周靖人 楊天鴻 于慶磊 劉洪磊 李鳳柱 南世卿

(1.深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；3.秦皇島燕勝巖土公司，河北 秦皇島 066000；4.河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計(jì)有限公司，河北 唐山 063701)

降雨對(duì)厚沖積層邊坡穩(wěn)定性影響

周靖人1，2楊天鴻1,2于慶磊1,2劉洪磊1,2李鳳柱3南世卿4

(1.深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；3.秦皇島燕勝巖土公司，河北 秦皇島 066000；4.河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計(jì)有限公司，河北 唐山 063701)

邊坡穩(wěn)定是露天礦山安全生產(chǎn)的前提，降雨是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一，特別是對(duì)于第四系沖積層厚大的露天邊坡，研究降雨的影響更加重要。結(jié)合研山露天礦東幫水文地質(zhì)信息，對(duì)不同降雨強(qiáng)度下，地下水位埋深的變化及埋深變化之后對(duì)厚沖積層邊坡的安全系數(shù)和地下滲流場(chǎng)分布的影響進(jìn)行研究。模擬計(jì)算結(jié)果顯示，礦山早期施工的堵水帷幕降低地下水位的作用不明顯，地下水位埋深持續(xù)偏低，邊坡細(xì)砂層和礫石層中含水豐富，形成了連貫的地下水運(yùn)輸通道，坡面出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，在大降雨時(shí)，邊坡涌水量急劇增加，邊坡安全系數(shù)明顯降低，有可能會(huì)出現(xiàn)滑坡等災(zāi)害。根據(jù)這一情況并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)狀，提出了邊坡疏干排水措施，提高了邊坡的穩(wěn)定性，保證了礦山的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

滲流 安全系數(shù) 邊坡計(jì)算 數(shù)值模擬

近年來(lái)，降雨作為誘發(fā)邊坡災(zāi)害的一個(gè)重要因素，可以引發(fā)諸如泥石流，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和人員設(shè)備安全帶來(lái)的巨大的威脅。在降雨條件下，隨著降雨量的增加，邊坡地下潛水面逐漸升高，邊坡土體內(nèi)部抗剪強(qiáng)度和基質(zhì)吸力發(fā)生變化[1-3]，當(dāng)達(dá)到一定的限度時(shí)可能引起邊坡失穩(wěn)，且隨著地下水位的升高，露天坑涌水量急劇增加，會(huì)嚴(yán)重影響礦山安全高效生產(chǎn)，增大排水壓力。研山鐵礦二期露天礦東幫邊坡坡體為厚大的沖積土層，粉土、沙土、卵石、粉質(zhì)黏性土層互層特征明顯，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，邊坡滲透性好，地下土層孔隙發(fā)育，對(duì)降雨更加敏感[3-4]，加上礦坑附近有灤河提供定水頭，增加了坑內(nèi)涌水量，原來(lái)修筑的擋水帷幕沒(méi)有預(yù)想的效果，在露天開(kāi)采過(guò)程中，各方位邊坡都已經(jīng)發(fā)生了不同程度的開(kāi)裂、滑坡和垮塌。本研究針對(duì)唐鋼研山露天礦東幫厚沖積層的現(xiàn)狀，分析了地下水位變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，并結(jié)合礦山實(shí)際提出了有效治理措施。

1 地質(zhì)概況

根據(jù)前期勘察資料，研山鐵礦二期露天采場(chǎng)東幫臨近灤河，其中新河是人工開(kāi)挖的輸水渠道，最近處距離露天采場(chǎng)最終境界線61 m，流量受人為控制，多年平均流量31 m3/s(1963—2003年)，近5 a流量變化在0.24～155.05 m3/s。東幫第四系表土邊坡地下水涌出量1 200～1 300 m3/h。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2011年礦坑排水能力為5 000 m3/h，雨季到來(lái)時(shí)由于排水能力跟不上涌水量造成坑底局部淹沒(méi)，險(xiǎn)些影響生產(chǎn)，其中東幫該區(qū)域第四系邊坡涌水量占較大比例(非雨季水量1 200～1 300 m3/h，坑內(nèi)基巖邊坡涌水量還有700～800 m3/h)。由此可知，研山邊坡礦坑雨季地下水涌水量加上短歷時(shí)的地表匯水量跟非雨季比較，可增大3倍左右。礦區(qū)全年的降水量700～1 000 mm，主要集中在5—9月份，僅7月和8月的降水量就占全年平均降水量的58.9%。60 a一遇的24 h的暴雨強(qiáng)度510 mm/d，1 h最大暴雨強(qiáng)度119 mm/h。

地層由上至下為雜填土層、粉質(zhì)黏土、粉砂層、礫石層及基巖層。其中，沖洪積砂、砂礫卵石層孔隙潛水含水層透水性、富水性極強(qiáng)，新河將作為定水水頭補(bǔ)給水源，并以東段為涌水通道，向采場(chǎng)內(nèi)大量涌水，對(duì)礦山生產(chǎn)造成了極大的影響，急需采取相應(yīng)的措施，采場(chǎng)平面圖如圖1所示。

圖1 研山鐵礦東幫邊坡平面

礫石層界線與新河河床相交，位于河床基地底，向坑內(nèi)順傾，新河為直接補(bǔ)給源，地下水位較高。礫石層與細(xì)砂層底板傾向由東北向西南傾，東幫邊坡基巖頂板存在灤河舊河道。圖2中邊坡為圖1中N-N′位置剖面圖，可以看到透水層形成了比較集中的滲流通道，以新河、灤河為主要補(bǔ)給源，通過(guò)礫石層涌入露天坑內(nèi)，從而造成較大的涌水量和較高的地下水水位。若東邊幫繼續(xù)采剝，隨著開(kāi)采深度的增加，上層第四系土層和巖層被剝離，邊幫兩側(cè)水力梯度進(jìn)一步加大，而細(xì)砂層和礫石層透水性和富水性極強(qiáng)，向采場(chǎng)內(nèi)補(bǔ)給水量將進(jìn)一步增大，若不及時(shí)治理，雨季到來(lái)時(shí)，該區(qū)40～50 m厚的沖積層表土邊坡在高水位強(qiáng)徑流作用下可能誘發(fā)邊坡失穩(wěn)和泥石流災(zāi)害[5-8]。

圖2 邊坡剖面

2 邊坡數(shù)值模擬

邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法可分為極限平衡法、有限元、邊界元法以及可靠性分析方法[9]。極限平衡法因其計(jì)算模型簡(jiǎn)單、計(jì)算方法簡(jiǎn)便，計(jì)算結(jié)果能滿足工程需要等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是邊坡工程分析與設(shè)計(jì)中最主要的且最有效的實(shí)用分析方法[10-11]。結(jié)合Geo-Slope軟件，可以根據(jù)不同的降雨條件，分析東幫邊坡地下水位變化，得到不同的邊坡安全系數(shù)。

2.1 數(shù)據(jù)選取

根據(jù)研山地質(zhì)勘探資料選取各地層的力學(xué)參數(shù)和滲透系數(shù)見(jiàn)表1和表2。模擬以N-N′處邊坡剖面作為計(jì)算模型。

表1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算各土層力學(xué)參數(shù)取值

表2 邊坡滲透系數(shù)

其中，粉土的黏聚力在不同降雨條件下變化較大，未降雨時(shí)為12.77 kPa，暴雨時(shí)，降低為6 kPa，飽和狀態(tài)下值為3.1 kPa，帷幕在各個(gè)局部的滲透系數(shù)不相同，取平均參數(shù)1.1×10-5m/s。

計(jì)算中采用流速來(lái)模擬降雨，降雨量為每小時(shí)滲入地表的水量，總降雨數(shù)值所取的是研山鐵礦歷年降雨量的平均值，根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)勘探報(bào)告，在總降雨量中，約只有40%的降水通過(guò)滲流流入地下，即入滲系數(shù)為0.4。

2.2 地下滲流場(chǎng)

經(jīng)過(guò)軟件模擬之后，得到不同降雨條件下邊坡地層中滲流場(chǎng)的分布情況，如圖3所示。

圖3 不同降雨條件下地下滲流場(chǎng)分布

從圖3可以看到，在帷幕的作用下，潛水面下降了0.6 m，邊坡帷幕堵水效果較差，在相應(yīng)的臺(tái)階底部都出現(xiàn)了漏水點(diǎn)，地下水主要集中在導(dǎo)水性良好的礫石層和細(xì)砂層中。如圖4(a)所示，隨著降雨量的增加，地下水埋藏深度減小，地下涌水量急劇加大。可以看出，在研山鐵礦東幫邊坡中，地下水水位過(guò)高，在邊坡上會(huì)出現(xiàn)局部漏水的現(xiàn)象，降雨后，漏水點(diǎn)更加密集，帷幕堵水效果不明顯，在遇到大暴雨時(shí)，邊坡安全系數(shù)降低至1左右，會(huì)影響邊坡穩(wěn)定從而造成滑坡等安全事故，應(yīng)當(dāng)在此處采取相應(yīng)的疏干排水措施，以保證礦山的安全生產(chǎn)。

圖4 埋藏深度和安全系數(shù)、降雨量的關(guān)系

2.3 安全系數(shù)計(jì)算

根據(jù)上一步計(jì)算得到的地下潛水面分別用M-P方法和Bishop方法計(jì)算邊坡的安全系數(shù)[12-13]，得到的結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看到邊坡的滑坡范圍主要集中在邊坡最上的2個(gè)臺(tái)階，與礦山實(shí)際情況吻合，如圖6所示。

地下水面經(jīng)過(guò)了邊坡滑坡范圍，對(duì)邊坡的安全系數(shù)計(jì)算有很大的影響，如圖4(b)可知，隨著降雨量的增加，地下水埋藏深度逐步減小，最終達(dá)到飽和狀態(tài)。

從表3可以看到，沒(méi)有降雨時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.111，相對(duì)較穩(wěn)定，降雨后安全系數(shù)降低到1.022，特別是在飽和狀態(tài)下，安全系數(shù)降低到1以下，沒(méi)有達(dá)到國(guó)家安全規(guī)程工作幫要求的安全系數(shù)，在雨水的沖刷下，邊坡會(huì)發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

2.4 防治措施

圖5 不同降雨條件下的邊坡安全系數(shù)

圖6 東幫邊坡圖片

表3 降雨量與邊坡安全系數(shù)

>對(duì)于東幫露天坑境界外的地表匯水，采取截流、排水的方法，形成良好的行水通道，將這部分匯水直接排入新河，防止其流入露天坑內(nèi)沖刷表土邊坡。具體方案為：在東幫坡頂?shù)乇砭辰缥恢醚貣|幫利用裝有黏土的編織袋堆筑擋水壩，境界外5 m的位置設(shè)置南北縱向排水溝(見(jiàn)圖7)，將地表匯水直接沿溝排入灤河。

圖7 防汛措施布置

對(duì)于東幫已開(kāi)挖的+10 m水平臺(tái)階，基本維持現(xiàn)狀，整平地表，夯實(shí)松動(dòng)表土，防止暴雨條件下的徑流沖刷坡面松散覆土淤積到排水溝內(nèi)。將排水溝北端沉淀池的容積擴(kuò)大1倍，同時(shí)增加2臺(tái)與已有水泵同型號(hào)的排水泵，使得暴雨條件下水泵抽水能力和水池容量增大1倍。臨時(shí)水溝兩側(cè)夯實(shí)表土，定期清理內(nèi)部淤積物，在沉淀池中設(shè)置多層過(guò)濾網(wǎng)，保證水泵的正常工作。在水池內(nèi)設(shè)置2條溢流管(每條排水能力1 500 m3/h)，以備將暴雨條件下沉淀池中不能及時(shí)排出的積水溢流到-12 m水平的水坑，防止地下水在+10 m水平臺(tái)階漫溢。

3 結(jié) 論

(1)研山鐵礦東幫第四系表土層邊坡中砂層和礫石層含水豐富，根據(jù)模擬結(jié)果，在降雨的情況下，坡面出現(xiàn)漏水，和實(shí)際情況吻合較好。

(2)注漿帷幕對(duì)于地下水位的控制沒(méi)有明顯的效果，降雨對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響十分明顯，在暴雨情況下，邊坡可能出現(xiàn)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

(3)采取防治措施之后，邊坡漏水現(xiàn)象得到緩解，對(duì)于研山鐵礦的安全生產(chǎn)有重要的意義。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Impact of Rainfall on Stability of Thick Alluvium Slope

Zhou Jingren1，2Yang Tianhong1，2Yu Qinglei1，2Liu Honglei1，2Li Fengzhu3Nan Shiqing4

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationonSafeMiningofDeepMetalMines，Shenyang110819，China;2.SchoolofResource&CivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China; 3.YanshengRock&SoilCo.，Ltd.，Qinhuangdao066000，China；4.HebeiIron&SteelGroupMineDesignCo.，Ltd.，Tangshan063701，China)

Slope stability is the pre-condition of safety and production in open-pit mine and rainfall is one of the most important factors that affect slope stability.Especially for thick alluvium open-pit slope，it is more important to study the effect of rainfall.Combining with the hydrological and geological data at eastern slope of Yanshan Iron Mine，The changes of groundwater depth，and its impact on safety factors of the slope and the distribution of the seepage field under different rainfall conditions were studied.The simulation results showed that the existed water shutoff curtain at the early construction does not work well in lowering the groundwater level and the groundwater depth is constantly low.The fine sand layer and gravel layer in the slope are rich in water，forming a coherent groundwater transport corridor，and water leakage appears in the slope.In heavy raining，slope water inflow is increased dramatically，slope safety factor decreased obviously，and Landslide may occur.Based on this and the status quo，a method for drainage was proposed in order to improve the safety factor and ensure the safety and stable production of the mine.

Seepage，Safety factor，Slope calculation，Numerical simulation

2014-05-04

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2013CB227902)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51174045)，國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：51034001)。

周靖人(1990—)，男，博士研究生。

TD 824.7

A

1001-1250(2014)-09-011-05