大型露天礦第四系高邊坡滲透破壞機理及處理技術研究

龔高武

（湖南宏禹水利水電巖土工程有限公司 長沙市 410007）

深厚第四系覆蓋層下的礦產(chǎn)露天開采，需揭露上部第四系松散蓋層，形成高陡的邊坡。由于第四系松散地層的地質結構與成因特征，儲存運行于潛水含水層和承壓含水層中的地下水對淤泥質土層、淤泥、砂卵石分布部位的邊坡穩(wěn)定極為不利，一旦處理不當，極易引發(fā)邊坡垮塌、礦坑充水、周邊地面沉陷、裂縫、地表水干枯、建筑物傾斜、倒塌等系列地質災害。怎樣治理大型露天礦第四系開挖邊坡揭露后地下水排泄對邊坡地層造成的滲透破壞問題，成為控制大型露天礦山高邊坡開挖和礦山經(jīng)濟效益正常發(fā)揮的關鍵。

1 第四系地層的水文、工程地質條件特征

形成深厚覆蓋層沉積的地域多處在江河流域的中、下游，沉積物多為松散的淤泥、淤泥質土、粉質粘土、砂、砂卵礫石層等，主要特征為：

（1）不同物質、不同顆粒沉積堆積，成分復雜。

（2）結構松散、力學性質差、強度低。

（3）土層交錯沉積、相互迭置、分布規(guī)律差。

（4）孔隙率大小不等，含、透水程度不一，透水性相差懸殊。

（5）含水層、隔水層交錯分布、相互迭置、易形成孔隙度大的承壓含水層。

（6）力學性質差別大，土層C、φ值極不均一。

2 第四系地層高邊坡開挖易引發(fā)的地質災害

由于第四系土層特有的水文、工程地質條件，大型露天礦山在采礦過程中形成的高邊坡，破壞了原始土層的穩(wěn)定及地下水運移、儲存的條件，形成邊坡后，邊坡土層須達到新的穩(wěn)定平衡，賦存于松散土層孔隙中地下水在新排泄途徑上不斷外泄，由此而帶來諸多新的工程問題，在礦山及其周邊引發(fā)地質災害。

（1）邊坡垮塌。滲透變形和地表水沖刷，造成邊坡垮塌。

（2）滑坡。地下水的長期排泄、淘蝕，引起土層滲透變形，改變土層內(nèi)應力分布，發(fā)生剪切變形破壞、形成連續(xù)滑移破壞面，導致土層滑坡。

（3）礦坑充水。邊坡開挖揭露含水層，給含水層以排泄空間，水體迅速外排，尤其是承壓水頭作用下，排泄快、水量大，一旦礦坑內(nèi)排水設施不夠，礦坑內(nèi)迅速將會被水淹沒，形成充水礦坑。

（4）周邊地質災害。邊坡垮塌、滑坡可能引起的邊坡上部的建筑物破壞，大量排水導致周邊地面沉陷、建筑物沉降、開裂、傾斜、甚至倒塌、地表水體干涸、地面開裂等系列問題，從而引發(fā)工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)癱瘓，人民生命財產(chǎn)無法保障等社會問題。

3 第四系地層內(nèi)高邊坡失穩(wěn)的機理分析

3.1 影響第四系邊坡穩(wěn)定的主要因素

露天礦開采后，造成第四系高邊坡穩(wěn)定問題的主要因素有：

（1）開挖形成的邊坡坡角過陡，即開挖坡角大于邊坡內(nèi)相應土層的自然穩(wěn)定休止角。

（2）邊坡排水不暢和大量地表水沖刷。

（3）大量排水造成土層滲透破壞，帶出細顆粒，形成流土或管涌。

（4）礦山開挖爆破振動，造成沙土液化。

上述影響因素中，邊坡角、排水和爆破等不利因素，可通過邊坡開挖設計得到合理解決。而滲透破壞影響范圍廣，處理難度大，長期困擾露天礦山覆蓋層壓伏礦體的開采，系急需解決的技術難題。

3.2 滲透破壞導致邊坡失穩(wěn)的機理分析

3.2.1 邊坡失穩(wěn)破壞的發(fā)生機理

露天采礦揭露形成的高邊坡使地下水排泄有了臨空面，即含、透水層被人為截斷，含、透水層內(nèi)的水體在水頭作用下（尤其是承壓水頭作用下）向基坑內(nèi)直接排泄。大量的排泄水沿著透水性好的層次徑流排泄，帶走近臨空面處的細顆粒，使土層發(fā)生滲透破壞。滲透破壞的不斷發(fā)生，加大水力梯度，造成粗顆粒架空，增加土顆粒的有效應力，當土體顆粒承擔的有效應力超過其允許承載能力時，則發(fā)生剪切破壞。這種由近至遠不斷破壞的過程，導致土層整體出現(xiàn)剪切破壞，形成邊坡垮塌、滑坡、地面塌陷、裂縫等。

3.2.2 滲透破壞引發(fā)地質災害的類型

（1）陡立的土層邊坡。滲透破壞發(fā)生后，水體不斷帶走細小顆粒，首先臨近邊坡發(fā)生小規(guī)模流土或坍塌破壞；當土體能夠阻止邊坡繼續(xù)變形破壞時，小范圍的破壞可能被終止，并導致在阻水性能較好的粘土層，粉質粘土層形成直立的陡坎。這在很多邊坡上經(jīng)常看到某些粘土層懸掛于邊坡之上，即可驗證。

（2）邊坡垮塌、滑坡。若滲透破壞治理不及時，任其滲透破壞發(fā)展延伸，一旦超過土層抗剪能力時，上部土體也將隨之被剪切破壞，形成邊坡垮塌、滑坡。

（3）地面沉陷。含水層（或承壓含水層）水體被排泄，細小顆粒被帶走，當由水體承擔的上覆土體的重力轉為土體顆粒承擔后，有效應力增加，使土層壓縮，出現(xiàn)地面沉陷。

（4）地面開裂、地表水體干涸、建筑物破壞。排泄水體沿透水層發(fā)生滲透破壞，一旦與上部土層或地表發(fā)生連通，導致地面開裂、地表水體干涸或大范圍地面變形。

4 邊坡內(nèi)承壓含水層滲透穩(wěn)定問題的處理技術研究

露天礦山開采第四系內(nèi)高邊坡開挖形成后，揭露的第四系地層內(nèi)由于其沉積形成的基本特性決定，表部多為潛水含水層，深部則多因粘土層或粉質土層的阻隔形成承壓含水層，不同含水層內(nèi)產(chǎn)生的滲透破壞，常與土層的性質密切有關，處理時，必須根據(jù)具體情況加以區(qū)別對待。一般而言，淺部潛水含水層的滲透破壞采用常規(guī)的邊坡治理措施和含水層止水方案即可達到理想的處理效果，但深部承壓含水層的滲流破壞治理相對難度則大得多。由于文章篇幅所限，僅介紹承壓含水層滲透破壞的處理技術。

4.1 承壓含水層滲透破壞處理的主要意圖

（1）阻斷邊坡內(nèi)、外的含水層的水力聯(lián)系，設置防滲帷幕。

（2）防止細小顆粒被帶出，設置固腳壓滲。

（3）有效排出邊坡至帷幕體之間的地下水，提高邊坡自穩(wěn)能力。

（4）順利排走地表水體，在坡面設置好有效排水溝，防止沖刷。

上述意圖中，后三者可通過開設排水溝，設置排水孔、坡腳反濾排水棱體等方法即可達到目的，設置防滲帷幕則因水文、工程地質條件復雜，方法選擇十分關鍵。

4.2 承壓水截水帷幕設置方案研究

在承壓含水層中設置截水帷幕，主要目的阻斷含水層內(nèi)的水體向邊坡外排泄，保持邊坡承壓含水層的水力平衡，防止?jié)B透破壞發(fā)生。可供帷幕設置的方法有：高壓噴射灌漿；混凝土防滲墻；常規(guī)帷幕灌漿；雙液可控灌漿。

4.2.1 防滲帷幕設置方法對承壓含水層的適宜性

由于承壓含水層特殊的水力性質，帷幕實施時，水頭會不同程度地對幕體發(fā)生水力破壞，各種方法分別具有各自成幕的特點，造成帷幕的連續(xù)性受到制約。

（1）高壓噴射灌漿。在鉆孔內(nèi)利用高壓水或高壓漿流對土體進行切割，并用水泥漿液與切割后的土體充分拌合形成水泥土混合體，各灌孔樁墻相互搭接起到整體防滲作用。

高噴防滲墻整體形成受下列因素控制：鉆孔斜度、孔深、切割水壓力、漿體的凝結速度與承壓水頭的淘蝕作用、墻體的連續(xù)性。其中尤其是承壓水水頭的作用最不利墻體連續(xù)形成整體，即當水頭較高時，由于高噴時孔口敞開，噴入的漿土混合液在水流作用下，從薄弱部位被孔內(nèi)承壓水流帶走，造成墻體不連續(xù)，導致整體防滲效果差。因此高噴灌漿很難在承壓含水層內(nèi)形成高噴連續(xù)墻體，不適宜用于在承壓水條件下防滲施工。

（2）混凝土防滲墻。用相應機械先開挖成槽，再往槽段內(nèi)澆筑混凝土，使之形成連續(xù)的混凝土防滲墻，以阻止水體外泄與滲漏。這種方法在承壓含水層內(nèi)，槽體開挖需要一定的時間，槽段形成后，含水層內(nèi)水體在水頭作用下會立即向槽段內(nèi)排溢，極易造成槽墻垮塌，成槽難度極大，此外，混凝土澆筑過程中，還會受到承壓水頭的頂托，混凝土澆筑不密實。該方法不適宜承壓水含水層內(nèi)的防滲施工。

（3）常規(guī)帷幕灌漿。采用鉆孔利用水泥漿或粘土水泥漿用泵送入灌段，充填土層中的孔隙，然后成排連續(xù)形成帷幕，阻止水體外泄，這種方法在透水性好的承壓含水層內(nèi)，受灌范圍廣，漿材耗量大，漿液會在透水性強的層次擴散遠，很難在垂直方向形成連續(xù)幕體，施工成本高，防滲效果差，很難適宜于承壓含水層內(nèi)帷幕的施工。

（4）雙液可控灌漿。采用在鉆孔內(nèi)逐段灌入特定的快速凝結的水泥——水玻璃漿液，利用漿液快速凝結特性，控制漿液有效擴散范圍，此法既能保證充填透水孔隙，又不易被水流沖蝕帶走，使之快速形成連續(xù)幕體，防滲效果較好。對于承壓含水層內(nèi)帷幕灌漿施工是一種經(jīng)濟可行的施工方法。

4.2.2 雙液可控帷幕灌漿施工主要技術要點

（1）可控制擴散范圍的雙液漿液。配合比、通常選擇1∶1～0.7∶1的單一水灰比，水泥漿液摻加3%～15%速凝劑組成（視不同情況選定不同摻加比例）。

（2）適宜的灌漿壓力。既能保證漿液順利進入灌段，又能在孔段內(nèi)擴散到需要范圍。選擇壓力要充分考慮漿液的粘滯阻力、管路的長度、鉆孔的深度等，同時又不能抬動上部的土體。直接作用于灌段上的壓力以（1.0～2.0）MPa為宜。

（3）灌段結束標準。分段灌漿時，以灌段壓力達到設計要求，注入率小于5L/min或累計灌入量達到充填相應半徑范圍內(nèi)孔隙的需漿量后，再上提灌注至全孔結束。涌水位于孔口以下的孔，對未灌注段可采用粘土球或雙液漿封孔；孔口有涌水者應注意屏漿，采用埋管者宜灌注至漿液受承壓水頂托不流動為止。

（4）質量檢查。施工部位完成14天后，在帷幕中心線上布置5%左右的檢查孔直接進行取芯檢查，查明帷幕線上灌段孔隙充填情況，量測孔內(nèi)的地下水位，進行注水試驗，評價灌漿效果與帷幕質量。

4.3 工程實例處理效果

馬鋼集團姑山礦露天采場西擴工程邊坡中存在于邊坡下50m左右的承壓含水層帷幕灌漿即采用雙液可控灌漿方法施工的，全線900余m長的邊坡開挖線，帷幕灌漿完成后半個月即實施了含水層試驗揭露和一個月后大范圍的砂卵礫石層揭露，帷幕止水效果良好，漏水量僅30 L/s左右，滿足設計和開挖要求，已正常外擴采礦，充分顯示出工程效益和經(jīng)濟效益。

5 結 語

第四系土層由于具有特有物理力學性質和水理性質，大型露天礦高邊坡開挖易引發(fā)系列地質災害，其中滲透破壞是引起第四系內(nèi)高邊坡變形破壞和系列地質災害的主要原因。要有效防止含水層在高邊坡上出現(xiàn)滲漏破壞，截住含水層水體的外泄，形成有效止水帷幕。目前已有的帷幕施工方法中，雙液可控灌漿是行之有效的施工方法。實踐證明，它能有效形成帷幕，截住滲透水流，防止出現(xiàn)邊坡變形破壞等主要功能，為諸多下伏于深厚覆蓋層下的富水礦山開采提供了一條有效的處理途徑。