(shù)

2.1 自然邊坡

在礦區(qū)東南有多處黃土自然邊坡，現(xiàn)取典型自然邊坡進(jìn)行分析，坡結(jié)構(gòu)圖見圖1。此邊坡位于由流水切割作用形成溝谷內(nèi)，坡高30～50m，坡度70°～90°，局部形成反坡，長(zhǎng)約300m，邊坡陡立，黃土垂直節(jié)理發(fā)育,坡頂開辟為農(nóng)田，坡面除有零星植物外，總體裸露，表面常形成落水洞。所在溝谷平時(shí)干涸無(wú)水，無(wú)地表徑流，雨季為洪水排泄通道，據(jù)排水渠及水井觀察，溝內(nèi)穩(wěn)定水位深度在2～5m。地下水主要受大氣降水補(bǔ)給，局部受泉水補(bǔ)給，水位隨季節(jié)變化幅度較大。

圖1 1號(hào)邊坡結(jié)構(gòu)圖

2.2 人工切坡

礦區(qū)人工開挖了大量的黃土邊坡，高度由3～55m不等，曾多次開挖黃土邊坡后失穩(wěn)造成損失?，F(xiàn)取典型2號(hào)邊坡進(jìn)行分析，邊坡結(jié)構(gòu)圖見圖2。此邊坡坡高 50～55m，坡度 50°～70°，長(zhǎng)約 300m，坡頂有車輛通行，坡底有排水水溝，排水溝內(nèi)常年有水流動(dòng)，溝內(nèi)穩(wěn)定水位深度在2～5m。雨季時(shí)曾因陰雨天氣造成已建好的料石支擋工程坍塌，造成損毀廠房和設(shè)備。

圖2 2號(hào)邊坡結(jié)構(gòu)圖

2.3 人工堆坡

礦區(qū)由于工程建設(shè)開挖并排棄大量的土方，在3號(hào)處形成了人工堆坡，坡高約21m，坡度25°～30°，長(zhǎng)約50m，坡頂為車輛通行道，曾因邊坡失穩(wěn)造成車輛側(cè)翻和人員受傷。

3 邊坡穩(wěn)定計(jì)算與分析

3.1 模型建立

計(jì)算程序采用目前在巖土工程界較為成熟的FLCA2D數(shù)值分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，分別建立模型。

（1）自然邊坡以1號(hào)邊坡體為模型，該模型邊界條件為長(zhǎng)40m、高52m、坡度75°，地層從上到下有Q3黃土、S1古風(fēng)化土壤、Q2黃土，分別厚約20m、0.5m、30m。

（2）人工切坡以2號(hào)邊坡體為模型，該模型邊界條件為長(zhǎng)47m、高53m、坡度50°～70°，地層從上到下有Q3黃土、S1古風(fēng)化土壤、Q2黃土，分別厚約22m、0.5m、30m。

（3）人工堆坡以3號(hào)邊坡體為模型，該模型邊界條件為長(zhǎng)50m、高21m、坡度50°，為Q3+Q2混合黃土。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

1號(hào)、2號(hào)及3號(hào)邊坡的穩(wěn)定性主應(yīng)力分布云圖分別見圖3、圖4及圖5，箭頭為速度-位移場(chǎng)變化，曲線為破壞變形區(qū)，底圖為xy平面內(nèi)的最大主應(yīng)力分布。

（1）1號(hào)自然邊坡計(jì)算結(jié)果顯示安全系數(shù)為0.85，為不穩(wěn)定邊坡，在曲線標(biāo)定的范圍內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)塑性破壞區(qū)。因此，此類型的邊坡應(yīng)及時(shí)采取處理措施，尤其在7～9月份，降水常以集中形式出現(xiàn)，而黃土具有垂直節(jié)理發(fā)育的特點(diǎn)，降水將會(huì)順著節(jié)理方向形成捷徑式的補(bǔ)給，當(dāng)含水率增大時(shí)，其強(qiáng)度將會(huì)迅速降低，很容易出現(xiàn)邊坡的滑動(dòng)。

圖3 1號(hào)自然邊坡主應(yīng)力分布云圖

圖4 2號(hào)人工切坡主應(yīng)力分布云圖

（2）2號(hào)人工切坡計(jì)算結(jié)果顯示安全系數(shù)為1.1，處于臨界狀態(tài)。2號(hào)邊坡因坡頂有脫硫設(shè)施等工程活動(dòng)，坡底又有排水水溝，可能會(huì)侵蝕坡腳，誘發(fā)邊坡向不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化。因此，需要對(duì)此邊坡采取加固措施，以增大其安全系數(shù)。

（3）3號(hào)人工堆坡計(jì)算結(jié)果顯示安全系數(shù)為0.6，局部不穩(wěn)定。云圖顯示滑動(dòng)面主要位于臨空面的坡頂，因此在邊坡邊緣進(jìn)行工程活動(dòng)時(shí)應(yīng)采取措施。

圖5 3號(hào)人工堆坡主應(yīng)力分布云圖

4 邊坡工程治理對(duì)策

（1）自然邊坡因其柱狀節(jié)理發(fā)育，下部經(jīng)流水侵蝕形成反坡，在浸水或凍融后發(fā)生塑性變形，對(duì)上部黃土使去支撐力，往往沿柱狀節(jié)理發(fā)生倒塌?？刹扇∪斯はr土體以防崩塌或片幫，必要時(shí)對(duì)坡體比較破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育地段采用壓力注漿膠結(jié)破碎坡體。

（2）對(duì)于人工切坡的要求：① 高度小于10m的，坡度應(yīng)小于70°，坡比1：1退臺(tái)放坡。② 高度大于10m小于40m，坡度不大于60°，除按照上述放坡原則外，在30m處退6m平臺(tái)。③ 高度大于40m的邊坡，坡度不大于50°，在40m處退10m平臺(tái)。采用漿砌塊石，配合錨桿加固，對(duì)于頂部穩(wěn)定性較好的邊坡，可在表面掛網(wǎng)錨噴防護(hù)。當(dāng)邊坡較高時(shí)，為減少土石方的開挖，在邊坡底部增設(shè)重力式擋土墻或其他形式的擋土墻。為提高黃土地基承載力，增加擋土墻高度，減少基礎(chǔ)被水浸濕，擋土墻基礎(chǔ)底部（埋在路肩以下部分）應(yīng)該不小于該地區(qū)的最大凍土深度。

（3）對(duì)于排土堆坡，高度較小的邊坡，可將坡面削緩，并盡可能使得坡面與水平面的夾角小于原有的角度；對(duì)于較高的邊坡，可將邊坡分為若干小段，形成臺(tái)階狀，以減少滑動(dòng)的可能性。修筑擋土墻，擋土墻應(yīng)筑在穩(wěn)定的地層上，避免出現(xiàn)擋土墻和滑動(dòng)體一起下滑的現(xiàn)象；在滑體內(nèi)打入或現(xiàn)場(chǎng)灌注防滑樁，并貫入穩(wěn)定地層，以防止邊坡滑動(dòng)。

（4）對(duì)于人工切坡和排土場(chǎng)堆坡應(yīng)加強(qiáng)排水。① 在坡頂應(yīng)修筑截水溝防止邊坡以外的水流入坡體、滲入坡體或?qū)ζ旅孢M(jìn)行沖刷。② 在坡體內(nèi)應(yīng)設(shè)置必要的排水設(shè)施，使水能盡快排出坡體，如設(shè)置排滲孔、排水盲溝及排水涵洞。③ 在坡腳設(shè)置坡底排水溝，要求排水溝具有良好的防滲性能，使其能夠攔截來(lái)自上方的地表水流。

5 治理效果的分析及結(jié)論

（1）高陡的自然邊坡已經(jīng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在雨季很容易引起邊坡滑動(dòng)，放緩邊坡是最簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、安全可靠的方法。

（2）人工切坡雖然處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在進(jìn)行人工切坡時(shí)，必須考慮邊坡及其支護(hù)結(jié)構(gòu)在正常施工和正常使用時(shí)能承受可能出現(xiàn)的各種載荷作用，以及在偶然事件發(fā)生后能保持必須的整體穩(wěn)定性。

（3）在人工堆坡坡頂邊緣進(jìn)行工程活動(dòng)必須注意采取安全防護(hù)措施，因?yàn)榇祟愡吰碌幕瑒?dòng)面具有隱蔽性的特點(diǎn)。實(shí)踐表明，此類邊坡是安全事故的多發(fā)地。