高志軒，陳 濤，舒繼森，韓 流

(1.文山州煤業(yè)有限責(zé)任公司普陽(yáng)煤礦，云南省文山州，663400；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇省徐州市，221116 )

露天礦排土場(chǎng)作為典型大型人工堆積體，自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受地形、地質(zhì)(工程地質(zhì)、水文地質(zhì))、氣候條件影響較大[1-2]。排土場(chǎng)穩(wěn)定性受不同因素影響，目前沒有相對(duì)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量[3]。比如，北方干旱地區(qū)旱季和雨季的降雨量都比較小，而南方地區(qū)旱季和雨季分明，年降雨量較大，且同年最大月度降雨量接近旱季的10倍，有的年份在24 h內(nèi)的降雨量超過(guò)150 mm，降雨成為影響南方排土場(chǎng)(或人工堆積體)主要因素之一；又如，北方露天礦山多處于地形平坦地區(qū)，排土場(chǎng)地形對(duì)其穩(wěn)定性影響較小，而南方露天礦山排土場(chǎng)多處于溝谷之中，溝谷寬度、坡度、泉眼及河流分布、基地巖性等對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響。

眾多學(xué)者指出，降雨是排土場(chǎng)邊坡發(fā)生失穩(wěn)的主導(dǎo)原因之一[4]。在降雨過(guò)程中，邊坡巖土體表面的體積含水量會(huì)迅速增加，雨水也可能沿著邊坡裂縫迅速浸潤(rùn)內(nèi)部巖土體[5]，造成巖土顆粒間的接觸面積加大，使得原來(lái)的點(diǎn)—點(diǎn)接觸變成線—面間的組合接觸[6]，從而削弱巖土體的有效應(yīng)力，致使孔隙水壓力增大，進(jìn)而加大了滑體的下滑力，削弱了巖土體的抗滑力[7]。露天煤礦排土場(chǎng)矸石、殘煤等物質(zhì)極易發(fā)生自燃[8]，產(chǎn)生大量有害氣體，造成孔隙壓力增大，降低了抗剪強(qiáng)度，最終導(dǎo)致滑坡事故發(fā)生。露天煤礦排土場(chǎng)在礦山服務(wù)周期內(nèi)處于動(dòng)態(tài)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，采礦工程活動(dòng)(爆破、卡車重載和排土工藝等)會(huì)使邊坡的應(yīng)力始終處于改變之中，當(dāng)超過(guò)邊坡極限穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡極易發(fā)生滑坡。南方露天礦排土場(chǎng)受地形條件限制，往往建設(shè)在山谷溝壑間，基底形態(tài)差異性較大，其基底巖性大多為第四系殘積層和沖積層(如龍橋排土場(chǎng)、普陽(yáng)煤礦1號(hào)排土場(chǎng)等)，該巖性屬于軟弱巖層，其物理力學(xué)性質(zhì)受外界因素影響極易發(fā)生改變，從而隨著排土物料的次序、堆載高度、坡面形態(tài)等改變發(fā)生地基軟化，進(jìn)而沿基底發(fā)生滑動(dòng)破壞。

普陽(yáng)煤礦1號(hào)排土場(chǎng)是我國(guó)南方露天礦典型散體軟巖物料山坡排土場(chǎng)，其綜合治理方案可為類似排土場(chǎng)邊坡變形破壞治理提供借鑒。

1 煤礦概況及滑坡情況

1.1 煤礦概況

普陽(yáng)煤礦1號(hào)排土場(chǎng)始建于1985年，現(xiàn)狀最高排棄標(biāo)高為1 030 m，排土高差225 m，總排棄物料達(dá)4 700余萬(wàn)m3。該排土場(chǎng)屬于典型的山坡排土場(chǎng)，谷深、坡陡、泉眼密集，加之原始地表植被及表土層未做有效處理，其排土場(chǎng)基底巖性極差，排土過(guò)程未充分考慮巖性等問(wèn)題，造成該排土場(chǎng)目前穩(wěn)定性欠佳，綜合治理難度較大[9-11]。

1.2 滑坡情況

1990年6月30日普陽(yáng)礦區(qū)發(fā)生了洪災(zāi)，1號(hào)排土場(chǎng)暗涵冒頂堵塞，暗涵蓋板及溝幫垮塌，導(dǎo)致排土場(chǎng)積水，造成了排土場(chǎng)的邊坡安全隱患。1994年8月16-19日，普陽(yáng)礦區(qū)連降大雨，8月20-23日1號(hào)排土場(chǎng)出現(xiàn)滑坡，滑體長(zhǎng)170 m，寬100 m，滑坡體方量約11萬(wàn)m3，滑坡前緣觸及公路，該滑坡破壞了原修建的擋土壩和暗涵工程。1994年滑坡情況如圖1(a)所示?；掳l(fā)生后煤礦于1994年在滑坡體前沿重新修建了1座擋土壩，對(duì)滑坡體進(jìn)行治理。

2007年8月，受降雨影響，排土場(chǎng)下部再次發(fā)生變形滑動(dòng)，滑坡體前緣高程804 m，后緣高程829 m，縱向長(zhǎng)186 m，平均寬度75 m，面積13 950 m2?；w厚度3.80～8.10 m，滑體平均厚度6.52 m，滑坡體方量約9萬(wàn)m3，為一中型淺層土質(zhì)滑坡?；掳l(fā)生后為避免滑坡體外圍大氣降雨匯水進(jìn)入滑坡體進(jìn)而誘發(fā)再次滑坡，煤礦沿滑坡體周邊修建了復(fù)式排水溝攔截滑坡體外圍大氣降雨匯水。復(fù)式排水溝修建長(zhǎng)度296 m。

2008年煤礦對(duì)滑坡體進(jìn)行治理，于1號(hào)排土場(chǎng)前緣施工了17顆抗滑樁，抗滑樁施工完成后，該滑坡體至今未見開裂變形，該滑坡現(xiàn)狀基本穩(wěn)定，同時(shí)抗滑樁未見變形跡象，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好。2008年后滑坡情況如圖1(b)所示。

圖1 1994年和2008年滑坡情況

2 邊坡位移監(jiān)測(cè)分析

普陽(yáng)煤礦1號(hào)排土場(chǎng)目前已建立了國(guó)內(nèi)先進(jìn)的邊坡三維立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括地表位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地下位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。1號(hào)排土場(chǎng)建立了13個(gè)排土場(chǎng)邊坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中10個(gè)地表位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(GPS01、GPS02、GPS03、GPS04、GPS05、GPS06、GPS07、GPS08、GPS09、GPS10)，3個(gè)深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)(SK10、SK11、SK12)。1號(hào)排土場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置如圖2所示。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到普陽(yáng)煤礦1號(hào)排土場(chǎng)邊坡位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移軌跡見表1。

圖2 排土場(chǎng)邊坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

表1 排土場(chǎng)GPS01～GPS10地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移軌跡

2.1 地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程變動(dòng)分析

從表1可以看出，1號(hào)排土場(chǎng)邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)高程變動(dòng)值最大為GPS01號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)-177.9 mm，最小為GPS10號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)-23.4 mm，日高程下降值為0.07～0.52 mm/d。

排土場(chǎng)邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程下降的原因是排土物料的自然沉降，結(jié)合邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置可以看出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置形成臺(tái)階的先后順序?yàn)镚PS09、GP08、GPS10、GPS05、GPS07、GPS06、GPS04、GPS03、GPS02、GPS01，邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)高程下降值與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置臺(tái)階形成的時(shí)間總體呈負(fù)相關(guān)。由于新堆棄的巖土密實(shí)性小、孔隙大，經(jīng)壓實(shí)后排土臺(tái)階頂面下沉。即后期形成的排土臺(tái)階因沉降時(shí)間短，尚未沉降完成，因此累計(jì)高程變動(dòng)值大，初期形成的排土臺(tái)階因經(jīng)過(guò)前期長(zhǎng)時(shí)間沉降，沉降已趨近完成，累計(jì)高程變動(dòng)值小。邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程下降值與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置臺(tái)階形成時(shí)間關(guān)系如圖3所示。排土物料的自然沉降為排土場(chǎng)的自然特性，不影響整個(gè)排土場(chǎng)的穩(wěn)定性。

2.2 地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移分析

2.2.1 東側(cè)邊坡水平位移分析評(píng)價(jià)

1號(hào)排土場(chǎng)東側(cè)邊坡臨空面傾向?yàn)?6°，邊坡由GPS01、GPS05兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移為40.8～61.2 mm，位移量為0.12～0.18 mm/d，位移方向?yàn)?3°～32°，具體見圖2，其中GPS01點(diǎn)位移方向指向溝谷，GPS05點(diǎn)地勢(shì)較平緩，受溝谷影響小。東側(cè)邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移方向多變且與臨空面傾向不一致，分析認(rèn)為東側(cè)邊坡位移為排土場(chǎng)自然沉降引起，位移方向受原始地形控制，邊坡穩(wěn)定，不存在滑坡。根據(jù)礦山現(xiàn)場(chǎng)巡查反饋，1號(hào)排土場(chǎng)東側(cè)邊坡沒有變形、底鼓、裂隙等現(xiàn)象，東側(cè)邊坡穩(wěn)定。

圖3 邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置臺(tái)階形成時(shí)間關(guān)系

2.2.2 北側(cè)邊坡水平位移分析評(píng)價(jià)

1號(hào)排土場(chǎng)北側(cè)邊坡臨空面傾向?yàn)?°，邊坡由GPS02、GPS03、GPS04、GPS06、GPS07、GPS08、GPS09、GPS10等8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移為11.6～80.0 mm，位移量為0.035～0.240 mm/d，位移方向?yàn)?6°～333°，其中GPS02、GPS03、GPS07、GPS09、GPS10等溝谷西側(cè)的邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移方向總體向東或東北，指向溝谷，GPS04、GPS06、GPS08等溝谷東側(cè)的邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移方向總體向西或西北，指向溝谷。北側(cè)邊坡地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移方向多變且與臨空面傾向不一致，位移方向總體指向溝谷方向，GPS07、GPS08號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移方向與邊坡臨空面傾向相反，分析認(rèn)為北側(cè)邊坡位移為排土場(chǎng)自然沉降引起，位移方向受原始地形控制，邊坡穩(wěn)定，不存在滑坡。根據(jù)礦山現(xiàn)場(chǎng)巡查反饋，1號(hào)排土場(chǎng)北側(cè)邊坡沒有變形、底鼓、裂隙等現(xiàn)象，808水平原有抗滑樁、擋土壩未見變形跡象，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好。北側(cè)邊坡現(xiàn)狀基本穩(wěn)定。

2.3 深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移分析評(píng)價(jià)

1號(hào)排土場(chǎng)深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移方向如圖4所示。

圖4 深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移方向示意

由圖4可以看出，1號(hào)排土場(chǎng)深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移方向與邊坡臨空面方向不一致，且同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同深度傳感器位移方向各異，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并不具備整體變形特征。分析認(rèn)為1號(hào)排土場(chǎng)深部目前總體處于穩(wěn)定狀態(tài)，傳感器變形的原因可能是排土物料不均勻沉降、工程機(jī)械擾動(dòng)等因素造成。SK12的第2個(gè)傳感器累計(jì)位移量達(dá)293.4 mm，位移量相對(duì)較大，須引起高度重視并加強(qiáng)該區(qū)域邊坡監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)巡查，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)變形、裂縫，立即采取應(yīng)急措施以保障下游村莊、道路安全。

3 排土場(chǎng)邊坡綜合治理方案研究

3.1 858水平抗滑工程方案

3.1.1 方案布置

在邊坡工程的滑坡治理中，采用抗滑樁穿過(guò)滑坡體深入基底，增加滑體的抗滑力，是提高邊坡穩(wěn)定性的常用方法。對(duì)于普陽(yáng)煤礦1號(hào)排土場(chǎng)邊坡，在858水平采用抗滑樁工程方案分為858水平抗滑樁方案和858水平高壓旋噴樁方案，其方案布置情況如圖5所示。本次設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)化Bishop法對(duì)3-3＇剖面邊坡穩(wěn)定系數(shù)F提高至1.20時(shí)，858水平抗滑樁位置剩余下滑力進(jìn)行了計(jì)算，經(jīng)計(jì)算抗滑樁前的剩余下滑力為35 750 kN。858水平抗滑樁方案的滑面穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果如圖6所示。

圖5 858水平抗滑樁工程方案

圖6 858水平抗滑樁方案的滑面穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果

3.1.2 方案評(píng)價(jià)

抗滑樁最大長(zhǎng)77 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出規(guī)范及現(xiàn)有施工經(jīng)驗(yàn)。雖然858水平高壓旋噴樁方案彌補(bǔ)了抗滑樁施工難度大的問(wèn)題，但是高壓旋噴樁治理措施實(shí)施后會(huì)造成其地形上游方向出現(xiàn)地下水聚積，抬升上游地下水位標(biāo)高，實(shí)施的時(shí)候必須采取相應(yīng)的排水措施。考慮到858水平附近高壓旋噴樁方案工程投資巨大，礦山難以承受，因此，不推薦858水平附近高壓旋噴樁方案進(jìn)行邊坡治理。

3.2 排土壓腳結(jié)合抗滑樁方案

3.2.1 方案布置

排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)較低的原因是排土場(chǎng)下部巖體軟弱，抗滑能力不足。將礦山剝離強(qiáng)度較高的灰?guī)r、泥灰?guī)r用于排土場(chǎng)底部壓腳，有利于邊坡穩(wěn)定。排土壓腳及抗滑樁平面位置如圖7所示。方案在壓腳123萬(wàn)m3的情況下，計(jì)算了8個(gè)滑動(dòng)面，上部866～1 030臺(tái)階，邊坡最小穩(wěn)定系數(shù)由1.090增大至1.227，上部邊坡穩(wěn)定系數(shù)得到大幅提高，如圖8所示。因?yàn)榕磐翂耗_增加了底部水平的下滑力，808～866水平邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低，出現(xiàn)0.971的穩(wěn)定系數(shù)，存在滑坡危險(xiǎn)，為保障排土場(chǎng)底部邊坡穩(wěn)定需配套實(shí)施抗滑樁，抗滑樁平均樁長(zhǎng)35 m，最大長(zhǎng)度45 m，共49根，斷面按2.5 m×3.5 m計(jì)算。

圖7 排土壓腳及抗滑樁平面位置

圖8 排土壓腳及抗滑樁方案的滑面穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果

3.2.2 方案評(píng)價(jià)

用強(qiáng)度較高的灰?guī)r、泥灰?guī)r排土壓腳確實(shí)可以提高排土場(chǎng)上部邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，但排土場(chǎng)底部邊坡穩(wěn)定系數(shù)會(huì)降低。底部須施工抗滑樁方可整體提高排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)。該方案將破壞排土場(chǎng)底部現(xiàn)有的疏干、排水和植被，且投資較大，抗滑樁施工難度同樣較高，方案還將破壞排土場(chǎng)858水平以下的植被、排水設(shè)施。因此不推薦排土壓腳+抗滑樁方案。

3.3 全基巖內(nèi)疏水隧洞方案

3.3.1 方案布置

本方案隧洞全部在基巖內(nèi)開挖，即隧洞水平全長(zhǎng)596.76 m，巷道基本建在中風(fēng)化灰?guī)r中，出口段明溝加蓋板，長(zhǎng)度200 m。全基巖疏水隧洞方案平面布置如圖9所示。不設(shè)放水孔段橫斷面尺寸為1.8 m×2.2 m(凈寬×凈高)的半圓拱斷面；設(shè)置放水孔段隧洞，放水孔排間距按10 m計(jì)算，0.5%縱坡段時(shí)，橫斷面尺寸為2.5 m×2.5 m(凈寬×凈高)的半圓拱斷面；陡坡段整機(jī)尺寸，橫斷面尺寸為4.0 m×2.5 m(凈寬×凈高)半圓拱斷面。變斷面處暫按突變考慮，對(duì)突變處前后各1 m段進(jìn)行加固處理。

圖9 全基巖疏水隧洞方案平面布置

根據(jù)全基巖內(nèi)疏水隧洞方案，1號(hào)排土場(chǎng)綜合治理后，邊坡穩(wěn)定系數(shù)將得到提高，不同疏干效果情況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)不同，疏水70%、80%、90%和100%時(shí)的現(xiàn)狀邊坡簡(jiǎn)化Bishop法邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果分別為1.241、1.254、1.260、1.264，如圖10所示。在邊坡達(dá)到預(yù)計(jì)的疏水效果的情況下(排土場(chǎng)底部基本不積水，疏水效果100%時(shí))，現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定系數(shù)可達(dá)到1.264，排土場(chǎng)在繼續(xù)排土至1 100水平的情況下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.208。即排土場(chǎng)在采取綜合治理措施后，疏水效果理想的情況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)能達(dá)到規(guī)范規(guī)定要求，可以繼續(xù)排土2 100萬(wàn)m3至1 100水平。

圖10 不同疏干水效果的滑面穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果

3.3.2 方案評(píng)價(jià)

本方案有利于收集、排除排土場(chǎng)地下水，工程地質(zhì)條件良好，隧洞全部位于中風(fēng)化基巖中，位于潛在滑動(dòng)面下，不小于7.12 m，隧洞不受排土場(chǎng)變形、滑坡的影響，隧洞支護(hù)簡(jiǎn)單、施工較容易、施工工期較短、投資少。經(jīng)綜合考慮研究，推薦全基巖疏水隧洞方案。

3.4 其他治理方案

3.4.1 針對(duì)局部位置低洼不利于排水的治理方案

因征地限制，排土場(chǎng)東側(cè)形成了一中間低四周高的洼地，受地形限制排土場(chǎng)東部大氣降雨一直是直接滲入排土場(chǎng)。為減少大氣降雨滲入，保障排土場(chǎng)邊坡安全，本方案將洼地進(jìn)行填平處理，以有利于排水。設(shè)計(jì)填方量12萬(wàn)m3，采用礦山剝離物。

3.4.2 針對(duì)排土場(chǎng)南部形成反坡、存在臺(tái)階垮塌堵塞排水溝的治理方案

1號(hào)排土場(chǎng)目前排棄最高水平1 030 m，排土場(chǎng)南側(cè)現(xiàn)排土形成反坡，反坡的坡腳分布有1條防洪溝攔截排土場(chǎng)南側(cè)外圍匯水。隨著礦山今后繼續(xù)排土，這條防洪溝將被排土覆蓋?？紤]到1號(hào)排土場(chǎng)今后最高排棄標(biāo)高為1 100水平，為了攔截最高排棄水平外圍的大氣降雨匯水，礦山在排土場(chǎng)南側(cè)新建1 120水平截水溝，原防洪溝改為盲溝，繼續(xù)發(fā)揮排水功能。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)排土場(chǎng)邊坡滑坡現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程變動(dòng)值、水平位移和深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移分析評(píng)價(jià)，得出排土場(chǎng)邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程下降和水平位移值變化的原因是排土物料的自然沉降，位移方向受原始地形控制，邊坡穩(wěn)定并不存在滑坡，1號(hào)排土場(chǎng)深部目前總體處于穩(wěn)定狀態(tài)，傳感器變形的原因可能是排土物料不均勻沉降、工程機(jī)械擾動(dòng)等因素造成。

(2)通過(guò)對(duì)858水平抗滑樁方案、858水平附近高壓旋噴樁方案、排土壓腳結(jié)合抗滑樁方案和全基巖內(nèi)疏水隧洞方案進(jìn)行了比較及論證，最終推薦全基巖疏水隧洞方案作為排土場(chǎng)邊坡綜合治理主方案，并以針對(duì)局部位置低洼不利于排水的治理方案和排土場(chǎng)南部形成反坡、存在臺(tái)階垮塌堵塞排水溝的治理方案作為配套方案。