撫順西露天礦北幫弱層影響下逆傾邊坡高位失穩(wěn)模式與控制

侯成恒

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

我國煤礦露天開采最早可追溯到20 世紀(jì)初期，露天礦發(fā)展前期規(guī)模小、生產(chǎn)能力低，進(jìn)入20 世紀(jì)80 年代后，大型露天煤礦建設(shè)步伐加快，目前已占據(jù)煤礦產(chǎn)能的18%左右。大型化露天煤礦發(fā)展經(jīng)歷了30 多年歷史，礦坑基本由前期的淺部開采逐步向深部開采過渡，礦山安全問題尤為突出，尤其邊坡高位失穩(wěn)破壞問題成為制約露天礦安全生產(chǎn)的主要關(guān)鍵問題之一。20 世紀(jì)60 年代，谷德振、孫玉科教授首次提出了“巖體結(jié)構(gòu)”概念，將復(fù)雜的巖體抽象為科學(xué)的結(jié)構(gòu)類型分類依據(jù)，包含了巖體結(jié)構(gòu)控制巖體穩(wěn)定性的重要觀點(diǎn)；20 世紀(jì)80 年代，加拿大C O Brawner 教授等首次提出邊坡破壞模式，即圓弧滑動(dòng)、塊狀破壞、整體與非連續(xù)節(jié)理破壞、平面破壞、鍥形破壞和傾倒式破壞等；20 世紀(jì)90 年代，張倬元等根據(jù)邊坡巖土體結(jié)構(gòu)與其變形破壞的力學(xué)機(jī)制之間聯(lián)系實(shí)際觀察和力學(xué)分析，最先把邊坡變形破壞歸納為為以下6 種模式：蠕滑-拉裂模式、滑移-拉裂模式、滑移-壓致拉裂模式、滑移-彎曲模式、彎曲-拉裂模式、塑流-拉裂模式等[1]；21 世紀(jì)初，曹蘭柱、白潤才等引入基于巖體結(jié)構(gòu)控制理論、極限平衡理論思想，研究軟巖邊坡潛在滑坡模式[2-3]。

以往專家、學(xué)者或工程技術(shù)人員，對露天礦邊坡問題做了大量研究工作，提出了不同的觀點(diǎn)與意見，從邊坡巖體類型、滑坡模式、巖層產(chǎn)狀、地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造及外部影響條件等不同角度，對邊坡滑坡類型進(jìn)行詳細(xì)劃分與深入研究，形成了大量研究成果和治理對策，對露天礦生產(chǎn)過程中邊坡穩(wěn)定問題具有指導(dǎo)性意義。

根據(jù)以往滑坡數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，大多數(shù)露天礦出現(xiàn)邊坡滑坡主要集中在排土場、采場順傾區(qū)，由于逆傾邊坡出現(xiàn)滑坡概率相對較低，逆傾邊坡方面失穩(wěn)模式與控制措施研究相對較少，尤其是受弱層影響下逆傾邊坡高位滑坡方面研究成果較少[4-5]。為此，以撫順西露天礦北幫高位邊坡滑坡為工程背景，針對高位滑坡危害強(qiáng)、治理難度大、影響范圍廣等難題，采用深部位移監(jiān)測方法、滑動(dòng)反分析手段，確定滑坡體弱層賦存位置、產(chǎn)狀及抗剪強(qiáng)度參數(shù)；利用數(shù)值模擬方法，揭示了弱層影響下逆傾邊坡高位失穩(wěn)模式；在以上研究成果基礎(chǔ)上確定了邊坡安全控制措施，采用極限平衡法分析不同控制措施邊坡穩(wěn)定程度，在治理施工期間及治理完成后一定周期內(nèi)，依據(jù)基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對控制效果進(jìn)行評估，評估結(jié)果顯示滑坡區(qū)邊坡控制效果顯著，可滿足礦山安全生產(chǎn)需求，為同類型邊坡失穩(wěn)模式與控制研究奠定基礎(chǔ)。

1 工程地質(zhì)概況

撫順西露天礦走向?yàn)闁|西方向、傾向由南向北傾。通過以往工程地質(zhì)資料及現(xiàn)場巖層揭露情況，北幫巖土體主要分3 個(gè)工程地質(zhì)空間組合單元：①第四系松散層：上部為人工堆積土與亞黏土、下部為砂與砂礫，厚度不均；②綠色泥巖與褐色頁巖互層：層厚比約為3∶1，其中褐色頁巖中含泥化夾層（厚度不超過0.2 m）；③硬巖巖組：由油頁巖和煤層組成，厚度變化為35～210 m。北幫巖層傾向?yàn)楸眱A、構(gòu)成邊坡巖體傾角不小于20°，北幫邊坡整體表現(xiàn)為逆傾狀態(tài)。隨著露天礦不斷降深，短時(shí)間內(nèi)無法完全內(nèi)排至北幫上部邊坡，致使邊坡暴露時(shí)間增加，邊坡穩(wěn)定性有所降低；構(gòu)成邊坡巖體賦存弱層，弱層在水的長期浸潤作用下力學(xué)強(qiáng)度急劇降低，致使邊坡穩(wěn)定性降低直至發(fā)生失穩(wěn)破壞。

在大氣降雨作用下，于2016 年6 月北幫邊坡前緣出現(xiàn)剪出錯(cuò)動(dòng)、后緣出現(xiàn)張拉裂縫；2016 年7 月底邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，破壞區(qū)東西走向長度約600 m、南北寬度約400 m、高差約100 m、破壞區(qū)地表影響面積約150 000 m2，滑坡發(fā)生后導(dǎo)致主要部分運(yùn)輸干線中斷。綜合基礎(chǔ)資料分析、判斷，引起邊坡失穩(wěn)破壞主要原因?yàn)椋哼吰麦w內(nèi)存在弱層（泥化夾層），在強(qiáng)降雨作用條件下，邊坡體內(nèi)含水量急劇增加，巖體處于飽水狀態(tài)，浸潤作用下弱層抗剪強(qiáng)度降低。為進(jìn)一步查清滑坡體內(nèi)弱層賦存位置及產(chǎn)狀，在工程地質(zhì)勘查鉆孔內(nèi)安裝測斜管，進(jìn)行深部位移監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析同一剖面測斜管錯(cuò)斷部位及連續(xù)地下水水位標(biāo)高，判定弱層賦存位置距離滑后地表45 m、傾角為12°、地下水穩(wěn)定水位標(biāo)高為-18～-5 m水平。結(jié)合破壞區(qū)工程地質(zhì)資料，選取典型E1000剖面建立工程地質(zhì)模型，E1000 剖面工程地質(zhì)模型如圖1。

圖1 E1000 剖面工程地質(zhì)模型Fig.1 E1000 section engineering geological model

2 巖土物理力學(xué)參數(shù)

滑坡區(qū)巖土物理力學(xué)參數(shù)，尤其是滑帶土/巖（潛在弱層）抗剪強(qiáng)度參數(shù)，是邊坡失穩(wěn)破壞模式及穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)，同時(shí)決定了治理措施的選取及治理工程量的規(guī)模。本次數(shù)值模擬與穩(wěn)定性分析參數(shù)的選取主要通過以下2 種方式獲得：①搜集、整理以往歷次研究成果資料，分析得出適用于本研究力學(xué)參數(shù)；②采用滑動(dòng)反分析方法，通過滑坡前后弱層指標(biāo)反分析及強(qiáng)度折減程度分析，得到弱層強(qiáng)度指標(biāo)。采用以上2 種方式，相互對比與驗(yàn)證，以避免巖土體力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的片面性和局限性[6]。

邊坡滑坡相當(dāng)于現(xiàn)場大型原位剪切試驗(yàn)，通過該方法得到的數(shù)據(jù)更貼合現(xiàn)場實(shí)際，滑動(dòng)反分析基本原理為：邊坡滑坡前為極限平衡狀態(tài)，滑坡后達(dá)到新的極限平衡狀態(tài)，定義滑坡前、滑坡后邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.0，分別計(jì)算弱層滑坡前、后弱層黏聚力C 及內(nèi)摩擦角φ，對不同參數(shù)擬合分析，最終得出弱層強(qiáng)度指標(biāo)。具體反分析方案為：①弱層為泥化夾層，反分析時(shí)對黏聚力強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行折減（5%～50%），確定其強(qiáng)度范圍；②內(nèi)摩擦角對邊坡穩(wěn)定敏感性較大，反分析過程中，依據(jù)折減結(jié)果以一定的等差數(shù)列確定內(nèi)摩擦角反分析范圍，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.0 條件下，分別對反分析剖面內(nèi)聚力反算；③依據(jù)反分析結(jié)果，對黏聚力C 與內(nèi)摩擦角正切值tanφ 進(jìn)行擬合分析，擬合曲線相交點(diǎn)為演化弱層強(qiáng)度指標(biāo)。

選取E1000 與E900 2 個(gè)剖面，采用極限平衡法對滑坡前與滑坡后弱層強(qiáng)度進(jìn)行反算、擬合，滑坡前弱層抗剪強(qiáng)度擬合結(jié)果如圖2，滑坡后弱層抗剪強(qiáng)度擬合結(jié)果如圖3。對比弱層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)反分析結(jié)果，滑坡后其數(shù)值衰減較大，內(nèi)摩擦角折減至滑前74%，黏聚力折減至滑前6%。綜合分析，邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)推薦值見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)推薦值Table 1 Recommended values of physical and mechanical parameters of rock and soil mass

圖2 滑坡前弱層抗剪強(qiáng)度擬合結(jié)果Fig.2 Fitting results of shear strength of weak layer in front of landslide

圖3 滑坡后弱層抗剪強(qiáng)度擬合結(jié)果Fig.3 Fitting results of shear strength of weak layer after landslide

3 邊坡失穩(wěn)破壞模式

3.1 數(shù)值模擬模型

為確定露天礦逆傾邊坡潛在弱層賦存條件下，發(fā)生高位滑坡失穩(wěn)破壞模式，基于撫順西露天礦北幫失穩(wěn)破壞前邊坡形態(tài)輪廓，根據(jù)E1000 剖面工程地質(zhì)簡化模型，采用ANSYS 建立數(shù)值分析模型，利用FLAC3D進(jìn)行后期計(jì)算分析，能有效克服FLAC3D前期處理不足。整個(gè)模型長度700 m、高度320 m，模型計(jì)算選取坐標(biāo)系為：邊坡臨空面方向?yàn)閤 負(fù)方向，向上為z 正方向。模型的左邊界、右邊界和底部邊界分別以水平x 方向和垂直z 方向的位移約束，從而構(gòu)成位移邊界條件；介質(zhì)彈塑性狀態(tài)采用理想彈塑性模型描述，以保持整個(gè)系統(tǒng)受力體系的平衡。通過分析邊坡水平位移云圖、總位移云圖、剪應(yīng)變增量圖及位移矢量圖，揭示弱層影響條件下高位邊坡失穩(wěn)破壞模式[7-8]。

3.2 數(shù)值模擬成果

水平位移云圖如圖4，總位移云圖如圖5，位移矢量如圖6，剪應(yīng)變增量如圖7。

圖7 剪應(yīng)變增量圖Fig.7 Shear strain increment diagram

由圖4、圖5 可知：北幫邊坡變形區(qū)集中在地表至-30 m 水平，且前緣（-30 m 水平）出現(xiàn)明顯滑動(dòng)特征，上部第四系主要表現(xiàn)為沉降變形，總體位移指向礦坑方向，大位移變化均發(fā)生在弱層上部區(qū)域巖層內(nèi)。

圖5 總位移云圖Fig.5 Total displacement diagram

由圖6 可知：弱層上部巖體位移明顯大于下部巖體，總體位移矢量與弱層產(chǎn)狀基本一致，北部巖體沉降變形大，前緣-30 m 水平出現(xiàn)明顯滑動(dòng)變形。

圖6 位移矢量圖Fig.6 Displacement vector diagram

由圖7 可知：上部剪入口沿地表第四系，前緣剪出口為-30 m 水平，滑動(dòng)面沿弱層賦存層位發(fā)生完全貫通，表明整個(gè)滑體已基本形成，邊坡失穩(wěn)變形已成為必然，僅體現(xiàn)在時(shí)間周期上。

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果分析，北幫邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞范圍為地標(biāo)至-30 m 水平，前緣所在位置與坑底關(guān)系判斷，失穩(wěn)破壞類型屬于高位滑坡；受外界影響前緣出現(xiàn)剪出，后緣形成張拉裂縫，最終失穩(wěn)破壞模式為：沿弱層“坐落-滑移式”變形破壞。

4 邊坡穩(wěn)定控制措施及控制效果

4.1 邊坡穩(wěn)定控制措施

目前露天礦大規(guī)?；轮卫泶胧┲饕獮椋合髌聹p載、回填壓腳、疏干排水、工程加固（抗滑樁、錨索）、巖性改良?；掳l(fā)生后達(dá)到新的平衡，滑坡體上部區(qū)域具有削坡減載條件，從力學(xué)角度分析，采用下滑段減載可提高邊坡穩(wěn)定性；由于北幫邊坡滑坡屬于高位滑坡，下部區(qū)域還未完全到界，短期內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)回填壓腳；北幫邊坡滑坡主要外部條件為持續(xù)強(qiáng)降雨，滑坡發(fā)生后邊坡體內(nèi)基本為飽水狀態(tài)，水對邊坡體形成一定的壓力和巖土體性質(zhì)弱化雙重機(jī)制，疏干排水成本行對較低，可考慮采用該措施。工程加固措施治理費(fèi)相對較高，滑坡體面積較大，全區(qū)采取該措施性價(jià)比相對太低，可考慮局部加固；由地下巖移監(jiān)測可知弱層賦存深度不等，但總體深度較大，采用弱層力學(xué)性質(zhì)改良，精準(zhǔn)施工難度大，工程造價(jià)高，相對其它措施經(jīng)濟(jì)合理性低[9]。

綜合以上措施分析，從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性分析、論證，北幫邊坡高位滑坡主要控制措施：清方減載、疏干排水?？刂拼胧┰O(shè)計(jì)圖如圖8。

圖8 控制措施設(shè)計(jì)圖Fig.8 Design drawing of control measures

1）削坡減載控制措施。后緣局部區(qū)域形態(tài)不規(guī)整需進(jìn)行臺階式處理，前緣堆積物高度較大需采取降段式處理，在上述工作基礎(chǔ)上開展主滑體削坡減載，將主滑體標(biāo)高降至+2 m 水平，形成南北向?yàn)?°正向坡度，有利于上部地表水流向南側(cè)礦坑排水溝，避免滑體內(nèi)水的積聚。

2）疏干排水措施。疏干排水采用大孔徑疏干井，滑體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)前為有效避免疏干井受損，從而保證疏干效果，疏干井設(shè)計(jì)深度必須小于滑面實(shí)際深度，滑體屬于相對松散物料導(dǎo)水性較好，為達(dá)到較好的疏干效果（水位標(biāo)高越低，疏干效果越好），預(yù)想疏干水平為-25、-29、-33、-37 m。

4.2 控制效果

4.2.1 邊坡穩(wěn)定性定量分析

運(yùn)用極限平衡法對治理后邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果中穩(wěn)定系數(shù)Fs作為邊坡穩(wěn)定性定量分析參數(shù)，確定滑坡區(qū)治理后邊坡安全儲備系數(shù)為1.30，計(jì)算結(jié)果小于1.30 時(shí)表示安全儲備系數(shù)不足，治理效果不理想[10]。通過對削坡減載、疏干排水2 種措施穩(wěn)定性計(jì)算可知：削坡減載后邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.104，安全儲備系數(shù)不足。在削坡減載設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對不同預(yù)想疏干水平邊坡穩(wěn)定性定量計(jì)算，最終確定削坡減載為+2 m 水平、疏干水位標(biāo)高為-33 m 水平，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.316，削坡減載設(shè)計(jì)方案不同疏干水平邊坡E1000 剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖9。

圖9 削坡減載設(shè)計(jì)不同疏干水平邊坡穩(wěn)定Fig.9 Slope cutting and load reduction design of slope stability with different drainage levels

4.2.2 控制效果評估

為實(shí)時(shí)掌握滑坡區(qū)控制措施實(shí)施過程中及實(shí)施后邊坡穩(wěn)定狀況，同時(shí)作為邊坡穩(wěn)定控制效果評估依據(jù)，在滑體內(nèi)新增3 個(gè)測量機(jī)器人（2016 年9月），定期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集區(qū)分析。工程于2016 年11月開始施工，2017 年6 月基本完成。邊坡累計(jì)水平位移圖如圖10，邊坡累計(jì)下沉位移圖如圖11。

圖10 累計(jì)水平位移圖Fig.10 Cumulative horizontal displacement diagram

圖11 累計(jì)下沉位移圖Fig.11 Cumulative subsidence displacement diagram

依據(jù)數(shù)據(jù)分析可知：滑坡發(fā)生后滑體仍發(fā)生蠕動(dòng)變形，隨著工程施工陸續(xù)完成，至2017 年7 月中旬開始趨于穩(wěn)定，其后變形基本為0；滑體內(nèi)邊坡變形基本呈現(xiàn)由南向北逐步遞減的趨勢。滑坡體控制工程施工完成后逐步趨于穩(wěn)定，邊坡穩(wěn)定性定量分析后穩(wěn)定系數(shù)大于1.30，同時(shí)結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，滑坡體治理后具有顯著成效。

5 結(jié) 語

針對撫順西露天礦北幫弱層影響下逆傾邊坡高位失穩(wěn)破壞，采用深部監(jiān)測手段，確定弱層賦存位置距離滑后地表45 m、傾角為12°，地下水穩(wěn)定水位標(biāo)高為-18～-5 m 水平；采用滑動(dòng)反分析手段，確定弱層內(nèi)摩擦角折減至滑前的74%，黏聚力折減至滑前的6%。運(yùn)用數(shù)值模擬手段，確定了弱層影響條件下逆傾邊坡高位失穩(wěn)破壞模式為：沿弱層的“坐落-滑移式”變形破壞。通過對削坡減載、削坡減載下不同疏干排水水平控制措施邊坡穩(wěn)定定量分析，確定了削坡減載（+2 m 水平）與疏干排水（-33 m 水平）相結(jié)合的控制措施，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.316，滿足安全儲備要求。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：滑坡后及控制工程施工完成前，邊坡仍處于蠕動(dòng)變形階段，邊坡變形基本呈現(xiàn)由南向北逐步遞減的趨勢；施工后開始趨于穩(wěn)定，滑坡區(qū)邊坡控制效果顯著，為安全生產(chǎn)提供必要條件。