白逢義

(中冶北方(大連)工程技術有限公司，遼寧 大連 116600)

0 引言

山西某鐵礦礦區(qū)位于山西省太原市婁煩縣。1991年建成，采用露天開采方式進行開采至今已有20余年，目前開采規(guī)模為1 000萬t/a。礦體走向NW～SE，總體為一向斜構造。原露天開采設計分區(qū)共分為8個分區(qū)，其中1,2,7,8區(qū)上部1 578 m以上已基本靠幫，目前礦山向東側進行開采。1,2,7,8區(qū)邊坡開采中存在著第四系及風化巖邊坡破壞，以及深部沿強度較低的鐵閃片巖等軟弱巖體發(fā)生的平面及傾倒破壞。上述區(qū)域主要的邊坡工程地質問題已得到了有效治理，包括長錨索加固，削坡噴射砂漿，格構梁結合錨桿等措施進行加固。因此上述區(qū)域不作為本次研究重點。

本次研究主要為目前正在開采的山西某鐵礦東部區(qū)域，共有3個地質分區(qū)，分別為：4區(qū)-北端邊坡部區(qū)；5區(qū)-東端邊坡部區(qū)；6區(qū)-南端邊坡部區(qū)。區(qū)內出露巖組主要為石英巖、石英片巖、含云母石英片巖、斜長角閃片巖、磁鐵石英。該區(qū)內邊坡上部為黃土及粘土邊坡。由于前期基礎資料不足，實際揭露地質條件變化與設計存在較大差異，該區(qū)域存在厚度較大的黃土層，局部達100多米，且黃土邊坡緊鄰工業(yè)廠房及辦公區(qū)，并且產(chǎn)生了較大的滑坡現(xiàn)象，急需開展這些區(qū)域的穩(wěn)定性論證和境界優(yōu)化設計工作。

1 邊坡存在的問題

2020年4月3日，機修廠正下方邊坡發(fā)生寬度達近百米的滑坡如圖1所示。該滑坡發(fā)展過程分兩個階段：1 521～1 488 m高程之間邊坡失穩(wěn)；隨后，滑坡體在1 488 m平臺，造成1 488～1465 m邊坡再次失穩(wěn)下滑。最終高差達到近60 m。

圖1 滑坡照片

2 巖土體參數(shù)及現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析

滑坡主要影響因素包括巖土體參數(shù)、地下水和外部應力變化。該礦山開采多年，地震設防烈度為7度，靠幫采用控制爆破技術，上部存在建筑物，基本無外部應力影響，因此研究主要從巖土參數(shù)以及水文地質條件等入手開展滑坡研究。

首先通過補充物探、現(xiàn)場揭露邊坡地質素描、節(jié)理裂隙統(tǒng)計、補充工程地質鉆孔等勘察工作，更新后工程地質模型如圖2所示，將東側和南側第四系土層和風化巖分布情況進行補充完善，利用新的工程地質信息建立三維地質模型。同時在補充鉆孔中和揭露邊坡區(qū)域進行土樣和巖體樣品的采集用于室內試驗工作。

圖2 更新后的工程地質模型

2.1 土層參數(shù)

土層的相關參數(shù)試驗工作包括物理性質試驗，濕陷性試驗和滲透性試驗，三軸力學試驗。對于邊坡土層參數(shù)中的力學試驗結果相對較為重要，力學相關參數(shù)通過三軸力學試驗獲得。在邊坡工程中，對于土坡長期穩(wěn)定性，應采用固結不排水剪切強度指標，用有效應力分析法；對于地下水位線以上的土體強度指標是基于天然土樣CU獲得土體的ccu和φcu，對于地下水位以下的土層強度采用飽和土樣CU獲得土體的有效抗剪強度c′和φ′。此外，對于土體的變形參數(shù)，采用天然土樣的CD試驗。具體試驗結果見圖3，圖4，及表1～表3內容。

圖3 鉆孔不同深度土樣顆粒分級曲線

表1 土層的濕陷性試驗結果

表2 土層滲透性試驗結果

表3 土層三軸力學試驗結果

圖4 強度試驗擬合曲線

各項土層試驗情況說明，邊坡頂部覆蓋的第四系土主要由粉粒和粘粒組成，以黃土為主。黃土局部具有一定的濕陷性，黏土土層為弱透水層，黃土為中等透水。

在飽和狀態(tài)的黃土和黏土強度明顯低于自然狀態(tài)的強度值。說明黃土等土層在地下水作用下強度降低較為明顯，該特征也是滑坡產(chǎn)生的重要影響因素之一。

2.2 巖體強度參數(shù)確定

巖體是指在一定工程范圍內，由包含軟弱結構面的各類巖石所組成的具有不連續(xù)性、非均質性和各向異性的地質體。巖體的物理力學特性尤其是強度隨著巖石特性、不連續(xù)面的發(fā)育程度及充填物質的不同，存在著較大差異。

實際工程分析中，可以結合工程自身特點，考慮主要因素，對整個巖體做出正確的、符合實際的、綜合性的力學分析，從而對具體工程地質條件及巖石特征做出客觀的判斷。

確定本次巖體強度參數(shù)是通過HOKE-BROWM方法進行確定，首先進行巖體分級，通過對鉆孔中主要巖性進行RMR分析，建立鉆孔中RMR分級圖。根據(jù)鉆孔中不同巖性統(tǒng)計出各巖性在分區(qū)中RMR值。再通過RMR巖體分級都不同區(qū)域不同進行評分，并應用HOKE-BROWM準則進行巖體參數(shù)的轉化確定。

巖體分級的準確與否對巖體工程而言有著十分重要的意義。目前國內外常用的巖體質量評價方法為RMR(rock mass rating)法。該系統(tǒng)是Z. T. Bieniawski于1973 年提出的一種確定巖體質量等級的方法，并先后對其進行了4次修正，現(xiàn)以1989年版本為標準，該系統(tǒng)考慮了巖塊的單軸抗壓強度(R1)，巖石質量指標RQD(R2)，結構面間距(R3)，結構面條件(R4)，地下水條件(R5)。本次分析參考了《非煤露天礦山邊坡工程技術規(guī)范》(GB51016-2014)中巖石的質量指標RMR[1]具體打分情況見表4，表5為本次主要巖體的RMR分值，表6為主要巖體參數(shù)。

表4 巖體的質量指標RMR打分表

表5 巖體的RMR綜合取值

續(xù)表

表6 巖體力學參數(shù)結果

2.3 現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定性計算

圖5為設計分區(qū)及計算剖面位置，利用上述巖土體參數(shù)，對現(xiàn)狀的研究區(qū)邊坡穩(wěn)定性進行計算分析。計算分析結果如下：4區(qū)(WH7,WH8)：強風化巖以上安全系數(shù)偏低，但仍然有一定的安全儲備，不至于發(fā)生成片的滑坡。5區(qū)：從北幫往東幫第四系逐漸變厚，WH1剖面處在北幫和東幫的過渡區(qū)域，第四系厚度為20～30 m，強風化層厚度為30～40 m。極限平衡計算表明，現(xiàn)狀邊坡安全系數(shù)為1.11，小于允許值。WH4剖面第四系厚度將近100 m，第四系底部的標高在1 382～1 398 m之間，強風化巖層厚度約為25 m。計算表明，該剖面第四系地層邊坡的安全系數(shù)為0.86，不穩(wěn)定。6區(qū)(WH5，WH9)是重要設施和滑坡區(qū)域：2020年4月3日，機修廠正下方邊坡發(fā)生寬度達近百米的滑坡。1 521～1 465 m邊坡發(fā)生滑塌，該區(qū)域為本次重要的滑坡分析區(qū)域。

圖5 設計分區(qū)及計算剖面位置

3 邊坡水文地質條件和滲流分析

3.1 氣候條件

本區(qū)屬北溫帶大陸性氣候，總的特征是氣候干旱，雨量較少，氣溫較低。冬季漫長、干燥寒冷，夏季炎熱、雨季集中，春季風多、升溫較快，秋季短暫，天氣涼爽。全年平均氣溫在 7.1～8.1 ℃之間，無霜期為 120～140 天，最高氣溫 37.4 ℃，最 低氣溫-30.5 ℃。7月最熱，月均氣溫為 20.6 ℃。元月最冷，月均氣溫為-12.7～-14.6 ℃。 年溫差大，一般在 30 ℃左右。日溫差變化劇烈，一般在 12～15 ℃之間。多年平均降雨量 439 mm，大多集中在 6～8 月，年最大降水量 563.5 mm(1988年)，年最小降水量為 213 mm(1972年),日最大降水量 112.4 mm，小時最大降水量39.4 mm (1994 年7月23日12時28分)。多年平均蒸發(fā)量1 905.3 mm， 相當于降雨量的4.5 倍。最大凍土深度為 1.2 m。

礦區(qū)主要發(fā)育兩條大的沖溝：武家梁溝和與其隔一道山梁南側的不算溝。礦區(qū)開采前期，北部、東部和南部的溝谷中均有若干泉水出露，多數(shù)為上層滯水下降泉，季節(jié)性較強。

3.2 主要含水層

風化含水層：屬于賦水微弱含水層，其補給來源為大氣降水。隨著礦山開采加深，風化帶由于滲透性良好，易于疏干。構造裂隙含水層：為礦區(qū)主要的兩個斷層，F(xiàn)A 斷層和 FB 斷層，富水性中等。孔隙含水層：沖、洪積松散含水層及黃土含水層。黃土含水層，該含水層為上層滯水(包氣帶水)，巖性以粉土為主，垂直節(jié)理發(fā)育，具大孔隙，滲透性較好。

3.3 邊坡滲流分析

圖6～圖8為不同風化巖隨著疏干時間壓力水頭的變化情況。

圖6 風化巖體開采疏排計算模型

圖7 中風化層開采疏排與坡腳同高程的地下水位線隨位置的變化曲線

圖8 強風化層開采疏排與坡腳同高程的地下水位線隨位置的變化曲線

上述分析表明按照礦山正常的開采下降速度，正常的靠幫速度即滿足風化巖層疏排所需的時間要求。

圖11 東南幫現(xiàn)狀邊坡疏干一年后的飽和度場

圖9～圖10表明不同時期東南幫滲流情況分析結果。東南幫機修廠房以及變電所下部，第四系地層地下水外滲嚴重。該部位在 2018～2019年靠幫時，邊坡因水位高出現(xiàn)多次規(guī)模不大的滑坡。分析表明該部位第四系地下水疏干的滯后性是導致土體強度降低的重要因素，尤其是南部邊坡在冬季和春季時更容易產(chǎn)生滑坡的原因。

圖9 東南幫 1 488 m 水平以上開挖引起坡體滲流場的變化

圖10 冬季地表凍結條件下邊坡地下水位的變化

4 設計境界優(yōu)化

根據(jù)上述邊坡巖土體參數(shù)試驗和穩(wěn)定性分析結果，并結合滲流條件，需要確?；麦w進行治理，并保證深部開采邊坡安全，對設計境界進行優(yōu)化調整。

4.1 邊坡角變化

采場北側邊坡第四系厚度較小約20 m，第四系整體邊坡角取38°，強風化層60～70 m，厚度大，強風化層整體邊坡角度33°～34°。采場東側第四系約80m，厚度大，第四系整體邊坡角26°～29°，強風化層厚度較小30～40 m，強分化層整體邊坡角度37°～42°。采場南側滑坡區(qū)域邊坡情況較差，第四系整體邊坡角度23°～28°，強風化層整體邊坡角度33°～37°。

4.2 平臺參數(shù)調整

黃土層平臺寬度為10 m，強風化層平臺寬度10.5m，1 488 m平臺需布置截洪溝工程平臺寬度為15 m。1 458 m水平以下基巖層平臺寬度與原設計保持一致，安全平臺不小于5 m，清掃平臺不小于8 m。

4.3 道路系統(tǒng)變化

道路系統(tǒng)總出入溝確定在采場東南端地表標高1 443 m處。向采場內采用螺旋和折返相結合方式展線，即從采場東南端1 443 m標高開始沿采場南側幫向西經(jīng)過1 359 m回頭折返后，采用螺旋展線布置方式至露天底1 128 m水平。

4.4 優(yōu)化后的穩(wěn)定性分析

優(yōu)化設計方案是按照滑體標高范圍為1 450～1 522 m范圍，最終形成第四系邊坡角度約為23°左右。主要剖面計算結果見表7。

表7 WH9剖面安全系數(shù)計算結果

計算結果表明該剖面各狀態(tài)邊坡穩(wěn)定性滿足安全標準1.20的要求。該剖面處存在滑坡體?；麦w必須通過削坡進行清理，方可繼續(xù)執(zhí)行下部境界靠幫。

5 防治水措施

由于滑坡主要由地下水疏干滯后引起上部黃土飽和強度降低導致，同時與地表徑流水存在一定關系，因此邊坡防護以治水為主。

5.1 降水方案(疏干井方案)

垂直疏水井7口，孔深17.50～46.80 m，累計深度241.80 m，進入中風化巖3～5 m。通過抽水試驗及邊坡的變形觀測，疏水井疏水后滑坡體變形減緩，通過疏水井疏水增強了邊坡的穩(wěn)定性。后續(xù)靠幫過程中應加強檢測，監(jiān)測邊坡開挖時土質的含水情況及變形情況，如部分區(qū)域含水量過大，應增加疏水井的數(shù)量。

5.2 降水方案(疏干孔)

主要為仰斜式排水孔，自上而下共布設4排排水孔，排水孔鉆孔孔徑130 mm，排水孔出口處，設置D=200mmPVC管集水管，全部收集匯入平臺集水坑中。 疏干孔總流量初期保持在100 m3/d,目前下降為40～50 m3/d，說明坡面疏干具有一定效果。

5.3 截洪溝方案

封閉圈以上1 458 m水平設置主截洪溝，將坡體內疏干水，地表降雨徑流等統(tǒng)一外排至武家梁溝內。 各邊坡設置臺階截水溝，通過急流槽導入主排水溝統(tǒng)一外排。坡頂采用混凝土硬化措施。坡面采用掛網(wǎng)噴射砂漿混凝土護坡或采用綠化種草護坡。

6 結語

該礦山滑坡主要影響因素包括巖土體參數(shù)弱化和地下水。其中第四系地下水疏干的滯后性是導致土體強度降低的重要因素。調整設計以滑坡區(qū)削坡清理為主，經(jīng)削坡處理后各區(qū)域邊坡基本滿足安全標準要求。由于滑坡主要由地下水疏干滯后引起的上部黃土強度降低導致，同時與地表徑流水也存在一定關系，因此邊坡防護應以治水為主。