植物修復下露天礦弱層群順層高邊坡穩(wěn)定性分析

賈起超，孫 杰，郝 喆，申 城

（遼寧大學 環(huán)境學院，遼寧 沈陽 110036）

海州露天煤礦曾經(jīng)是亞洲最大的露天煤礦，由于露天開采的作業(yè)方式，改變了地形、地貌及巖土體的應力應變條件，強烈地破壞了原來的地質(zhì)環(huán)境，產(chǎn)生了一系列復雜的礦山環(huán)境問題。目前，海州露天礦重點在北幫開展了地質(zhì)災害治理和生態(tài)修復。生態(tài)修復起到了防治水土流失、凈化空氣和美化環(huán)境的作用，但也會對巖土邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。學者們運用不同方法對露天礦邊坡穩(wěn)定性進行大量研究。楊天鴻等[1]依據(jù)數(shù)據(jù)分析、現(xiàn)場模型可視化驗證了三位一體邊坡穩(wěn)定的評價思路；黃堃[2]使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件重點剖析露天礦邊坡穩(wěn)定性相對較弱的地段，對露天礦邊坡位移規(guī)律進行分析總結；王旭春等[3]基于有限單元法和強度折減法構建滑移區(qū)三維地質(zhì)模型進而分析評價露天礦的邊坡穩(wěn)定性；馮德潤等[4]根據(jù)赤平投影法和強度折減法，對某礦山邊坡進行穩(wěn)定性分析；胥孝川等[5]利用云物元模型構建了露天礦邊坡穩(wěn)定性的模型；曹蘭柱等[6]運用FLAC3D軟件模擬驗算弱層群邊坡滑移面比較危險的地方；侯敏[7]采用理論分析運用數(shù)值模擬對邊坡的破壞形態(tài)進行了驗證；DU 等[8]通過地質(zhì)結構面幾何形態(tài)和抗剪強度對露天礦邊坡穩(wěn)定性進行評價。

從露天礦邊坡穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀來看，主要限于原始邊坡或加固治理后邊坡，而對于生態(tài)修復后露天礦邊坡的穩(wěn)定性，特別是對于原始邊坡、加固后邊坡和生態(tài)修復后邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律缺乏深入探討。為此，以阜新海州露天煤礦邊坡為例，對露天礦的原始邊坡、加固治理后邊坡、覆土栽植后邊坡分別進行穩(wěn)定性分析；為露天礦安全運行、邊坡災害分析和應對策略提供科學依據(jù)。

1 邊坡模型

1.1 研究區(qū)域概況

露天礦位于阜新煤田中部，阜新市之南偏東的位置，海州礦開采形成了大型深凹露天礦坑，露天坑東西長3.8 km，南北寬1.8 km，深350 m。露天坑長軸走向約N70°E。北幫邊坡的走向基本上與層狀巖層的走向方向一致，而且?guī)r層呈緩傾角的方式傾向坡外，其傾角與現(xiàn)今邊坡的坡角基本一致，構成了18°～20°傾角的順向坡。北幫邊坡具有6 個弱煤層組成的弱層群，傾角與弱層傾角方向保持一致，形成了典型的弱層群順層高邊坡。

經(jīng)現(xiàn)場勘察，露天礦巖土體主要由第四紀土層、煤層弱層、基巖層和斷層組成。邊坡全長范圍之內(nèi)，E10 大約處于中部，該剖面地層復雜，6 個弱層分布明顯，且被2 個斷層切割。為此，針對E10 剖面地層結構，建立計算模型，模型長約1 500 m，高約350 m。露天礦邊坡剖面及地層結構如圖1。

圖1 露天礦邊坡剖面及地層結構

1.2 模擬參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場巖土工程勘察報告，獲得的地層巖土體主要物理力學參數(shù)取值見表1。

表1 巖土物理力學試驗成果表

考慮的計算工況分為：降雨工況和非降雨工況。根據(jù)規(guī)范[9]要求，邊坡上有非常重要建筑物或邊坡滑落會造成嚴重生命財產(chǎn)損失的，其邊坡安全系數(shù)為1.50。海州礦北幫邊坡上有阜新發(fā)電廠等重要建筑，將安全系數(shù)取為1.50。

按勘察所得真實地下水位來模擬設定水位線。在飽和－非飽和滲流分析中，結合邊坡現(xiàn)場條件，獲取計算模型所需水土特征參數(shù)。采用Geo－studio 中的SEEP/W 模塊進行非飽和滲流模擬。模型底部設為不透水邊界，左右兩側水位線以下設為定水頭邊界，其余為0 流量邊界；坡面設為降雨流量邊界。根據(jù)本地區(qū)氣象條件，將模擬降雨強度設為暴雨上限（100 mm/d）級別，并將降雨歷時設定為2 d，進行相應的非飽和滲流模擬分析。

2 露天礦邊坡穩(wěn)定性

2.1 原始邊坡

1）非降雨工況。非降雨工況下的原始邊坡穩(wěn)定性分析結果如圖2。非降雨無植物體原始邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.343＜1.50，不滿足規(guī)范[9]要求，經(jīng)過各個弱層的安全系數(shù)結果分析對照，滑坡在4＃弱層安全系數(shù)最小最不穩(wěn)定?；w后緣位于整個邊坡上部，滑體前緣位于整個滑坡的中部，滑體最深處約12 m，滑面在基巖和煤層之間順層面滑動。因此，進一步進行壓腳整形對原始邊坡進行加固。

圖2 非降雨下原始邊坡穩(wěn)定性

2）降雨工況。降雨非飽和滲流工況下的原始邊坡穩(wěn)定性分析結果如圖3。無植物體原始邊坡降雨非飽和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.285＜1.50，不滿足規(guī)范[9]要求，滑體后緣位于整個邊坡上部，滑體前緣位于整個滑坡的中部，滑面在基巖和煤層之間順層面滑動，屬于順層滑坡。原始邊坡的降雨非飽和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.285 小于非降雨1.343，地下水位線上移，位于弱層之上距地表10 m 左右，因此需要對原始邊坡采取壓腳整形等治理措施。

圖3 降雨非飽和滲流工況下原始邊坡穩(wěn)定性

2.2 壓腳整形邊坡

在坡腳位置處，采用礦坑內(nèi)既有內(nèi)排巖土開展壓腳工程，以保證坡腳穩(wěn)定，防止邊坡滑坡。巖土逐層回填，分層厚度500 mm，壓實系數(shù)為0.9，壓腳最大高度為50 m，壓腳區(qū)坡度約為40°。

1）非降雨工況。非降雨工況下的壓腳整形邊坡穩(wěn)定性分析結果如圖4。壓腳整形邊坡后的非降雨邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.751＞1.50，滿足規(guī)范要求，經(jīng)過各個弱層的安全系數(shù)結果分析對照，滑坡在5＃弱層安全系數(shù)最小。壓腳整形加固后可滿足露天礦邊坡穩(wěn)定性要求，滑面位置靠中上段，滑體后緣位于整個邊坡的上部，滑體前緣位于整個邊坡的中部，與原始邊坡對比滑面范圍變大，滑體位置更深，滑面在弱層煤層之間順層面滑動。

圖4 非降雨壓腳整形支護后邊坡穩(wěn)定性

2）降雨工況。降雨非飽和滲流工況下的壓腳整形邊坡穩(wěn)定性分析結果如圖5。壓腳整形邊坡的降雨非飽和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.721＞1.50，滿足相應規(guī)范要求。邊坡降雨入滲效果與巖土滲透性系數(shù)、初始邊界條件有關，由于巖層的非飽和滲流作用，地下水位以上的非飽和區(qū)范圍增加更為明顯。壓腳整形邊坡的降雨非飽和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.721 小于非降雨邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.751，根據(jù)孔隙水壓力分布和邊坡分層結構特征可以推斷，在強降雨工況下，邊坡更容易失穩(wěn)，表現(xiàn)為沿表層坡面的整體滑坡，而對深部滑坡穩(wěn)定性的影響不大。

圖5 降雨非飽和滲流工況下整形邊坡穩(wěn)定性

2.3 覆土植物栽植邊坡

按現(xiàn)場露天礦邊坡生態(tài)修復方案，先進行削坡整形，形成坡高15 m，平臺寬3 m 的分級臺階。植物修復對于邊坡穩(wěn)定性的影響，主要體現(xiàn)在上部荷載和根對土的加筋作用。荷載增大了坡體重力，不利于邊坡穩(wěn)定性；根系加筋能提高土體參數(shù)，有利于邊坡穩(wěn)定性?，F(xiàn)場覆土層厚度為0.8 m，灌木栽植間距為1 m。根據(jù)現(xiàn)場苗木生長狀態(tài)，苗木高度1.5 m 左右，地徑2 cm 以上，大規(guī)格苗木胸徑5 cm，得灌木荷載為0.2 kN，邊坡區(qū)域按灌木植物施加荷載。對于植物修復后的根際土，采用土體加筋模式確定修復后根際土的物理力學參數(shù)取值，再進行植物覆土栽植后的邊坡穩(wěn)定性計算?，F(xiàn)場調(diào)查，根際土厚度按1 m選取，根際土參數(shù)依據(jù)直剪試驗確定為：①密度：1.76 t/m3；②黏聚力：20 kPa；③內(nèi)摩擦角：22.5°。

1）非降雨工況。非降雨工況下的覆土栽植后邊坡穩(wěn)定性分析結果如圖6。覆土植物栽植后邊坡的非降雨邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.702＞1.50，滿足規(guī)范要求，經(jīng)過各個弱層的安全系數(shù)結果分析對照，由于植物栽植修復之后，安全系數(shù)在6＃弱層最小。覆土栽植后邊坡安全系數(shù)小于壓腳整形邊坡安全系數(shù)，滑面位置向內(nèi)部延伸，滑體后緣位于整個邊坡的下部，滑體前緣位于整個邊坡的上部，滑體位置最深處更加深，邊坡更加穩(wěn)定，滑面順著煤層滑動。

圖6 覆土栽植后邊坡穩(wěn)定性

2）降雨工況。降雨非飽和滲流工況下的覆土栽植后邊坡穩(wěn)定性分析結果如圖7。覆土栽植邊坡的降雨非飽和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.611＞1.50，滿足規(guī)范要求。覆土栽植邊坡的降雨非飽和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.611 小于非降雨邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.702，邊坡在風化和殘煤自燃作用下表層巖體破碎，降水會產(chǎn)生較大的地表水侵蝕作用，表層沖刷和入滲會進一步加劇裂隙擴展、導致邊坡表層強度降低，加劇邊坡表層的局部垮塌，對邊坡表層穩(wěn)定性影響較大?？梢?，現(xiàn)場地下水位較深基本在40 m 以上，滑坡面高于浸潤線，地下水的存在未導致安全系數(shù)和滑移面改變。但應注意到，降水會產(chǎn)生較大的地表水侵蝕作用，沖刷和入滲會加劇表層裂隙擴展，對邊坡表層穩(wěn)定性有較大影響。

圖7 降雨非飽和滲流工況下覆土栽植邊坡穩(wěn)定性

3 結語

建立了植物修復下露天礦弱層群順層高邊坡穩(wěn)定性分析模型，確定了非降雨和降雨條件2 種工況，分析了原始邊坡、壓腳整形邊坡和植物修復邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。

1）從原始邊坡到壓腳整形邊坡，邊坡的滑移面從4＃弱層向下延伸到5＃弱層；從壓腳整形邊坡再到覆土栽植邊坡，邊坡的滑移面繼續(xù)向下延伸到6＃弱層。滑面沿弱層群順層滑動，但弱層群不會沿著斷層面進一步滑移，滑動層位不受斷層切割的影響。

2）在非降雨工況下，從原始邊坡到壓腳整形邊坡的安全系數(shù)提高了0.408，安全系數(shù)增加比較大；壓腳整形邊坡到覆土植物栽植邊坡的安全系數(shù)降低了0.049，安全系數(shù)降低較小。從原始邊坡到覆土植物栽植邊坡的安全系數(shù)提高了0.359，經(jīng)過治理后露天礦邊坡穩(wěn)定性系數(shù)達到要求，使邊坡更加穩(wěn)定。

3）在降雨工況下的非飽和滲流分析中，從原始邊坡到壓腳整形邊坡的安全系數(shù)提高了0.436，安全系數(shù)增加比較大；壓腳整形邊坡到覆土植物栽植邊坡的安全系數(shù)降低了0.11，安全系數(shù)變化較小。從原始邊坡到覆土植物栽植邊坡的安全系數(shù)提高了0.326，經(jīng)過治理后露天礦邊坡穩(wěn)定性系數(shù)達到要求，使邊坡更加穩(wěn)定。

4）從整體來看，對露天礦邊坡采用壓腳技術，有效增加邊坡的穩(wěn)定性，并改善和提高滑動面的抗滑性能，即使在不利的自然條件下，也能有效地保證施工和使用安全。而植物體具有提高和降低邊坡穩(wěn)定性的雙重效果，由于植物根的作用區(qū)域有限，難以對弱層滑面產(chǎn)生有效的加固作用，使得從壓腳整形邊坡到覆土植物栽植邊坡的安全系數(shù)略有降低。