研山鐵礦順傾含水巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性與生態(tài)修復技術研究*

白宇鑫,嚴加駒,趙森,夏冬,2,3,吳朝松

(1.華北理工大學 礦業(yè)工程學院,河北 唐山市 063210;2.華北理工大學 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術重點實驗室,河北 唐山市 063210;3.河北省礦區(qū)生態(tài)修復產(chǎn)業(yè)技術研究院,河北 唐山市 063210;4.首鋼灤南馬城礦業(yè)有限責任公司,河北 唐山市 063701)

0 引言

邊坡穩(wěn)定是露天礦安全有序開采的前提,順傾和地下水聯(lián)合作用對巖質(zhì)邊坡的安全穩(wěn)定極為不利[1],開展順傾含水巖質(zhì)邊坡穩(wěn)固技術研究對指導礦山安全生產(chǎn)具有重要的實際應用價值。同時,巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復是綠色礦山建設的重要組成部分[2]。因此,在確保順傾含水巖質(zhì)邊坡安全穩(wěn)定的基礎上,采取行之有效的生態(tài)修復技術,對礦山的安全生產(chǎn)和綠色礦山的建設具有重要的指導意義。

眾多學者在層理傾角、地下水對邊坡穩(wěn)定性影響方面做了大量的研究工作,如郭明珠等[3]對強震作用下含軟弱夾層順層巖質(zhì)斜坡的動力響應規(guī)律進行了試驗研究,揭示了含軟弱夾層順層巖質(zhì)斜坡在強震作用下的動力響應規(guī)律;曾勝等[4]的研究成果表明,在降雨滲流及干濕循環(huán)作用下,紅砂巖順層邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)降低了約60%;邱天琦等[5]采用數(shù)值模擬的方法分析了不同坡角對應的最危險巖層傾角,結果顯示,最危險巖層傾角下的破壞均為整體順層滑移破壞;楊肖鋒等[6]對板裂結構順層巖質(zhì)邊坡滑移-彎曲破壞機制進行了系統(tǒng)分析,提出了板裂結構順層巖質(zhì)邊坡潛在彎曲破壞點的預測模型;劉新榮等[7]對頻發(fā)微小地震下順層巖質(zhì)邊坡累積損傷及穩(wěn)定性進行了分析;唐雨生等[8]對含軟弱夾層的順層巖質(zhì)滑坡漸進破壞進行了數(shù)值模擬研究,并提出相應的加固治理措施。

上述研究成果為順層含水巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析與加固方案的設計奠定了基礎。在露天礦全壽命周期內(nèi),為實現(xiàn)綠色礦山建設的總體目標,需要對立地條件極端惡劣的巖質(zhì)邊坡進行生態(tài)修復與重建[9]。當前,邊坡生態(tài)修復大多采用噴播類[10]、飄臺法[13]、植生袋法[14]、爆破燕窩法[15]、藤本護坡[16]等較為成熟的技術,這些技術的應用,對指導露天礦巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復具有重要的借鑒意義。地下水、巖體產(chǎn)狀對邊坡穩(wěn)定性與生態(tài)修復技術方案的選取均有重要的影響。研山鐵礦東幫為順傾含水邊坡,為實現(xiàn)邊坡的安全穩(wěn)定與生態(tài)復綠,本文在分析地下水長期作用對順傾邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律的基礎上,采取疏干排水技術措施提高邊坡的穩(wěn)定性,之后采取有針對性的生態(tài)修復技術實現(xiàn)邊坡復綠。

1 工程概況

研山鐵礦東幫為順傾巖質(zhì)邊坡,邊坡巖體以不同風化程度的黑云變粒巖為主,巖體傾角多在40°～60°之間,與邊坡坡面角基本一致。邊坡臨近新河,該河多年平均徑流量為31 m3/s,雖在部分區(qū)域采取堵水帷幕等技術措施堵截地下水的滲流,但受新河滲流的影響,局部地區(qū)仍有地下水滲出。礦山開采現(xiàn)狀、局部滑坡與巖層產(chǎn)狀分別如圖1和圖2所示。

圖1 研山鐵礦開采現(xiàn)狀

圖2 局部滑坡與巖層產(chǎn)狀

2 順層含水邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定是開展邊坡生態(tài)修復的前提,根據(jù)邊坡與新河的相對位置關系,選擇距新河較近的N24、N26和N28勘探線剖面進行長期飽水作用下的邊坡穩(wěn)定性分析,因3個剖面的分析方法相同,故僅以N26勘探線剖面為例,進行邊坡穩(wěn)定性計算,簡化后的N26剖面各巖體的層位關系如圖3所示。

圖3 N26剖面各巖石層位關系

2.1 巖體強度參數(shù)計算

東幫邊坡主要由第四系表土層、石英砂巖、不同風化程度的黑云變粒巖、白云母片巖和磁鐵石英巖組成,各巖體在天然狀態(tài)下的容重與抗剪強度參數(shù)見表1。

表1 研究區(qū)域巖體力學參數(shù)

研究表明,受開采擾動的巖體在地下水的長期作用下,其強度隨飽水時間的延長而降低[1]。由水文地質(zhì)勘察資料可知,邊坡中黑云變粒巖、白云母片巖在礦山開采過程中可能長期處于含水或飽水狀態(tài)。為分析長期飽水對邊坡巖石抗剪強度的影響規(guī)律,對飽水時間分別為15 d、30 d、45 d、60 d、75 d和90 d的黑云變粒巖和白云母片巖進行直剪試驗,其黏聚力和內(nèi)摩擦角與飽水時間關系曲線如圖4所示。

圖4 巖石黏聚力、內(nèi)摩擦角與飽水時間關系曲線

由圖4可以看出,黑云變粒巖、白云母片巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨飽水時間的增大而減小,上述參數(shù)的降低,將對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響,因此,在進行邊坡生態(tài)恢復與重建工程施工之前,需要分析邊坡的穩(wěn)定性。

2.3 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)邊坡的實際情況,參照相關設計規(guī)范,根據(jù)對邊坡工程地質(zhì)條件的認知程度,考慮服務年限和邊坡類型等因素,將1.25作為東幫邊坡的安全儲備系數(shù)。依據(jù)N26勘探線剖面的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,建立該剖面邊坡穩(wěn)定性分析模型,并采用有限元軟件對所選剖面的邊坡穩(wěn)定性進行分析,首先分析自然與疏干排水狀態(tài)下,邊坡保持穩(wěn)定的最小邊坡角。所建立的自然與疏干排水狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性分析力學模型如圖5所示。

圖5 邊坡穩(wěn)定性分析模型

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析模型,結合各層位巖體物理力學參數(shù)(自然狀態(tài)時黑云變粒巖、白云母片巖采用飽水時的物理力學參數(shù),其他巖體采用天然狀態(tài)下的物理力學參數(shù);疏干排水狀態(tài)時,各巖體均采用天然狀態(tài)下的物理力學參數(shù))。通過計算可知,當邊坡安全系數(shù)為1.25時,天然與疏干排水狀態(tài)下邊坡的最終邊坡角分別為38.4°和41.3°。自然、疏干排水狀態(tài)下,邊坡發(fā)生滑坡的整體與局部滑動面分別如圖6和圖7所示。

圖6 自然狀態(tài)下邊坡整體與局部滑動面

圖7 疏干排水狀態(tài)下邊坡整體與局部滑動面

為分析飽水時間對邊坡角的影響規(guī)律,計算黑云變粒巖、白云母片巖飽水15 d、30 d、45 d、60 d、75 d和90 d后最終邊坡角的大小。根據(jù)計算結果可知,當邊坡巖體在飽水15 d、30 d、45 d、60 d、75 d和90 d后,邊坡在安全系數(shù)為1.25的情況下,最終邊坡角分別為37.5°、36.8°、36.1、35.7°、35.4°和35.2°,因巖體在不同飽水時間情況下,邊坡的破壞模式與巖體處于自然狀態(tài)相似,在此不全部列出。

通過上述分析可知,長期飽水是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素之一。目前,通常采用堵水帷幕、疏干排水或二者綜合應用的方式降低地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響。根據(jù)邊坡最終境界與新河的相對位置關系及后繼邊坡生態(tài)重建的需求,采用疏干排水的方式降低地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響。疏干排水采用平孔排水技術措施,其具體技術指標為:排水孔直徑為100 mm,孔內(nèi)設直徑為80 mm 的濾水套管,以防孔壁坍塌堵死。

排水孔施工完畢后,需將排出的地下水匯集于蓄水池,為后期生態(tài)修復工程提供滴灌水源。在垂直方向上每隔2個平臺修筑1個蓄水池,每個蓄水池的容積不小于20 m3。在水平方向上,相鄰2個蓄水池之間的距離為80～100 m。上下兩個蓄水池之間用槽形排水溝或管道相連,如上一級蓄水池中水滿之后,水會沿排水槽或排水管道流到下一級,各蓄水池全部注滿水之后,水會沿排水槽或排水管道匯集于坑底,最后統(tǒng)一排出坑外。

3 邊坡生態(tài)重建技術研究

巖質(zhì)邊坡因立地條件極為惡劣,而成為礦山生態(tài)修復與綠色礦山建設的重點與難點區(qū)域。研山鐵礦東幫邊坡主要由順傾黑云變粒巖組成,該邊坡的生態(tài)修復工程主要由順傾坡面和平臺兩部分組成。邊坡生態(tài)防護施工方法如圖8所示。

坡面生態(tài)修復技術:因邊坡巖體層理與臺階坡面角順傾,臺階坡面角約為60°,臺階較高、坡面較光滑,噴播類生態(tài)修復技術不適用于該類邊坡。根據(jù)邊坡的順傾特點,結合其所處的環(huán)境條件,經(jīng)多方論證后,開發(fā)出適宜于順傾含水巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復技術——鉆孔-鋼管植藤生態(tài)修復技術。該技術的具體施工工藝如下。

(1) 坡面清理與噴漿。采用人工與機械相結合的方式清除坡面上的浮石、傘巖,用清水將清理完的坡面沖洗干凈后,為防止坡面巖體風化,在坡面上噴水灰比為1∶2.5的水泥漿。

(2) 鉆孔與無縫鋼管安裝。采用鉆機垂直于層理面鉆鑿直徑為200 mm 的鉆孔,鉆孔貫穿潛在滑動面的長度以不小于1 m 為宜,且孔底避免與結構面重合。鉆孔內(nèi)的巖屑清理干凈后,將外徑為200 mm 的無縫鋼管嵌入到鉆孔內(nèi),鋼管的長度與孔深相同,鋼管的外壁應與鉆孔孔壁貼合緊密。鋼管長度如超過800 mm,超過部分應填入細沙,細沙頂面到孔口填入營養(yǎng)土,如鋼管長度未超過800 mm,則鋼管內(nèi)直接填入營養(yǎng)土,鋼管縱橫向間距、距坡頂和坡底的間距均為2 m,呈梅花形布置,鉆孔植藤施工過程如圖9所示。

圖9 鉆孔植藤施工過程

(3) 藤本植物栽植。營養(yǎng)土填充完成后,在每個鉆孔中栽植一年生爬山虎1株,栽植完成后需要及時進行澆水養(yǎng)護,確保植株的成活率,鉆孔植藤生態(tài)修復初期效果如圖10所示。

圖10 鉆孔植藤生態(tài)修復初期效果

平臺生態(tài)修復技術:平臺為礦山開采后形成的安全平臺、清掃平臺和運輸平臺,在進行生態(tài)修復工程施工前,需要對平臺進行去浮石處理,保證平臺表面相對平整。平臺生態(tài)修復具體的技術方案如下。

(1) 修筑擋土墻。在坡腳處修筑漿砌毛石擋土墻,擋土墻底部距臺階坡腳的距離為1 m,墻高為0.8 m,擋土墻內(nèi)側(cè)覆0.6 m 厚的土層,覆土后栽植爬山虎和側(cè)柏,爬山虎和側(cè)柏的栽植間距均為1 m,且在栽植時二者錯開,即在2株側(cè)柏的中間位置栽植1株爬山虎,栽植后加強澆水養(yǎng)護。

(2) 鋪設防滲層。在邊坡平臺上鋪設黏土防滲層,黏土層的壓實厚度不小于100 mm,防滲層鋪設應均勻,不應有巖石出露。

(3) 修筑擋土埂。在坡肩處修筑擋土埂,擋土埂斷面為底邊不小于1.2 m、頂邊不小于0.6 m、高不小于0.6 m 的梯形,擋土埂需要分層填筑、壓實,每層鋪土厚度不大于0.2 m。擋土埂頂面每隔1 m栽種1株2年生的滾地柏,其他區(qū)域覆蓋無紡布后種植多年生黑麥草。

(4) 擋土墻與擋土埂間平臺綠化。擋土墻與擋土埂間覆土后進行綠化,覆土厚度不小于300 mm,覆土層中不應含有影響后續(xù)種植植物的大石塊,覆土后應進行整平,在覆土層上撒播灌木和豆科牧草種子,以實現(xiàn)覆土層的快速綠化。

4 結論

(1) 長期飽水對巖石抗剪強度參數(shù)影響顯著,飽水90 d后,黑云變粒巖、白云母片巖的黏聚力由天然狀態(tài)時的221.2 kPa、92.2 kPa 分別下降到192.3 kPa和66.4 kPa,內(nèi)摩擦角由38.3°、37.1°分別下降到33.2°和31.2°。

(2) 飽水時間對邊坡穩(wěn)定性具有顯著影響,隨著飽水時間的增加,邊坡安全系數(shù)呈降低趨勢,當邊坡巖體飽水15 d、30 d、45 d、60 d、75 d和90 d后,邊坡安全系數(shù)為1.25 的情況下,最終邊坡角分別為37.5°、36.8°、36.1°、35.7°、35.4°和35.2°。

(3) 在巖體結構特征分析、順層含水邊坡穩(wěn)定性計算的基礎上,提出一種適宜于順層含水邊坡生態(tài)修復技術——鉆孔-鋼管植藤生態(tài)修復技術。該技術在快速實現(xiàn)巖質(zhì)邊坡復綠的同時,對順傾邊坡起到一定的加固作用。