李正勝，李剛強

(華北科技學院 安全監(jiān)管學院，河北 廊坊 101601)

隨著露天礦開采強度的增大，我國露天邊坡高度正在以每年10m左右的速度向下延伸[1]。露天煤礦產(chǎn)能的増大和數(shù)量的不斷增多，邊坡穩(wěn)定性問題愈來愈突出?；碌臄?shù)量多、規(guī)模大，難于防治，造成的損失極為慘重[2，3]。近年來國內外眾多學者針對高陡邊坡的穩(wěn)定性監(jiān)測與評價進行了大量的研究。陳祖煜發(fā)展了塑性力學理論改進和優(yōu)化了條分法[4]。朱大勇、錢七虎等[5]提出的臨界滑動場理論，能夠準確地確定邊坡的任意形狀和臨界滑動面。吳浩[6]基于灰色系統(tǒng)理論分析實例邊坡的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立數(shù)學模型對邊坡變形進行了成功預測。張金貴[7]綜合分析了魏家峁露天煤礦工作幫邊坡地質條件、邊坡現(xiàn)狀，對邊坡失穩(wěn)機理及破壞模式進行了分析。張波、王旭、丁參軍[8-10]等依據(jù)有限差分折減理論，采用數(shù)值模擬的手段分析了邊坡穩(wěn)定性失穩(wěn)機理，并將模擬不收斂的結果默認為邊坡已產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。在邊坡監(jiān)測方面，應用較為成熟的手段主要集中在兩個方面：邊坡位移和應力監(jiān)測。丁曉利[11]等開發(fā)了一機多天線GPS系統(tǒng)，使得一套GPS儀器可以監(jiān)測多點位置，使用成本大大降低。何滿潮[12，13]院士開發(fā)了滑坡地質災害遠程實時攝動監(jiān)測系統(tǒng)(SF-RMWS)，該系統(tǒng)通過監(jiān)測邊坡巖體內的牛頓力變化，實現(xiàn)了邊坡的穩(wěn)定性動態(tài)監(jiān)測。由此可見，現(xiàn)階段學者的研究都是針對邊坡的靜態(tài)工況進行單一的邊坡穩(wěn)定性評價或者相對穩(wěn)定的邊坡進行監(jiān)測和分析，監(jiān)測只是作為一種預防性手段，對于數(shù)據(jù)的挖掘和研究不夠，本文針對已經(jīng)發(fā)生潛在滑移的邊坡，通過現(xiàn)場查勘、滑移體地質勘察、邊坡深部位移與邊坡表面位移聯(lián)合監(jiān)測以及數(shù)值分析等措施，深度挖掘“表-深”聯(lián)合監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，確定邊坡的滑移面位置，為滑坡的預測預報提供基本數(shù)據(jù)支持，保障礦山的安全高效開采。

1 工程背景

魏家峁露天礦西南幫在推進過程中，工作幫中部在1112水平以上的土巖分界面處突遇軟弱土層，巖體內部大量積水與淤泥持續(xù)涌出，淤泥層不斷塌陷滑落。地表最大沉降達到約2.5m且沉降邊緣持續(xù)外擴，滑坡隱患區(qū)域后緣下沉、前緣鼓起，第一級滑體已初步形成。邊坡變形區(qū)域后緣寬度約355m，前緣寬度約為475m，影響范圍大，邊坡滑移位置及監(jiān)測布置如圖1所示[14，15]。針對魏家峁露天礦邊坡已經(jīng)產(chǎn)生滑移并且滑移面較大的特點，常規(guī)的邊坡穩(wěn)定性評價已經(jīng)失去意義。本文通過現(xiàn)場查勘、滑移體地質勘察、邊坡深部位移與邊坡表面位移聯(lián)合監(jiān)測等措施，查明了邊坡滑移面具體位置，確定了邊坡巖體的破壞模式及滑移類型，深度挖掘位移監(jiān)測數(shù)據(jù)揭示了邊坡滑移破壞演化機理。

2 邊坡“表-深”聯(lián)合監(jiān)測分析

為了精準確定邊坡滑移面位置，掌握滑坡體運動位移特征，采用邊坡表面GPS和深部滑動測斜儀聯(lián)合監(jiān)測的方式，在滑移區(qū)域共布置3個剖面6個深部位移監(jiān)測點和P-1、P-2、P-3，3條監(jiān)測線共9個GPS監(jiān)測站并結合地質鉆探工作，查明了滑移區(qū)域巖土體的弱層賦存、發(fā)育情況以及水文地質條件。

采場滑移區(qū)域安裝ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5、ZK6共6個滑動測斜測儀，利用滑動測斜儀進行地下水平位移精確測定，確定滑帶層位。

ZK1、ZK2監(jiān)測孔遠離滑坡后緣，位移數(shù)據(jù)沒有明顯變化，其主要作用是揭露地下地層分布(此兩點數(shù)據(jù)不再列出)。對于P-1剖面ZK3，P-2剖面ZK5、ZK6，P-3剖面 ZK4監(jiān)測孔，監(jiān)測結果如圖1—圖4所示。

圖1 ZK3位移深度曲線

圖2 ZK4位移深度曲線

圖3 ZK5位移深度曲線

圖4 ZK6位移深度曲線

由監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線可以看出，ZK3、ZK4、ZK5、ZK6監(jiān)測點鉆孔發(fā)生了明顯了剪切位移，邊坡潛在滑移面在孔口下27～32m處，邊坡滑移區(qū)域的深部位移曲線呈現(xiàn)出明顯的“S”型變化趨勢，以此可以看出此次邊坡巖體的破壞模式為剪切型破壞。結合現(xiàn)場工程勘察和滑移面深度可以得出滑移面位于強風化泥巖和強風化砂巖交接面處的演化弱層部位，邊坡此時處于臨滑狀態(tài)，由于受小范圍的底鼓壓腳和極寒天氣導致土體凍結，邊坡變形暫未加速。

2.2 邊坡表面位移監(jiān)測

在滑體上設置3條監(jiān)測線P-1，P-2，P-3共9個監(jiān)測站進行地表位移監(jiān)測，GPS監(jiān)測累計位移值位移歷時曲線如圖5、圖6所示。

圖5 邊坡水平位移變化歷時曲線

圖6 邊坡垂直位移變化歷時曲線

DW1-DW7這7個監(jiān)測點位移累計位移量較大，移動明顯，且方位角較為接近，為31°～ 48°，邊坡表面位移數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。由此可確定滑體范圍以及滑體的滑動方向為北東方向。+1128m、+1144m平盤上監(jiān)測點(DW6、DW7、DW8、DW9)的水平位移量較+1260m平盤上監(jiān)測點(DW1、DW2、DW3)的水平位移量大，而豎直位移量上則是+1260m平盤上監(jiān)測點較大，說明了+1260m及以上平盤位置處巖土的移動以坐落為主，+1128m、+1144m平盤位置處巖土的移動以向臨空面滑移為主。此外，DW4、DW5位于滑坡范圍外。

3 邊坡破壞模式分析

根據(jù)研究區(qū)域的工程地質模型，選取工作幫剖面GZB-1進行數(shù)值分析。計算模型沿邊坡傾向長度為860m，最大垂直高213m。模型的前、后、左、右邊界為截離邊界，模型前、后以Y方向位移約束，模型的左、右方向以X方向位移約束，模型的底部以Z方向位移約束，構成位移邊界條件，以保持整個系統(tǒng)的受力平衡。計算采用摩爾庫倫模型來描述，邊坡巖土體力學參數(shù)參照文獻[7]。

通過邊坡X方向的位移如圖7所示，由圖7可知，邊坡的位移最大值發(fā)生在邊坡坡肩位置，并在前緣坡腳位置達到最大值，說明邊坡發(fā)生的是應力卸荷后的牽引式滑坡，坡體的位移明顯看出邊坡是沿軟弱夾層的圓弧狀滑移；同時位移矢量的方向與表一監(jiān)測數(shù)據(jù)完全吻合，此次模擬顯示的邊坡滑移面位置正好處在泥巖底板與砂巖交界面處，這與現(xiàn)場深部表面位移監(jiān)測得出的邊坡滑移面深度高度吻合，再次證明了此次計算的準確性。

邊坡塑性區(qū)如圖8所示，由圖8可知，邊坡整個巖土體發(fā)生了拉剪混合破壞，并且整個破壞貫穿坡體全部，邊坡坡肩粉砂層位置出現(xiàn)了拉張破壞，表明此處邊坡巖體在經(jīng)歷了開挖卸荷后出現(xiàn)了剪切屈服破壞，從力學機理上可以斷定邊坡發(fā)生了“開挖卸荷—剪切破壞”，從塑性區(qū)宏觀模式上邊坡巖土體表現(xiàn)為“蠕滑—拉裂”牽引式滑坡，這也與邊坡聯(lián)合監(jiān)測的位移趨勢吻合度較高；邊坡塑性區(qū)的貫通破壞區(qū)域主要集中在+1112～+1165m水平，長度范圍為175m，邊坡坡腳的逐步滑移造成邊坡內部鎖固段的鏈式破壞失穩(wěn)，產(chǎn)生了大量的伴生裂縫，伴生裂縫的匯集造成了整個坡體的拉裂破壞，造成邊坡整體失穩(wěn)。

圖8 邊坡塑性區(qū)

通過邊坡“表-深”聯(lián)合監(jiān)測數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)值模擬分析可以看出邊坡位移呈現(xiàn)出 “急劇增長-緩慢平衡-再次調整”的“L”型變化過程，這說明此處邊坡的穩(wěn)定性由軟弱結構面和邊坡巖體共同控制，邊坡發(fā)生的為沿軟弱夾層滑移的圓弧形破壞；另外此次滑坡主要受坡體局部上層滯水的影響，下部泥巖經(jīng)過長期的浸泡，形成了典型的演化弱層，呈淤泥狀，其強度指標極低?，F(xiàn)場剝離推進后，應力釋放，導致邊坡發(fā)生了蠕動變形，邊坡沿著軟弱夾層發(fā)生底部圓弧狀的滑動，并引起上覆粉土、粉砂層的破壞，坡體內目前塑性區(qū)貫通，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)下，結合現(xiàn)場“表-深”聯(lián)合監(jiān)測以及數(shù)值模擬分析可以得出此次魏家峁礦邊坡巖體的破壞演化機理和邊坡破壞模式如圖9所示。

圖9 邊坡破壞演化過程

4 結 論

1)聯(lián)合監(jiān)測的位移都呈現(xiàn)出“急劇增長-緩慢平衡-再次調整”的“L” 型變化過程，說明巖土體產(chǎn)生了明顯的剪切位移，邊坡潛在滑移面在孔口下27～32m處，現(xiàn)階段邊坡處于臨滑狀態(tài)。

2)邊坡移動方位角為31°～48°，滑體的滑動方向為北東方向。邊坡巖體的破壞模式為剪切型破壞，邊坡滑移主要呈現(xiàn)出 “開挖卸荷—剪切破壞”力學機理。

3)此次滑坡在宏觀模式上為“蠕滑—拉裂”型牽引式滑坡，系坡體局部上層滯水造成泥巖長期浸泡，形成淤泥狀的演化弱層，剝離推進后，應力釋放，邊坡發(fā)生沿軟弱夾層的圓弧狀的滑動。