山西某鐵礦復(fù)雜巖土體邊坡滑坡形成機(jī)制分析及治理措施

白逢義

(中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116600)

0 引言

山西某鐵礦礦區(qū)位于山西省太原市婁煩縣。1991年建成，采用露天開采方式進(jìn)行開采至今已有20余年，目前開采規(guī)模為1 000萬(wàn)t/a。礦體走向NW～SE，總體為一向斜構(gòu)造。原露天開采設(shè)計(jì)分區(qū)共分為8個(gè)分區(qū)，其中1,2,7,8區(qū)上部1 578 m以上已基本靠幫，目前礦山向東側(cè)進(jìn)行開采。1,2,7,8區(qū)邊坡開采中存在著第四系及風(fēng)化巖邊坡破壞，以及深部沿強(qiáng)度較低的鐵閃片巖等軟弱巖體發(fā)生的平面及傾倒破壞。上述區(qū)域主要的邊坡工程地質(zhì)問(wèn)題已得到了有效治理，包括長(zhǎng)錨索加固，削坡噴射砂漿，格構(gòu)梁結(jié)合錨桿等措施進(jìn)行加固。因此上述區(qū)域不作為本次研究重點(diǎn)。

本次研究主要為目前正在開采的山西某鐵礦東部區(qū)域，共有3個(gè)地質(zhì)分區(qū)，分別為：4區(qū)-北端邊坡部區(qū)；5區(qū)-東端邊坡部區(qū)；6區(qū)-南端邊坡部區(qū)。區(qū)內(nèi)出露巖組主要為石英巖、石英片巖、含云母石英片巖、斜長(zhǎng)角閃片巖、磁鐵石英。該區(qū)內(nèi)邊坡上部為黃土及粘土邊坡。由于前期基礎(chǔ)資料不足，實(shí)際揭露地質(zhì)條件變化與設(shè)計(jì)存在較大差異，該區(qū)域存在厚度較大的黃土層，局部達(dá)100多米，且黃土邊坡緊鄰工業(yè)廠房及辦公區(qū)，并且產(chǎn)生了較大的滑坡現(xiàn)象，急需開展這些區(qū)域的穩(wěn)定性論證和境界優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

1 邊坡存在的問(wèn)題

2020年4月3日，機(jī)修廠正下方邊坡發(fā)生寬度達(dá)近百米的滑坡如圖1所示。該滑坡發(fā)展過(guò)程分兩個(gè)階段：1 521～1 488 m高程之間邊坡失穩(wěn)；隨后，滑坡體在1 488 m平臺(tái)，造成1 488～1465 m邊坡再次失穩(wěn)下滑。最終高差達(dá)到近60 m。

圖1 滑坡照片

2 巖土體參數(shù)及現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析

滑坡主要影響因素包括巖土體參數(shù)、地下水和外部應(yīng)力變化。該礦山開采多年，地震設(shè)防烈度為7度，靠幫采用控制爆破技術(shù)，上部存在建筑物，基本無(wú)外部應(yīng)力影響，因此研究主要從巖土參數(shù)以及水文地質(zhì)條件等入手開展滑坡研究。

首先通過(guò)補(bǔ)充物探、現(xiàn)場(chǎng)揭露邊坡地質(zhì)素描、節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)、補(bǔ)充工程地質(zhì)鉆孔等勘察工作，更新后工程地質(zhì)模型如圖2所示，將東側(cè)和南側(cè)第四系土層和風(fēng)化巖分布情況進(jìn)行補(bǔ)充完善，利用新的工程地質(zhì)信息建立三維地質(zhì)模型。同時(shí)在補(bǔ)充鉆孔中和揭露邊坡區(qū)域進(jìn)行土樣和巖體樣品的采集用于室內(nèi)試驗(yàn)工作。

圖2 更新后的工程地質(zhì)模型

2.1 土層參數(shù)

土層的相關(guān)參數(shù)試驗(yàn)工作包括物理性質(zhì)試驗(yàn)，濕陷性試驗(yàn)和滲透性試驗(yàn)，三軸力學(xué)試驗(yàn)。對(duì)于邊坡土層參數(shù)中的力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)較為重要，力學(xué)相關(guān)參數(shù)通過(guò)三軸力學(xué)試驗(yàn)獲得。在邊坡工程中，對(duì)于土坡長(zhǎng)期穩(wěn)定性，應(yīng)采用固結(jié)不排水剪切強(qiáng)度指標(biāo)，用有效應(yīng)力分析法；對(duì)于地下水位線以上的土體強(qiáng)度指標(biāo)是基于天然土樣CU獲得土體的ccu和φcu，對(duì)于地下水位以下的土層強(qiáng)度采用飽和土樣CU獲得土體的有效抗剪強(qiáng)度c′和φ′。此外，對(duì)于土體的變形參數(shù)，采用天然土樣的CD試驗(yàn)。具體試驗(yàn)結(jié)果見圖3，圖4，及表1～表3內(nèi)容。

圖3 鉆孔不同深度土樣顆粒分級(jí)曲線

表1 土層的濕陷性試驗(yàn)結(jié)果

表2 土層滲透性試驗(yàn)結(jié)果

表3 土層三軸力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

圖4 強(qiáng)度試驗(yàn)擬合曲線

各項(xiàng)土層試驗(yàn)情況說(shuō)明，邊坡頂部覆蓋的第四系土主要由粉粒和粘粒組成，以黃土為主。黃土局部具有一定的濕陷性，黏土土層為弱透水層，黃土為中等透水。

在飽和狀態(tài)的黃土和黏土強(qiáng)度明顯低于自然狀態(tài)的強(qiáng)度值。說(shuō)明黃土等土層在地下水作用下強(qiáng)度降低較為明顯，該特征也是滑坡產(chǎn)生的重要影響因素之一。

2.2 巖體強(qiáng)度參數(shù)確定

巖體是指在一定工程范圍內(nèi)，由包含軟弱結(jié)構(gòu)面的各類巖石所組成的具有不連續(xù)性、非均質(zhì)性和各向異性的地質(zhì)體。巖體的物理力學(xué)特性尤其是強(qiáng)度隨著巖石特性、不連續(xù)面的發(fā)育程度及充填物質(zhì)的不同，存在著較大差異。

實(shí)際工程分析中，可以結(jié)合工程自身特點(diǎn)，考慮主要因素，對(duì)整個(gè)巖體做出正確的、符合實(shí)際的、綜合性的力學(xué)分析，從而對(duì)具體工程地質(zhì)條件及巖石特征做出客觀的判斷。

確定本次巖體強(qiáng)度參數(shù)是通過(guò)HOKE-BROWM方法進(jìn)行確定，首先進(jìn)行巖體分級(jí)，通過(guò)對(duì)鉆孔中主要巖性進(jìn)行RMR分析，建立鉆孔中RMR分級(jí)圖。根據(jù)鉆孔中不同巖性統(tǒng)計(jì)出各巖性在分區(qū)中RMR值。再通過(guò)RMR巖體分級(jí)都不同區(qū)域不同進(jìn)行評(píng)分，并應(yīng)用HOKE-BROWM準(zhǔn)則進(jìn)行巖體參數(shù)的轉(zhuǎn)化確定。

巖體分級(jí)的準(zhǔn)確與否對(duì)巖體工程而言有著十分重要的意義。目前國(guó)內(nèi)外常用的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法為RMR(rock mass rating)法。該系統(tǒng)是Z. T. Bieniawski于1973 年提出的一種確定巖體質(zhì)量等級(jí)的方法，并先后對(duì)其進(jìn)行了4次修正，現(xiàn)以1989年版本為標(biāo)準(zhǔn)，該系統(tǒng)考慮了巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度(R1)，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD(R2)，結(jié)構(gòu)面間距(R3)，結(jié)構(gòu)面條件(R4)，地下水條件(R5)。本次分析參考了《非煤露天礦山邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB51016-2014)中巖石的質(zhì)量指標(biāo)RMR[1]具體打分情況見表4，表5為本次主要巖體的RMR分值，表6為主要巖體參數(shù)。

表4 巖體的質(zhì)量指標(biāo)RMR打分表

表5 巖體的RMR綜合取值

續(xù)表

表6 巖體力學(xué)參數(shù)結(jié)果

2.3 現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算

圖5為設(shè)計(jì)分區(qū)及計(jì)算剖面位置，利用上述巖土體參數(shù)，對(duì)現(xiàn)狀的研究區(qū)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算分析結(jié)果如下：4區(qū)(WH7,WH8)：強(qiáng)風(fēng)化巖以上安全系數(shù)偏低，但仍然有一定的安全儲(chǔ)備，不至于發(fā)生成片的滑坡。5區(qū)：從北幫往東幫第四系逐漸變厚，WH1剖面處在北幫和東幫的過(guò)渡區(qū)域，第四系厚度為20～30 m，強(qiáng)風(fēng)化層厚度為30～40 m。極限平衡計(jì)算表明，現(xiàn)狀邊坡安全系數(shù)為1.11，小于允許值。WH4剖面第四系厚度將近100 m，第四系底部的標(biāo)高在1 382～1 398 m之間，強(qiáng)風(fēng)化巖層厚度約為25 m。計(jì)算表明，該剖面第四系地層邊坡的安全系數(shù)為0.86，不穩(wěn)定。6區(qū)(WH5，WH9)是重要設(shè)施和滑坡區(qū)域：2020年4月3日，機(jī)修廠正下方邊坡發(fā)生寬度達(dá)近百米的滑坡。1 521～1 465 m邊坡發(fā)生滑塌，該區(qū)域?yàn)楸敬沃匾幕路治鰠^(qū)域。

圖5 設(shè)計(jì)分區(qū)及計(jì)算剖面位置

3 邊坡水文地質(zhì)條件和滲流分析

3.1 氣候條件

本區(qū)屬北溫帶大陸性氣候，總的特征是氣候干旱，雨量較少，氣溫較低。冬季漫長(zhǎng)、干燥寒冷，夏季炎熱、雨季集中，春季風(fēng)多、升溫較快，秋季短暫，天氣涼爽。全年平均氣溫在 7.1～8.1 ℃之間，無(wú)霜期為 120～140 天，最高氣溫 37.4 ℃，最 低氣溫-30.5 ℃。7月最熱，月均氣溫為 20.6 ℃。元月最冷，月均氣溫為-12.7～-14.6 ℃。 年溫差大，一般在 30 ℃左右。日溫差變化劇烈，一般在 12～15 ℃之間。多年平均降雨量 439 mm，大多集中在 6～8 月，年最大降水量 563.5 mm(1988年)，年最小降水量為 213 mm(1972年),日最大降水量 112.4 mm，小時(shí)最大降水量39.4 mm (1994 年7月23日12時(shí)28分)。多年平均蒸發(fā)量1 905.3 mm， 相當(dāng)于降雨量的4.5 倍。最大凍土深度為 1.2 m。

礦區(qū)主要發(fā)育兩條大的沖溝：武家梁溝和與其隔一道山梁南側(cè)的不算溝。礦區(qū)開采前期，北部、東部和南部的溝谷中均有若干泉水出露，多數(shù)為上層滯水下降泉，季節(jié)性較強(qiáng)。

3.2 主要含水層

風(fēng)化含水層：屬于賦水微弱含水層，其補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水。隨著礦山開采加深，風(fēng)化帶由于滲透性良好，易于疏干。構(gòu)造裂隙含水層：為礦區(qū)主要的兩個(gè)斷層，F(xiàn)A 斷層和 FB 斷層，富水性中等?？紫逗畬樱簺_、洪積松散含水層及黃土含水層。黃土含水層，該含水層為上層滯水(包氣帶水)，巖性以粉土為主，垂直節(jié)理發(fā)育，具大孔隙，滲透性較好。

3.3 邊坡滲流分析

圖6～圖8為不同風(fēng)化巖隨著疏干時(shí)間壓力水頭的變化情況。

圖6 風(fēng)化巖體開采疏排計(jì)算模型

圖7 中風(fēng)化層開采疏排與坡腳同高程的地下水位線隨位置的變化曲線

圖8 強(qiáng)風(fēng)化層開采疏排與坡腳同高程的地下水位線隨位置的變化曲線

上述分析表明按照礦山正常的開采下降速度，正常的靠幫速度即滿足風(fēng)化巖層疏排所需的時(shí)間要求。

圖11 東南幫現(xiàn)狀邊坡疏干一年后的飽和度場(chǎng)

圖9～圖10表明不同時(shí)期東南幫滲流情況分析結(jié)果。東南幫機(jī)修廠房以及變電所下部，第四系地層地下水外滲嚴(yán)重。該部位在 2018～2019年靠幫時(shí)，邊坡因水位高出現(xiàn)多次規(guī)模不大的滑坡。分析表明該部位第四系地下水疏干的滯后性是導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低的重要因素，尤其是南部邊坡在冬季和春季時(shí)更容易產(chǎn)生滑坡的原因。

圖9 東南幫 1 488 m 水平以上開挖引起坡體滲流場(chǎng)的變化

圖10 冬季地表凍結(jié)條件下邊坡地下水位的變化

4 設(shè)計(jì)境界優(yōu)化

根據(jù)上述邊坡巖土體參數(shù)試驗(yàn)和穩(wěn)定性分析結(jié)果，并結(jié)合滲流條件，需要確保滑坡體進(jìn)行治理，并保證深部開采邊坡安全，對(duì)設(shè)計(jì)境界進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

4.1 邊坡角變化

采場(chǎng)北側(cè)邊坡第四系厚度較小約20 m，第四系整體邊坡角取38°，強(qiáng)風(fēng)化層60～70 m，厚度大，強(qiáng)風(fēng)化層整體邊坡角度33°～34°。采場(chǎng)東側(cè)第四系約80m，厚度大，第四系整體邊坡角26°～29°，強(qiáng)風(fēng)化層厚度較小30～40 m，強(qiáng)分化層整體邊坡角度37°～42°。采場(chǎng)南側(cè)滑坡區(qū)域邊坡情況較差，第四系整體邊坡角度23°～28°，強(qiáng)風(fēng)化層整體邊坡角度33°～37°。

4.2 平臺(tái)參數(shù)調(diào)整

黃土層平臺(tái)寬度為10 m，強(qiáng)風(fēng)化層平臺(tái)寬度10.5m，1 488 m平臺(tái)需布置截洪溝工程平臺(tái)寬度為15 m。1 458 m水平以下基巖層平臺(tái)寬度與原設(shè)計(jì)保持一致，安全平臺(tái)不小于5 m，清掃平臺(tái)不小于8 m。

4.3 道路系統(tǒng)變化

道路系統(tǒng)總出入溝確定在采場(chǎng)東南端地表標(biāo)高1 443 m處。向采場(chǎng)內(nèi)采用螺旋和折返相結(jié)合方式展線，即從采場(chǎng)東南端1 443 m標(biāo)高開始沿采場(chǎng)南側(cè)幫向西經(jīng)過(guò)1 359 m回頭折返后，采用螺旋展線布置方式至露天底1 128 m水平。

4.4 優(yōu)化后的穩(wěn)定性分析

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是按照滑體標(biāo)高范圍為1 450～1 522 m范圍，最終形成第四系邊坡角度約為23°左右。主要剖面計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 WH9剖面安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明該剖面各狀態(tài)邊坡穩(wěn)定性滿足安全標(biāo)準(zhǔn)1.20的要求。該剖面處存在滑坡體?；麦w必須通過(guò)削坡進(jìn)行清理，方可繼續(xù)執(zhí)行下部境界靠幫。

5 防治水措施

由于滑坡主要由地下水疏干滯后引起上部黃土飽和強(qiáng)度降低導(dǎo)致，同時(shí)與地表徑流水存在一定關(guān)系，因此邊坡防護(hù)以治水為主。

5.1 降水方案(疏干井方案)

垂直疏水井7口，孔深17.50～46.80 m，累計(jì)深度241.80 m，進(jìn)入中風(fēng)化巖3～5 m。通過(guò)抽水試驗(yàn)及邊坡的變形觀測(cè)，疏水井疏水后滑坡體變形減緩，通過(guò)疏水井疏水增強(qiáng)了邊坡的穩(wěn)定性。后續(xù)靠幫過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)檢測(cè)，監(jiān)測(cè)邊坡開挖時(shí)土質(zhì)的含水情況及變形情況，如部分區(qū)域含水量過(guò)大，應(yīng)增加疏水井的數(shù)量。

5.2 降水方案(疏干孔)

主要為仰斜式排水孔，自上而下共布設(shè)4排排水孔，排水孔鉆孔孔徑130 mm，排水孔出口處，設(shè)置D=200mmPVC管集水管，全部收集匯入平臺(tái)集水坑中。 疏干孔總流量初期保持在100 m3/d,目前下降為40～50 m3/d，說(shuō)明坡面疏干具有一定效果。

5.3 截洪溝方案

封閉圈以上1 458 m水平設(shè)置主截洪溝，將坡體內(nèi)疏干水，地表降雨徑流等統(tǒng)一外排至武家梁溝內(nèi)。 各邊坡設(shè)置臺(tái)階截水溝，通過(guò)急流槽導(dǎo)入主排水溝統(tǒng)一外排。坡頂采用混凝土硬化措施。坡面采用掛網(wǎng)噴射砂漿混凝土護(hù)坡或采用綠化種草護(hù)坡。

6 結(jié)語(yǔ)

該礦山滑坡主要影響因素包括巖土體參數(shù)弱化和地下水。其中第四系地下水疏干的滯后性是導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低的重要因素。調(diào)整設(shè)計(jì)以滑坡區(qū)削坡清理為主，經(jīng)削坡處理后各區(qū)域邊坡基本滿足安全標(biāo)準(zhǔn)要求。由于滑坡主要由地下水疏干滯后引起的上部黃土強(qiáng)度降低導(dǎo)致，同時(shí)與地表徑流水也存在一定關(guān)系，因此邊坡防護(hù)應(yīng)以治水為主。