某危巖體穩定性評價與治理工程研究

(武漢工程大學 湖北 武漢 430073)

引言

某危巖體位于鄂西某磷礦擴界后新礦區中部老鞏河南岸陡崖地帶的礦山地質環境影響嚴重區。平面形態呈不規則長方形展布，剖面形態呈陡壁斷崖狀，總體坡向3°，分布高程+861～+900。危巖體變形區巖坡走向長200m，寬74m，高約39m，總體積約27萬m3。坡頂地勢起伏不大，坡腳位置為老鞏河。該危巖體WY2及周邊環境狀況見如下照片。

根據現場地質調查，WY2危巖體可能發生的破壞模式為滑移式崩塌，主崩方向3°，穩定性總體較差，其發展趨勢為不穩定，主要危害對象為坡下老鞏河與當地行人，特別是當該危巖體一旦產生大規模崩塌形成堰塞湖，將對下游旅游區及當地農戶構成較大威脅，危害后果嚴重。

一、工程與水文地質條件

WY2發育地層主要為震旦系上統燈影組白馬沱段(Z2dn3)和石板灘段(Z2dn2)，其中白馬沱段巖性為灰白色-淺灰色中-厚層狀泥粉晶白云巖為主，普遍夾薄層狀、條帶狀、條痕狀白色或黑色硅質巖，局部夾藻粘云巖；石板灘段巖性為灰-深灰色薄-中厚層狀粉晶-泥晶白云巖，夾或偶夾藻粘白云巖，含砂、礫屑。

礦區屬亞熱帶季風型氣候區，四季分明，雨量充沛。據當地氣象資料，年平均降雨量1077.7mm，雨季多出現在每年6～9月，年平均氣溫16.6℃。區內地表水系較發育，礦區內較大的河流為老鞏河。大氣降水為本區地下水的主要補給來源。地下水除在區內接受大氣降水補給外，還受礦區周邊地下逕流補給。

二、危巖體不穩定成因分析

根據已有礦山工程資料與本次現場調查綜合分析，主控WY2危巖體穩定性的節理裂隙主要為大致垂直于坡向的構造裂隙L1，其次大致垂直于坡向的構造裂隙L2，滑移剪出口為燈影組白云巖層間薄層狀軟弱夾層。

L1產狀75～85∠80～85°，巖體內部呈閉合狀，裂隙寬一般為0.3～0.5cm，局部0.5～1.0cm，多由鈣質充填。臨近坡面位置，由于受后期巖體卸荷、風化、震動、溶蝕、凍融等不良地質長期作用，L1多呈張開狀，無充填，局部亞黏土充填，裂隙張開程度上寬下窄，向下逐漸尖滅，縫寬一般0.1～0.5m，最大達1.2m，最大切割深度超過30m。

L2走向近南北，傾角近直立，裂隙一般呈閉合狀，多由鈣質充填，局部由于受后期巖體風化、沖刷、凍融等不良地質長期作用，呈微張開狀。裂隙分布規律與主要構造線方向近一致，表明裂隙的發育明顯地受區域構造控制。

三、穩定性分析評價

在工程整治前對不穩定地質災害體進行穩定性計算分析，其目的主要是了解各地質災害體在現狀條件下的穩定性狀況，從而為治理工程方案的選型、工程布置、加固強度與加固參數的確定提供依據。

(一)危巖體破壞模式分析

根據WY2危巖體地層巖性、形態與變形以及節理裂隙發育特征等現場地質調查與工程地質剖面綜合分析，該危巖體可能沿主控節理裂隙面發生滑移式崩塌破壞。

(二)邊坡穩定性計算

該危巖體可能沿主控節理裂隙面發生滑移式崩塌破壞?；剖奖浪茐陌踩禂礙按式(1)計算：

(1)

式中：W為單寬危巖體重量(kN)；A為單寬滑崩面面積(m2)；U為浮托力(kN)；V為裂隙靜水壓力(kN)；C為滑崩面粘聚力(kN/m2)；Φ為滑崩面內摩擦角(°)；β為滑崩面與水平線傾角(°)；E—水平地震系數。

根據勘察資料，危巖體穩定性分析所采用的巖土物理力學性質指標見下表。

名稱重度(kN/m3)凝聚力(kPa)內摩擦角(°)天然飽和天然飽和天然飽和碎石土20.521.5320.018.028.025.2結構面//47.042.343.038.7鈣化白云巖26.027.33.0╳1032.7×10345.040.5

根據滑移式崩塌破壞模式計算原理，分別按天然和飽和兩種工況條件下計算安全穩定性系數，由計算結果可知：WY2危巖體在天然和飽水狀態下的穩定系數分別為：K1=1.375和K2=1.045。即在天然工況條件下該危巖體處于穩定狀態，在飽水工況條件下處于不穩定狀態，危巖體安全儲備總體不足，特別是當遭受連續降雨、暴雨、震動等不利外部環境因素反復作用時，隨時有可能發生滑移式崩塌破壞，其發展趨勢為不穩定，穩定性計算結果與現場宏觀地質調查綜合分析結論基本一致。

四、治理工程方案分析

依據本次現場調查，以消除該磷礦WY2危巖體崩塌與落石地質災害安全隱患及所帶來的危害，然后恢復治理區地面生態環境，最終實現保護礦山及當地人民生命財產安全、維護社會和諧穩定為目標，堅持“地質災害治理與生態系統恢復并重”的原則。

綜合確定本期治理工程方案為：削方減載工程+排水溝工程+綠化工程+監測工程。

即：通過削方卸載對WY2危巖體進行全面清除，以徹底消除該危巖體安全隱患；為防止地面雨水對削方坡面造成直接沖刷，在治理區外圍布置一條PS1截排水溝以攔截后緣山坡地表徑流水；對削方后裸露巖坡面以及工程施工所造成的地面生態植被破壞采用植草、植樹與攀緣上爬植物進行生態恢復；采用人工巡視監測方案對治理后邊坡巖體的穩定性進行效果監測。治理工程典型剖面布置圖如下：

圖1 治理工程剖面布置

(一)削方減載工程

綜合考慮WY2危巖體的形態與變形破壞特征、周邊環境條件、穩定性狀況以及危害對象等，同時結合該磷礦對老鞏河兩岸陡崖下采用條帶法開采以及新礦開采區對老礦采空區構筑碎石充填隔離圍護帶時所需充填料來源不足的問題，綜合考慮本治理工程采用鉆爆法對WY2危巖體進行削方清除，削方棄渣全部用于地下采空區充填，這樣既達到了消除WY2危巖體地面安全隱患的目的，同時又較好地解決了該磷礦擴界后由于老采空區頂板冒落對新礦區開采所帶來的井下安全生產問題。

根據WY2危巖體分布高程與變形區域、邊坡巖體風化程度與穩定性狀況以及周邊環境狀況等，同時考慮邊坡巖體削方后的長期穩定性，該治理工程采用三級削方放坡對WY2危巖體進行清除，其中一級削方馬道高程M885，馬道平臺寬5m，削方坡率1：1.43(35°)；二級削方馬道高程M873，馬道平臺寬5m，削方坡率1：1.11(42°)；三級削方坡底平臺高程M861，削方坡率1：1.11(42°)，考慮工程施工場區緊鄰老鞏河陡崖地段，施工作業條件復雜，故坡底平臺寬20m。

削方工程主要采用淺孔鑿巖小藥量爆破法施工方法，臨近陡崖地段可采用啄木鳥輔以人工鋼釬撬毛或手持風鎬鉆鑿清除施工。該治理工程爆破方案如下：采用YT-27型鑿巖機淺孔鑿巖，炮孔直徑40mm(φ38釬頭)，孔距1.2m，孔深2.0m，最小抵抗線1.0m，硝銨炸藥，導爆管一次點火起爆。

削方減載工程施工前必須對邊坡面上可能造成危害的松動塊體或堆積體進行人工清除，采用從坡頂向下分層逆做法削方開挖，嚴禁在坡腳位置大開挖或一次性開挖到底。削方施工全過程應配備現場專職安全員，并加強對治理區域的安全巡視檢查，謹防邊坡滑崩、滾石傷人以及高空墜落等安全事故發生。

(二)排水工程

排水阻滲是地質災害綜合防治工程中的一項經濟而有效的輔助性措施。當地表水下滲到巖土體內部時，不僅增大了巖土體的容重，導致其力學強度指標降低，而且所產生的孔隙水壓力還會使滑動面上的有效正應力降低并產生水平分力，進而誘發和加劇各類地質災害發生，因而，必須采取有效的截排水措施。

地表排水流量按公式(2)計算：

Q=qΨF

(2)

式中：Q—地表水匯流量(L/s)；q—暴雨強度(L/s·ha)，暴雨強度取70mm/h；Ψ—徑流系數；F—承雨面積(ha)，F=2.82ha。

暴雨強度按公式(3)計算：

(3)

式中：q—暴雨強度(L/s·ha)；t—降雨歷時(min)；p—降雨的重現期(a)，選用20年一遇。

降雨歷時t按公式(4)計算：

t=t1+mt2

(4)

式中：t1—地面匯流時間(min)；t2—管渠內雨水流行時間(min)；m—折減系數。

按照上述計算原理與參數，經水力計算，確定PS1排水溝總長度232m，過水凈斷面高×寬為0.5m×0.6m，壁厚和底厚均為0.3m。

排水溝溝體采用MU30塊石與M7.5水泥砂漿砌筑，M10水泥砂漿抹面。

(三)綠化工程

綜合考慮擬治理區地形地貌特征、氣候條件以及周邊環境條件等，本治理工程采用“覆土植草、坑穴法植樹、植生槽植草和攀緣植物”綠化方案。

(1)植草、植樹、植攀緣性植物

植草前首先馬道平臺回填厚60cm種植土。植草方式采用人工播撒黑麥草等草籽滿鋪植草綠化。植樹采用坑穴法孤植方式栽植松樹、刺槐等。植樹行距2.0m，間距3.0m，穴坑直徑60cm，深度60cm。對削方后形成的巖質斜坡面采用攀緣性植物上爬綠化方案，即在各臺階平臺植生槽內側種植葛藤、爬山虎藤本植物，槽寬0.4m，深0.5m，株距0.5m。

(2)植生槽封邊墻

為防止地面雨水對馬道平臺覆土層的沖刷，在C2、C3馬道平臺外側各設置一道植生槽封邊擋土墻，封邊墻選用矩形斷面鋼筋混凝土墻體結構型式。墻高0.8m，墻頂寬0.2m，地面以上出露0.6m，嵌巖埋深0.2m，總長度401m。

(四)監測工程

綜合考慮該治理工程項目現狀條件下邊坡巖體的穩定性狀況、危害后果以及嚴重程度等實際情況，本著“經濟適用”的原則，本監測工程主要采用人工宏觀巡視監測方案，即安排專人負責定期對治理區一定范圍內的坡體滑動、地面開裂等地質災害體以及生態植被成活情況實施跟蹤巡視觀查。

五、結語

根據礦山已有的工程資料綜合分析以及本次調查了解，該磷礦在以往的開采過程中，已引發產生了危巖體、地面塌陷、地裂縫、廢石堆、不穩定邊坡等礦山地質災害問題。而本治理工程僅對WY2危巖體開展研究，本次調查、勘測范圍為WY2危巖體及其崩塌影響范圍。根據危巖體的基本特征，同時結合井下生產充填需要，綜合治理工程方案為：削方減載工程+排水溝工程+綠化工程+監測工程。其中削方廢渣用于井下采空區充填工藝以及場區外部交通運輸。監測工程采用人工宏觀巡視監測案，即安排專人負責定期對治理區范圍內的礦山地質環境問題實施跟蹤監測與巡視檢查。通過對本方案的具體實施，不僅有效地解決了該危巖體的穩定性問題，而且還將坡面防護與環境美化結合起來，可為同類危巖體的加固與防治提供參考。