王家嶺煤礦風井場地邊坡穩定性分析與評價

楊 喆，李寅良，林杜軍，韓書棟

（1．中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安710054；2．長安大學 地質工程與測繪工程學院，陜西 西安710054）

王家嶺碟子溝風井場地邊坡為典型巖、土復合邊坡［1－2］，其結構復雜，上部土層邊坡和下部巖石邊坡都存在潛在不穩定滑動面，在工程擾動和持續降雨等不利條件下，場地邊坡可能會發生局部或整體的變形破壞。事實上，在場地南側黃泥灌漿站處的斜坡開挖過程中，已經出現了多次小規模的滑坡，對場地建設造成了顯著的影響。因此，對場地邊坡進行合理的破壞模式分析和穩定性評價是工程首先要解決的關鍵問題。

1 邊坡的工程地質條件

場地展布在兩個古滑坡體上，分別稱為西側古滑坡和東側古滑坡，其間為黃土殘梁。邊坡的基本地質條件如下所述。

（1）東側古滑坡。東側古滑坡長約300m，寬約360m，坡度約15°，主滑方向近正北，滑坡平面形態呈圈椅狀地形，東側為溝谷，西側為沖溝，后緣為黃土邊坡，最大高度約45m，黃土邊坡上植被覆蓋率較高，坡面無變形跡象，整體處于穩定狀態。古滑坡體上可見許多小平臺，臺階高2～6m，平臺寬5～16m。滑坡下部坡面上可見基巖出露，覆蓋土層較薄。

（2）西側古滑坡。場地西側古滑坡長約450m，寬約440m，坡度約20°，古滑坡后緣陡坎高低不一，最高處約25m，坡度較平緩。該滑坡為沿基巖面的順層土質滑坡，滑體厚度15m左右，下部切過土層，厚度20m余，滑動方向近正北。古滑坡中部為一沖溝，將該古滑坡切分為東西兩部分。在建的場地位于該古滑坡形成的滑坡平臺上。

2 邊坡穩定性因素分析

結合邊坡的區域地質環境及其工程地質條件，根據野外調查和室內分析結果，影響場地邊坡變形破壞機制的因素主要包括7個方面。

（1）巖土體結構。場地基巖與上覆蓋殘坡積土層的界面傾向碟子溝，坡積土之上又覆蓋人工填土，在填土之前未對殘坡積土層處理，填土本身也未進行處理，而且，隨著場地開挖、風井的繼續掘進，填土越來越多，其所造成的斜坡的坡度也越來越陡，邊坡易于發生局部失穩，按照原設計，熱鍋爐房和煙囪位于填土部位。另外，滑坡堆積中發育大量的破裂面，其與基巖的接觸面傾向與坡向一致，現場調查表明，稍有擾動即易發生局部失穩。

（2）巖土類型。場地內有大量的人工填土，受原地形影響，其厚度不一致，而且土石混雜，干濕不均，新鮮巖石與風化的巖石雜亂，大小不一，易發生不均勻變形問題和滑移。

（3）巖石力學性質。基巖以泥巖、粉砂巖為主，總體強度較低，遇水易軟化。場地的進場公路修建過程中，開挖巖石時未進行爆破，僅使用挖掘機就完成了開挖，可見巖石強度低且軟弱。

（4）地質構造。基巖層理發育，層面黏結力小。場地內巖層傾角小于斜坡的坡角，有利于斜坡的穩定，但如果不合理地開挖坡腳，則易于沿層面發生滑動。巖層中節理較為發育，巖體完整性差。在邊坡上可見3組節理，其中2組與坡面走向近平行的節理組合成“X”型，另一組近于直立，節理面上可見擦痕，節理與層面的組合易使斜坡發生局部破壞。

（5）不良地質。場地東側和西側均為古滑坡，形成年代久遠，目前穩定狀況較好，沒有發現滑動破壞跡象。但是在邊坡上進行工程活動時，有可能打破邊坡平衡狀態，引起滑坡復活或產生新的滑坡。

（6）降雨。根據當地水文氣象資料顯示，研究區常年干旱少雨，大氣降水多表現以暴雨的形式出現，易于形成較強的地表徑流，由于黃土具有濕陷性，這種降雨條件將會對邊坡上部土層的變形破壞方式及其穩定性具有較為不利的影響。

（7）工程活動。水工建筑物的泄漏以及生活污水排泄不當會導致邊坡內部分土體出現浸水或飽和現象，從而降低土體的力學指標。

3 邊坡穩定性分析評價

3．1 赤平投影法

結構面赤平投影可定性分析邊坡的穩定性，同時也可以掌握邊坡的主控結構面，為進一步定量分析計算提供依據［3－4］。對碟子溝風井場地，取坡面產狀為355°∠20°，層面產狀為5°∠13°，結合4組優勢節理面進行結構面赤平投影分析。結構面的赤平投影圖如圖1所示。

圖1 結構面赤平投影

（1）結構面組合L1和L2，L1和L3，L2和L3，L2和L4，L3和L4的交點都出現在坡面的對側，說明潛在滑面的傾向與坡面傾向相反，這些結構面對坡體穩定性是有利的，它對邊坡穩定性影響只是破壞坡體巖石的完整性和控制滑塊邊界。

（2）層面投影弧形和邊坡投影弧形方向相同，且層面投影弧形位于坡面弧形投影之外，由此可知層面與坡面傾向幾近相同，且巖層傾角小于坡腳，巖層層面為場地邊坡的主控結構面，邊坡易沿層面出現潛在滑面。

（3）結構面組合L1和L4，CM 和L1，CM 和L3，CM和L4的交點與坡面在同側，說明結構面組合交線的傾向與坡向相同，屬于相對不穩定型。其中L1和L4這2組結構面傾角均大于坡面角，使組合交線未能在邊坡出露，如果不具備臨空面，滑動的可能性很小。結構面組合CM和L1，CM和L3，CM和L4中組合交線外傾，交角小于坡腳，該類型邊坡穩定性較差，其中層面的傾角小于坡腳，節理L1，L3，L4的傾角大于坡腳，即組合結構面傾角一個大于坡面傾角，一個小于坡面傾角，有可能發生折線滑動破壞。

上述分析表明，場地邊坡的主控結構面為巖層層面，邊坡易沿巖層層面發生順層滑動，其中節理L1，L3，L4和層面組合能使邊坡發生折線型滑動，采用理正計算軟件對結構面組合CM和L1，CM和L3，CM和L4進行分析計算，CM和L1所切割的巖體穩定性系數為1．343，CM 和L3的為1．510，CM 和L4的為1．337，均處于基本穩定狀態。隨著場地建設的進行，當邊坡開挖出不利邊坡穩定的臨空面時，邊坡發生滑坡破壞的可能性較大。

3．2 極限平衡法

極限平衡法由于簡單直觀，利于工程設計，因此廣泛應用于工程界中。Sarma方法屬于其中一種，其在分析巖質邊坡時具有較高的精度，它的條塊的分條是任意的（但不能水平分條），無需條塊邊界垂直，可以對各種特殊的邊坡破壞模式進行穩定性分析［5－7］，因此，本文采用此法對該巖、土復合邊坡進行計算評價。

為了進一步分析場地邊坡的穩定性，沿西側古滑坡體和東側古滑坡的主滑方向各選擇1條典型剖面（西側為2—2′剖面，東側為6—6′剖面）進行邊坡穩定性的分析計算。根據調查分析，場地邊坡最可能的破壞方式主要有兩種，第一種情況是沿著泥巖發生整體破壞，將該潛在破壞面定為推測泥巖滑面進行穩定性計算（圖2a）；第二種破壞情況是邊坡下部粉質黏土區發生局部的破壞，定為最危險滑面進行穩定性計算（圖2b）。

圖2 邊坡穩定性計算剖面

穩定性分析所考慮的工況條件包括天然工況，飽和工況，飽和＋地震工況。所分析的滑面包括由工程地質調查推估的滑面以及搜索的最危險滑面。

3．2．1 計算參數的選取［8－10］在巖、土界面處所選擇的參數根據原位剪切試驗結果和室內試驗結果綜合確定。

原位剪切試驗由于試驗點位置選擇較困難，試驗結果不盡合理，所得參數僅作參考。在室內進行二次剪切試驗和飽和殘剪試驗，所得結果較符合實際，以室內試驗結果為主進行參數選取。同時，參數選擇時還綜合考慮了反算試驗結果和經驗參數，綜合確定的參數建議值如表1所示。

表1 抗剪強度參數建議值

3．2．2 計算結果分析

（1）西側邊坡計算結果。由表2可知，在天然狀態下西側邊坡總體穩定。在飽和狀態下，巖質邊坡處于穩定狀態，巖體和土體構成的邊坡處于臨界狀態，局部可能產生的滑動面穩定性處于極限狀態。

在飽和＋地震（水平地震加速度為0．01g）的工況下，巖質邊坡處于穩定狀態，巖體和土體構成的邊坡處于不穩定狀態，局部可能產生的滑動面也處于不穩定狀態。從穩定計算分析的結果看，西側邊坡目前在自然和飽和狀態下處于穩定或基本穩定狀態。雖然整體穩定性較好，但已經進行了大量工程建設，而且由于開挖不當等原因已經造成局部地段穩定性較差，因而局部存在失穩破壞的可能，在工程建設中，今后應注意合理開挖和回填，并截排地表水。

表2 西側邊坡穩定性計算結果

（2）東側邊坡計算結果。由表3可知，東側邊坡在天然狀態下，巖質邊坡處于穩定狀態，基巖上覆堆積體邊坡處于極限狀態。在飽和狀態下，巖質邊坡處于穩定狀態，巖體和土體構成的邊坡處于不穩定的狀態。在飽和＋地震的工況下，巖質邊坡處于極限穩定狀態，巖體和土體構成的邊坡處于不穩定狀態。

表3 東側邊坡穩定性計算結果

從穩定計算分析的結果看，東側邊坡處于極限穩定狀態，很有可能會沿土石界面形成貫通滑面，導致邊坡失穩破壞。特別是在人類工程活動或持續降雨的條件下，邊坡失穩破壞的可能性較大。從現場的勘查資料來看，東側邊坡為一沿基巖內軟弱面發生滑動的古滑坡，由于滑坡造成局部基巖結構破壞，巖體錯斷、破碎現象較嚴重，形成裂隙發育，其上覆土體結構亦較疏松，在鉆孔過程中漏漿嚴重。所以，地表水下滲軟化巖體易形成軟弱結構面，從而造成邊坡整體失穩，這應該引起建設方的足夠重視，采取相應治理措施保證坡體安全。總之，西側邊坡在自然狀態下處于穩定狀態，但存在局部滑動的可能，在降雨或工程活動等不利工況組合的條件下，邊坡亦有整體滑動的可能，特別是邊坡西半部分沿土、巖界面發生滑動的可能性較大。東側邊坡處于極限穩定狀態，在降雨等不利條件下邊坡會處于不穩定狀態。

3．3 有限元模擬法

本次還對典型剖面（西側邊坡選擇2—2′剖面，東側邊坡選擇6—6′剖面）進行了有限元分析，擬對邊坡的位移和變形趨勢做出判斷，進而分析邊坡的穩定性。

模型中主要的巖土體分區包括了粉土、粉質黏土、黃土、泥巖、砂巖以及下伏的泥巖、砂巖互層，各層的力學參數如表4所示。

表4 計算所用的力學參數

為了使有限元計算結果更為合理，計算模型適度延長右邊界和下邊界，且左邊界與右邊界的邊界工況為x方向固定，而下邊界則在x與y方向固定。

通過有限元法求得的最小主應力、最大剪應變以及塑性區的結果整理，可以了解各邊坡剖面的應力變形趨勢，并借此判斷該邊坡的穩定性。

由圖3a可知，2—2′剖面的最大剪應變范圍出現在邊坡下部粉質黏土堆積處，在該處有滑動的可能。由圖3b可知，6—6′剖面的最大剪應變范圍出現在邊坡下部滑坡堆積層和上部黃土層覆蓋區，在邊坡下部粉質黏土區有滑動的趨勢，應予以處治。導致黃土區最大剪應變值較大的原因是黃土的變形模量較低（由于黃土層較厚，上覆土壓力較大，其應變也較大，但該區并未達到塑性）。

圖3 剖面最大剪應變云圖

由圖4a可知，2—2′剖面的塑性區分布范圍較集中，在剪應變較大部位表層土體有塑性變形區，說明該處在一定地質條件下會發生變形破壞。由圖4b可知，6—6′剖面的塑性區分布范圍在邊坡下部粉質黏土區（主要是滑坡堆積物和殘坡積層），在剪應變較大部位土體有塑性變形區，說明該處地段有變形破壞趨勢，應對其進行加固治理。

通過有限元法分析碟子溝風井場地邊坡，可以得出：

（1）西側邊坡整體穩定性較好，但在邊坡下部的粉質黏土區穩定性較差，在一定的地質條件下有沿巖、土界面和局部不穩定地段發生滑動的可能。粉質黏土區物質成分主要是古滑坡堆積物及人工填土，其下伏巖石為砂質泥巖，兩者界面傾向碟子溝，在巖與土接觸面處易形成貫通的滑面，在進行工程建設的過程中應對該處坡體實施加固。

圖4 剖面塑性區范圍圖

（2）東側邊坡整體穩定性較差，主要的剪應力分布范圍和塑性區分布范圍集中在邊坡的粉質黏土區，由于該處土體物質組成以滑坡堆積物和殘坡積物為主，結構松散，在持續降雨和工程活動的影響下易沿土體內部或土、石界面發生貫通的滑動面。另外，根據現場勘查，該邊坡是一個沿基巖內軟弱結構面發生滑動的古滑坡，其下部基巖由于發生滑動、錯斷而反傾，下部巖層結構碎散，完整性較差，故該古滑坡仍然有沿基巖內軟弱面發生活動的可能。

（3）邊坡后緣的黃土覆蓋區土層較厚，在模擬計算中，黃土層覆蓋區最大剪應變值較大，但該區并未達到塑性，最大剪應變值較大的原因是黃土層較厚，上覆土壓力較大，其應變也較大，該區域處于穩定狀態。

（4）場地邊坡目前雖處于整體穩定狀態，但場地基巖以泥巖、粉砂巖為主，遇水易軟化，總體強度較低，基巖上覆粉質黏土與基巖接觸面也易形成貫通滑面，所以在受到工程影響或在持續降雨的情況下，邊坡局部地段會產生蠕滑變形，甚至失穩破壞。

4 結 論

（1）影響研究區邊坡變形破壞的因素主要有巖土體類型及結構、巖土體力學性質、地質構造、不良地質、降雨、工程活動等因素。

（2）風井場地基巖節理相對較發育，巖層層面是影響風井場地邊坡穩定性最不利結構面，對坡體穩定性構成較大威脅，巖層層面與節理L1，L3，L4分別組合均可能形成折線形潛在滑面。

（3）在穩定性分析中，基巖軟弱面處的抗剪強度指標采用原位剪切試驗所取得的抗剪強度指標和經驗參數綜合確定；在巖、土界面處的抗剪強度指標根據原位剪切試驗結果和室內試驗結果綜合確定，以室內試驗結果為主。

（4）通過極限平衡法和有限元法分析碟子溝風井場地邊坡，可知西側邊坡在自然狀態下處于穩定狀態，但存在局部滑動的可能，在降雨或工程活動等不利工況組合的條件下，邊坡亦有整體滑動的可能，特別是邊坡西半部分沿土、巖界面發生滑動的可能性較大。東側邊坡處于極限穩定狀態，在降雨等不利條件下邊坡會處于不穩定狀態。主要的剪應力分布范圍和塑性區分布范圍集中在邊坡的粉質黏土區，該區易沿巖、土界面發生滑坡，下伏基巖由于以前發生過一定程度的滑動、錯斷，巖層結構碎散，完整性較差，故該老滑坡仍然有沿基巖內軟弱面發生活動的可能。因此，需要采取防治措施。

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