高位淺層堆積體滑坡殘積體注水法治理實踐

周小平，李 燁，王智德，夏元友

(1.巴中海螺水泥有限責任公司，巴中 636600；2.安徽海螺水泥股份有限公司，蕪湖 241000；3.武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070)

山體滑坡一直是地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域的研究重點及難點，每年時有滑坡發(fā)生的報道。滑坡災(zāi)害通常成因復(fù)雜、破壞性強，處理有一定的難度，給人們帶來諸多困難[1]，如舟曲縣瓜咱壩3號滑坡、貴州水城滑坡和湖北千將坪滑坡等[2,3]?；略趦?nèi)外力作用下，主要受地形地貌和地層結(jié)構(gòu)影響，尤其是結(jié)構(gòu)面發(fā)育的坡體[4]。對于出現(xiàn)的滑坡體，通常需要查明滑坡的破壞機理，進行相應(yīng)的穩(wěn)定性評價，并在此基礎(chǔ)上提出合適的治理方案。邊坡穩(wěn)定性分析的方法較多，如工程地質(zhì)分析法、極限平衡法、極限分析法和數(shù)值分析法等[5,6]。工程中較為常用的方法一般是根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，采用極限平衡法等或者數(shù)值模擬對滑坡體安全系數(shù)展開分析[7]。在滑坡治理方面，需要根據(jù)滑坡特點與工程性質(zhì)進行選擇，如削坡、反填壓土以及設(shè)置擋土結(jié)構(gòu)阻攔等措施[8,9]。

巴中海螺水泥礦山滑坡位于該石灰石礦東側(cè)界線外鄰近區(qū)域高邊坡中上部，滑坡體主要由開采后的廢棄堆石和地表浮土組成，于2020年10月28日發(fā)生滑坡。約1/3滑體順坡而下，堵塞下部運礦道路，約2/3滑坡殘積體仍堆積在滑坡坡腳，存在繼續(xù)滑坡的風險，對下方道路礦石運輸形成威脅，急需處治。

該文基于現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、極限平衡法與數(shù)值分析方法，分析了滑坡的形態(tài)與失穩(wěn)機制，評價了滑坡殘積體在自然狀態(tài)及飽和狀態(tài)下的穩(wěn)定性，結(jié)合現(xiàn)場施工條件，提出了采用注水法進行滑坡殘積體清理的治理方案，并取得了非常好的治理效果。

1 滑坡概況

該滑坡體緊鄰石灰石礦東側(cè)界線，位于石灰?guī)r高邊坡的中上部，運礦道路(高程1 100 m處標高)的正上方，滑坡體后緣距離上方高程1 278 m處開采平臺50 m?；滤诘倪吰赂叨却?，且坡度較為陡峭，為順層巖質(zhì)邊坡。高邊坡基巖為硬質(zhì)中厚層狀石灰?guī)r，巖石傾向近北，傾角70°左右?；麦w主要由前期礦山開拓滾石、覆蓋土及地表植被組成，原始厚度平均3 m左右?；氯踩鐖D1所示。

滑坡體滑動堆積范圍，上下段陡峭，中間段平緩，形態(tài)呈不規(guī)則“簸箕狀”(圖1)，前緣微地貌呈多級坎狀?；w后緣已出現(xiàn)石灰?guī)r基巖揭露，如圖2所示?；露逊e體整體坡度45°左右，滑動方向近北。整個滑坡堆積體長約140 m，側(cè)向最大寬度30 m，厚度不一，預(yù)估整個滑坡體積為4 000 m3。

滑坡體后緣已滑移15 m左右?；坪螅细∥锪霞s1/3滑體順坡而下，堆積于下部運礦道路，但仍有約2/3滑體堆積于1 180 m高程處，形成長30 m，寬15 m，厚超過8 m的不穩(wěn)定滑坡殘積體，其坡度30°左右?；職埛e體坡腳石灰?guī)r基巖出露，但前緣存在陡坎臨空面，不利用于其穩(wěn)定。高程1 180 m以下坡體陡峭，主體為石灰?guī)r基巖。由此可以判斷，該滑坡為高程1 228～1 180 m段堆積體滑動所致。殘積體整體結(jié)構(gòu)松散，碎石含量較高。原地表塊度較大塊石集中于殘積體坡腳表層。

2 滑坡形成機理分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，滑坡后緣與1 180 m高程處皆發(fā)現(xiàn)有基巖出露，滑體主要為碎石與土體。由此，可以判斷該滑坡為沿下伏硬質(zhì)石灰?guī)r滑動的堆積體滑坡。

由于前期礦山開拓滾石呈面狀浮于第四系土層上方，大大增加了土層荷載。同時，由于該堆積體滑坡碎石含量較高，多年的長期降雨水的入滲容易造成淺表層土體細顆粒物質(zhì)隨滲流遷移，在土體與下伏硬質(zhì)石灰?guī)r交界面處形成細顆粒物質(zhì)富集，構(gòu)成軟弱滑面，并使上部的土體變得松散。滑坡前期降雨頻繁，在降雨作用下，土體遇水軟化、加重，抗剪切強度大大降低。因此頻繁降雨是誘發(fā)此次滑坡的關(guān)鍵。

從滑坡后緣及1 180 m高程處基巖出露及滑坡后堆積體形態(tài)可以判斷，該滑坡屬于滑面前緣平緩、后緣陡傾的推移式滑坡。

3 殘積體治理

由于滑坡殘積體位于運礦道路的正上方，距離運礦道路80 m左右，其安全狀況時刻威脅著礦山運輸?shù)陌踩Ｓ捎诂F(xiàn)場邊坡坡度陡，滑坡殘積體結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差，現(xiàn)場不具備利用大型設(shè)備清理或采用工程措施治理的條件，同時考慮到人為清理效率低，安全風險大。為此，基于滑坡形成機理與現(xiàn)場滑坡殘積體狀態(tài)的認識，提出了采用注水法清理滑坡殘積體的治理方案。為論證提出治理方案的可行性，在滑面力學參數(shù)反演基礎(chǔ)上，采用極限平衡法與數(shù)值模擬分析滑坡殘積體在飽水狀態(tài)下的穩(wěn)定性，并據(jù)此提出了具體治理方案。

3.1 殘積體穩(wěn)定性評價

殘積體邊坡主要由粘土和碎石組成，基巖由二疊系下統(tǒng)棲霞、茅口組石灰?guī)r組成。通過室內(nèi)試驗結(jié)合反分析及工程經(jīng)驗，獲取了邊坡在天然和飽和狀態(tài)下的主要物理力學參數(shù)，如表1所示。

表1 巖土體與結(jié)構(gòu)面試驗參數(shù)

1)極限平衡分析 采用不平衡推力傳遞法進行計算[10]，邊坡剖面示意圖如圖3所示。

采用不平衡推力傳遞法計算抗滑安全系數(shù)時，因該工程不考慮地震作用以及其他外力荷載的作用，其計算簡圖如圖4所示。

邊坡安全系數(shù)K計算方法如下

(1)

其中，抗滑力Ri、下滑力Ti以及傳遞系數(shù)ψi的計算如下所示

Ri=Wicosαi·tanφ′i+c′ibisecαi

Ti=Wisinαiψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφ′i/K

式中,αi、αi-1為第i、i-1條塊底面與水平面的夾角；c′i、φ′i為第i條塊底面有效聚力和有效內(nèi)摩擦角；bi為第i條塊寬度,m；ψi為第i滑動條塊側(cè)面的推力傳遞系數(shù)；Wi為第i條塊重力。

通過計算，在自然條件下得到的殘積體的安全系數(shù)為1.124；當殘積體處于飽和狀態(tài)時，不考慮動水壓力，得到的安全系數(shù)為0.953。說明當殘積體處于飽和狀態(tài)時，會進一步失穩(wěn)。

2)數(shù)值分析

采用離散元數(shù)值分析軟件UDEC進行殘積體穩(wěn)定性分析及破壞過程模擬，過程如下：

(1)模型建立 坡面設(shè)置為自由面，模型右側(cè)為水平向位移約束，底部為固定約束。巖坡主體網(wǎng)格為15 m，殘積體為1.5 m。巖體結(jié)構(gòu)面間距設(shè)置為1.5 m。

(2)模擬思路 采用表1的自然條件與飽和條件相關(guān)參數(shù)進行殘積體的安全系數(shù)計算。

3)結(jié)果分析 自然條件下殘積體位移較小，最大為2.4 mm(圖5)，安全系數(shù)為1.12，符合當前殘積體的穩(wěn)定狀態(tài)；在飽和狀態(tài)下，滑坡體位移較大，最大位移為5.1 mm(圖6)，安全系數(shù)為0.89。

數(shù)值模擬方法與不平衡推力傳遞法得到的殘積體安全系數(shù)結(jié)果基本相符，對比自然條件和飽和條件下兩種方法得到的安全系數(shù)大小，說明使殘積體飽和可以使殘積體失穩(wěn)。

3.2 治理方案

基于以上分析，確定采用注水法進行滑坡殘積體清理的方案。在殘積體上方連續(xù)注水，逐漸使殘積體達到飽和，以達到滑坡體自然清理的效果。具體方案如下：

1)在滑坡體上方高程1 266 m平臺區(qū)域開挖臨時蓄水池蓄水提供水源，蓄水池容量根據(jù)殘積體體積估算，考慮確保充足水源，要求容積超過2 000 m3。蓄水池開挖后需加蓋防水布后再注水，防止?jié)B水。

2)利用自然落差，采用3根Φ80 mm的消防軟管從上部蓄水池引水，在殘積體上部連續(xù)注水，直至殘積體失穩(wěn)滑坡。

3)經(jīng)注水殘積體清理后，若發(fā)現(xiàn)仍有局部殘留，可采用人工清理方法清理。

4)殘積體清理后，對滑坡體邊界土體坡面進行噴漿封閉防護，防治土體進一步坍塌。

5)殘積體清理后，加強邊坡巡視，確保下方運礦道路車輛、人員、設(shè)備的安全。

3.3 治理效果

在注水法進行滑坡殘積體清理實施過程中，當注水量達到800 m3時，滑坡殘積體喪失了穩(wěn)定，整體下滑，幾乎沒有殘留，效果極佳。治理過程及效果的部分照片如圖7所示。

4 結(jié) 論

針對巴中海螺礦山高位淺層堆積體滑坡殘積體，通過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查與穩(wěn)定性評價，分析了滑坡的形態(tài)與失穩(wěn)機制以及滑坡殘積體的穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)合現(xiàn)場施工條件，提出采用注水法進行滑坡殘積體清理的治理方案，獲得以下主要結(jié)論：

a.通過地質(zhì)調(diào)查，初步判斷滑坡屬于滑面前緣平緩、后緣陡傾的推移式滑坡。

b.極限平衡法及數(shù)值方法評價結(jié)果皆表明：滑坡殘積體在飽和狀態(tài)下安全系數(shù)小于1，極易失穩(wěn)。

c.提出了在殘積體上部連續(xù)注水清理殘積體的治理方案。該治理方案的思路是：在連續(xù)注水作用下，松散殘積體自重增大，土體的抗剪強度降低，使滑坡殘積體喪失穩(wěn)定整體下滑。

d.工程應(yīng)用結(jié)果表明，采用注水法清理滑坡殘積體取得非常好的治理效果。