露天礦冰磧土堆積體巨型古滑坡穩(wěn)定性分析

呂淑寧 張 默

（1.重鋼西昌礦業(yè)有限公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.非煤露天礦山災(zāi)害防控國(guó)家礦山安全監(jiān)察局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；5.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司）

冰磧土是冰磧地貌的一種，是由冰蝕作用產(chǎn)生的巖屑、漂石等松散堆積物在冰川搬運(yùn)作用下，沉積形成的漂（礫）石和粉質(zhì)黏土類(lèi)巖土層，在中國(guó)主要分布于西南山區(qū)［1］。冰磧土的主要工程特征：①顆粒大小混雜，無(wú)分選性；②碎屑磨圓度較好，多呈卵石結(jié)構(gòu)，無(wú)定向分布；③形成的冰磧土從密實(shí)到松散狀態(tài)，主要分布在山地坡谷間，呈坡積-沖積-堆積狀態(tài)；④冰磧土含粉土成份較多，孔隙度和壓塑性較小，一般為隔水層［2］。因上述特點(diǎn)，冰磧土堆積形式多樣化，堆積部位不同，土的粒度成份、工程地質(zhì)性質(zhì)差別很大，呈現(xiàn)出較多的巖土工程難題［3］，在邊坡工程中，容易引發(fā)邊坡崩塌和失穩(wěn)問(wèn)題。本文以露天礦邊坡開(kāi)采過(guò)程中揭露的約1 200萬(wàn)m3的巨型冰磧土堆積體古滑坡為例，詳細(xì)分析了該古滑坡的工程特征和穩(wěn)定狀態(tài)，并探索合適的工程治理方案。

1 古滑坡的工程特征

1.1 古滑坡形態(tài)特征

在攀枝花—西昌地區(qū)的某露天礦山開(kāi)采過(guò)程中，揭露了一個(gè)冰磧土堆積層古滑坡?；掳l(fā)育于露天采場(chǎng)南幫斜坡中部，滑坡平面近似呈半圓形，最大縱向長(zhǎng)約495 m，平均橫寬約654 m，平均厚度37 m，方量約1 200萬(wàn)m3，為巨型古滑坡?；聟^(qū)后緣裂縫基本貫穿呈圈椅狀，前緣剪出口明顯，并延伸至采區(qū)東側(cè)平臺(tái)。在沒(méi)有開(kāi)采作業(yè)形成臨空面時(shí)，主滑動(dòng)方向北偏東55°；因采礦挖方，滑坡前緣被削方，整個(gè)滑坡方向呈三維變形特征，在沿原主動(dòng)方向的基礎(chǔ)上，發(fā)生向北側(cè)采區(qū)變形，最終在滑坡東西2 個(gè)區(qū)域出現(xiàn)了2 個(gè)主滑動(dòng)方向，滑動(dòng)方向分別為北偏東39°和18°，滑動(dòng)剪出口至滑坡后緣裂縫垂直平均高差145.0 m，如圖1所示。

1.2 古滑坡地質(zhì)特征

滑坡體主要由全新統(tǒng)坡積層（Q4dl），沖洪積（Q4al+pl）、冰水堆積層（Q1-2fgl）和湖積層（Q1-2l）組成，統(tǒng)稱(chēng)為冰磧土層，厚度23～51 m。

滑帶位于上部冰磧土和下部輝綠巖或輝長(zhǎng)巖基覆界面處，主要為含角礫粉質(zhì)黏土，呈黃褐色、灰綠色，含水率較高，透水性較差，形成相對(duì)隔水層，厚度為0.3～0.7 m。

滑床主要為全風(fēng)化輝綠巖、中風(fēng)化輝長(zhǎng)巖和微風(fēng)化輝長(zhǎng)巖，出露于整個(gè)冰磧土層下部。強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖節(jié)理裂隙發(fā)育，呈碎塊狀結(jié)構(gòu)，中風(fēng)化輝長(zhǎng)巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，呈塊狀結(jié)構(gòu)，微風(fēng)化輝長(zhǎng)巖巖體結(jié)構(gòu)較完整。

1.3 古滑坡變形特征

通過(guò)調(diào)查與資料收集分析，隨著礦區(qū)邊坡開(kāi)挖，最早在2021 年1 月揭露出古滑面位于采場(chǎng)臨空面?zhèn)认?。隨著邊坡開(kāi)挖的持續(xù)進(jìn)行，原古滑坡堆積體應(yīng)力平衡逐步失衡，至2021 年12 月，沿古滑面陸續(xù)顯現(xiàn)滑移跡象。截至2022 年5 月，滑坡區(qū)西側(cè)、南側(cè)、東側(cè)后緣已形成貫通的后緣圈椅狀裂縫，滑坡初步形成，滑動(dòng)方向直指采場(chǎng)臨空面滑移的趨勢(shì)顯現(xiàn)。與此同時(shí)，滑坡區(qū)中部多處出現(xiàn)裂縫，邊坡臨空面揭露的古滑面隨著坡體滑移變形的持續(xù)，上盤(pán)呈現(xiàn)明顯外錯(cuò)，具備剪出特征。滑體裂縫如圖2所示。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和地質(zhì)測(cè)繪，滑坡區(qū)宏觀變形跡象明顯，邊界特征清晰，勘察期間發(fā)現(xiàn)多處裂縫變形不斷加劇。滑坡區(qū)主要變形特征有滑體前緣剪出垮塌、溜滑，滑體中部坡表出現(xiàn)拉裂縫與滑體后緣、兩側(cè)邊界羽狀剪切裂縫貫通。

自發(fā)現(xiàn)古滑坡起，在滑體范圍內(nèi)布設(shè)了14 個(gè)地表在線GNSS 位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)及4 個(gè)深部位移測(cè)點(diǎn)，具體位置如圖3 所示。根據(jù)變形較大的9 個(gè)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移-時(shí)間曲線和速率-時(shí)間曲線發(fā)現(xiàn)，地表位移變化平穩(wěn)，無(wú)異常加速的情況發(fā)生。

在7月份雨季勘察期間，B-ZK3深部位移監(jiān)測(cè)確定滑帶位置為54 m。B-ZK4于16.6～18.5 m 出現(xiàn)卡鉆情況，深部位移監(jiān)測(cè)確定滑帶位置為18.5 m。C-ZK3根據(jù)鉆探及后期深部位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定深部滑移面位于35 m 處。C-ZK4 深部位移監(jiān)測(cè)最初測(cè)得滑面位于基覆界面附近深度61.5 m，鉆探過(guò)程中在61～62 m 處存在卡鉆、漏漿情況。深部位移監(jiān)測(cè)期間，該孔于42 m 處再次錯(cuò)斷，出現(xiàn)次級(jí)滑面。滑帶巖土組成為粉質(zhì)黏土角礫夾雜泥化狀輝綠巖，滑面為土巖交界基覆界面處。

地表位移監(jiān)測(cè)期間，在旱季時(shí)，變化速率約為3 mm/d，在雨季時(shí)，變化速率約為10 mm/d，并與降雨密切相關(guān)?；路秶獾牡乇砦灰票O(jiān)測(cè)點(diǎn)較平穩(wěn)，基本無(wú)位移。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以確定滑坡目前處于蠕動(dòng)—滑移變形階段。

2 古滑坡成因機(jī)制分析

古滑坡復(fù)活形成滑坡的主要原因如下：

（1）地質(zhì)結(jié)構(gòu)。從地形地貌及邊坡開(kāi)挖揭露情況分析，滑坡區(qū)地質(zhì)體原為古滑坡堆積體，本身具有古滑面軟弱面，其穩(wěn)定狀態(tài)相對(duì)原始斜坡偏低。

（2）礦區(qū)開(kāi)采?；麦w前緣被開(kāi)挖成臺(tái)階狀，形成很大的臨空面，改變了原應(yīng)力平衡狀態(tài)，為古滑坡復(fù)活提供了必要條件。

（3）地下水及降雨?；伦冃纹陂g測(cè)得滑坡區(qū)地下水較高，增大了滑體的重度，并且降低了滑體的物理力學(xué)參數(shù)。滑體后緣形成貫穿的垂直裂縫，降雨補(bǔ)給增加了滑體后緣的靜水壓力，并且沿滑面下滲，軟化滑帶，降低滑帶土的抗剪強(qiáng)度。

（4）爆破振動(dòng)。采礦開(kāi)采的頻繁爆破振動(dòng)，破壞了原有土體的完整性和密實(shí)性，并且爆破振動(dòng)力亦增加了下滑力。

3 古滑坡地質(zhì)力學(xué)參數(shù)及穩(wěn)定性定性分析

3.1 滑坡地質(zhì)力學(xué)參數(shù)確定

首先根據(jù)勘探取樣進(jìn)行室內(nèi)外土工試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析其標(biāo)準(zhǔn)值；對(duì)于明確的滑帶，在土工試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)行反演分析滑帶的力學(xué)參數(shù)［4］。本次滑坡的力學(xué)參數(shù)取值主要結(jié)合勘察結(jié)果和滑動(dòng)反演結(jié)果為主，詳見(jiàn)表1。

3.2 古滑坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)古滑坡結(jié)構(gòu)特征、變形情況、地質(zhì)條件、巖土層組成分析，滑坡主要變形破壞模式為在古滑面的土巖交界處破壞模式為折線型。

根據(jù)滑坡規(guī)模，該古滑坡安全防治等級(jí)為一級(jí)。荷載組合和各工況的允許安全系數(shù)按照《滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 38509—2020）和《冶金礦山采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50830—2013）采用。各工況荷載組合和允許安全系數(shù)見(jiàn)表2。降雨荷載按照后緣裂縫充水形成的靜水壓力考慮，滑面為飽和參數(shù)；地震荷載取當(dāng)?shù)卦O(shè)防烈度對(duì)應(yīng)的地震加速度0.3g考慮，按照擬靜力法計(jì)算。

按照滑坡的破壞模式，對(duì)于折線破壞滑坡穩(wěn)定性計(jì)算采用隱式求解法的余推力法?；碌姆€(wěn)定狀態(tài)按照《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T 32864—2016）進(jìn)行劃分，詳見(jiàn)表3。

根據(jù)滑坡勘探和監(jiān)測(cè)滑動(dòng)方向，分別選取2個(gè)典型剖面H1—H1和H2—H2及采場(chǎng)滑動(dòng)方向B—B和C—C共4 個(gè)代表剖面進(jìn)行現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析和剩余下滑力計(jì)算，穩(wěn)定性計(jì)算代表剖面位置見(jiàn)圖3，地質(zhì)剖面見(jiàn)圖4、圖5。安全穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，剩余下滑力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

3.3 古滑坡變形發(fā)展趨勢(shì)及危害

根據(jù)監(jiān)測(cè)和穩(wěn)定性分析結(jié)果：在工況Ⅰ和工況Ⅱ作用下，滑坡在2個(gè)主滑動(dòng)方向的穩(wěn)定狀態(tài)處于欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài)；在B、C滑動(dòng)方向的穩(wěn)定狀態(tài)處于穩(wěn)定—基本穩(wěn)定狀態(tài)；在工況Ⅲ和工況Ⅳ作用下，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)地質(zhì)資料，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的內(nèi)、外因素是客觀存在的，從滑坡的穩(wěn)定性分析可知，目前滑坡的應(yīng)力平衡非常脆弱，在內(nèi)、外因素持續(xù)作用下，極有可能發(fā)生更大規(guī)模的滑坡，致災(zāi)的可能性非常大，如發(fā)生大滑坡災(zāi)害，將嚴(yán)重影響礦山下部的正常采礦活動(dòng)，因此，對(duì)該滑坡進(jìn)行治理是非常必要和迫切的。

4 古滑坡治理方案

由于該古滑坡方量很大，滑面埋深較深，治理前處于蠕動(dòng)—滑移變形階段，整體穩(wěn)定性不足。在滑坡治理方案中，主要有削坡減載、抗滑樁或錨索等聯(lián)合的加固措施。在滿足安全穩(wěn)定性要求下，每延米的剩余下滑力高達(dá)2.56×104～3.66×104kN，綜合比較加固方案和削坡減載方案。

（1）按照滑坡后緣裂縫往下放坡開(kāi)挖卸荷，并且滿足卸荷以上部分斜坡的穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，開(kāi)始設(shè)置抗滑樁，計(jì)算分析2個(gè)主滑動(dòng)方向代表剖面范圍內(nèi)的矩形抗滑樁最小尺寸為3 m×6.5 m，凈距2 m，樁長(zhǎng)50 m。

（2）在滿足滑坡穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，從滑坡后緣裂縫以外斜坡開(kāi)始卸荷，能夠達(dá)到滑坡治理的要求。

（3）通過(guò)滑體部分削坡卸載+抗滑樁和滑坡后緣裂縫以外斜坡削坡卸荷的方案對(duì)比，單一的削坡卸荷方案工藝簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)。因此該古滑坡以削坡減載的治理方案更為恰當(dāng)，同時(shí)輔以防排水和坡面防護(hù)等措施。

5 結(jié)論

（1）因露天礦邊坡開(kāi)采，揭露了約1 200 萬(wàn)m3的巨型古滑坡，導(dǎo)致古滑坡前緣出現(xiàn)了很大的臨空面，使古滑坡穩(wěn)定狀態(tài)失衡，古滑坡被復(fù)活。

（2）在古滑坡變形監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，可以判定古滑坡處于蠕動(dòng)—滑移變形階段。根據(jù)變形階段，反演了滑帶土滑面的力學(xué)參數(shù)，并計(jì)算了古滑坡的每延米剩余下滑力高達(dá)2.56×104～3.66×104kN。

（3）因滑坡剩余下滑力很大，通過(guò)削坡減載和抗滑樁加固方案對(duì)比分析，以削坡減載的治理方案更為恰當(dāng)。