撫順西露天礦軟硬巖互層反傾巖體邊坡穩(wěn)定性分析及治理

王鳳林 王東明 楊天鴻 呂 斌 高 源 鄧文學 紀玉石 王雪峰

(1.河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司,河北 唐山 063701;2.東北大學資源土木工程學院,遼寧 沈陽 110819;3.煤炭科學研究總院撫順分院,遼寧 撫順 113001;4.撫順礦業(yè)集團有限責任公司西露天礦,遼寧 撫順 113001)

隨著礦山資源的長期開發(fā),國內(nèi)外許多露天礦山已進入深部開采階段[1-3],因此高陡邊坡的穩(wěn)定性評價已成為邊坡工程的核心問題[4]。不同巖性的邊坡治理難度、方案不同。軟巖邊坡是我國露天煤礦廣泛存在的一種特殊巖質(zhì)邊坡[5-6],因其具有大孔隙度、低強度、遇水強度急劇下降、膨脹性高等物理力學特點,導致軟巖邊坡的穩(wěn)定性分析及治理成為工程難題[7-8]。目前邊坡穩(wěn)定性分析方法主要包括定性分析、定量分析和非確定性分析3類。定性分析方法是以地質(zhì)成因演化論、工程地質(zhì)類比法及巖體結構理論為基礎[9-10],該方法往往受工程經(jīng)驗約束,結果可靠性不強。定量分析方法是目前邊坡工程中的主流分析方法,其中剛體極限平衡是定量分析中最常用的方法。隨著數(shù)學方法的快速發(fā)展,剛體極限平衡已經(jīng)從二維發(fā)展到了三維,我國許多學者作出了突出貢獻[11-13]。剛體極限平衡法往往對于均質(zhì)邊坡計算效果較好,復雜巖質(zhì)體的計算結果往往與實際相差較大。非確定性分析方法受邊坡巖性、地質(zhì)構造及環(huán)境影響,造成邊坡的漸進破壞與理論模型有一定的差距[14]。鄭穎人等[15]指出邊坡的穩(wěn)定性分析、參數(shù)選用至今仍是一大技術難題,特別是巖質(zhì)邊坡尚缺乏實用的分析方法。

綜上所述,雖然許多學者對于邊坡穩(wěn)定性分析方法進行了大量研究,但是參數(shù)選取往往是由工程類比或者工程經(jīng)驗得到,很少從巖性特征入手展開分析。邊坡的局部滑坡可作為原位試驗,結合巖體力學參數(shù)反演方法及理論[16]可得到符合實際的力學參數(shù);一些學者也做了詳細的邊坡穩(wěn)定性分析,但是未能提出富有成效的治理方案,導致分析結果的工程實踐指導意義不足。本研究以撫順西露天礦北幫E1000勘探線兩次大型滑坡為工程背景,分析上下兩個楔形體滑坡機理,采用強度折減理論驗算剛體極限平衡的反分析方法反演巖體抗剪強度參數(shù),據(jù)此計算不同治理方案對應的邊坡穩(wěn)定性,進而設計出最優(yōu)治理方案,為閉坑后的礦山邊坡治理提供理論依據(jù)。

1 局部滑坡機理分析

1.1 滑坡概況

1.1.1 下部楔形體

2014年9月?lián)犴樜髀短斓V北幫E900～E1200勘探線附近發(fā)生了楔形體大滑坡,頂部標高-80 m,底部標高-252 m,綠色泥巖底部標高-220 m。南北寬約300 m,東西寬約300 m,高差178 m,滑體厚度達40 m。由于上部泥巖滑移導致底部油母頁巖發(fā)生的剪切破壞滑移面積約10 m2。滑坡現(xiàn)場照片及對應的剖面如圖1所示。

圖1 撫順西露天礦北幫E1000勘探線下部楔形體滑坡Fig.1 Wedge landslide under E1000 exploration line in the north slope of Fushun West Open-pit Mine

1.1.2 上部老滑體

2016年7月25日晚,撫順地區(qū)遭遇重現(xiàn)期50 a的暴雨侵襲(降雨量近200 mm),次日5∶00西露天礦北幫發(fā)生局部滑坡。滑坡后緣為礦坑北部地表運輸部車庫,標高為+75 m,前緣剪出位置位于12段下部臺階,標高-25 m附近,南北寬約300 m,高差110 m;東西邊界分別在E800線和E1300線附近,東西寬約500 m,滑坡體面積約為15萬m2。前緣滑舌掩埋了底部12、14段干線,導致東露天12段、14段內(nèi)排電鐵線路、西端幫汽車運輸公路和興平公路全部中斷,嚴重影響了東露天礦電鐵內(nèi)排和西露天礦東區(qū)上部排土,同時對采區(qū)正常生產(chǎn)也造成了較大影響(圖2)。

圖2 撫順西露天礦北幫E1000勘探線上部老滑體Fig.2 Old landslide on the E1000 exploration line in the north slope of Fushun West Open-pit Mine

1.2 滑坡機理

(1)下部楔形體滑坡機理。撫順西露天礦北幫邊坡-80m平臺以下邊坡較陡,傾角約38°,-80m平臺以上邊坡較緩,傾角約21°,巖性為40多層綠色泥巖和褐色頁巖互層形成的沉積巖地層。其中,褐色頁巖為透水層,綠色泥巖為隔水層,地表降雨和地下水浸入透水層之后無法穿過綠色泥巖,在接觸面形成泥化夾層,泥化夾層又具有很好的隔水效應,致使邊坡形成40多層軟硬相間的地層。此外,經(jīng)過物探研究發(fā)現(xiàn)坡表50 m以內(nèi)巖體滲透性明顯高于深部,表明北幫邊坡存在厚約50 m的風化卸荷帶,導致坡表40多層泥頁巖塊體的抗剪強度遠低于深部,部分褐色頁巖沿切層剪出。在汛期楔形滑坡體左側(cè)的F5斷層發(fā)生的活化破碎程度加劇,右側(cè)發(fā)育較好的穿層節(jié)理裂隙(圖1)在水壓力下開度增加,形成宏觀裂隙并貫通,楔形體兩端約束解除,下部塊體受自重和上部巖塊推力作用沿著切層剪出,同時為上部巖體騰出自由空間,上部產(chǎn)生巖體滑移,邊坡失穩(wěn)。

(2)上部老滑體滑坡機理。上半坡從幾何特征看不易發(fā)生滑坡,但是受到以下多種因素影響發(fā)生了滑坡:①歷史滑坡影響,在發(fā)生2016年大滑坡以前,已經(jīng)發(fā)生過5次規(guī)模大小不一的滑坡,邊坡巖體整體呈散體狀態(tài),穩(wěn)定性較差;②該地段的歷史滑坡均發(fā)生在解凍期和汛期,表明該地段對水的敏感程度較高,在發(fā)生滑坡前該地段已經(jīng)歷多次強降雨,上部白堊系砂巖受F1斷層及周邊次生斷層影響,被分割成上寬下窄的倒三角體,在雨季時第四系沖積層水源和地表降雨匯合不斷沖刷,同時邊坡下部存在20世紀遺留的井工開采工程(如-447 m采區(qū)及-650 m采區(qū)),受地下采空區(qū)影響,邊坡整體向南部臨空面產(chǎn)生傾倒變形,導致邊坡后緣被拉裂成多條自西向東的拉裂縫;③在雨季地表水和第四系沖積層通過北部拉裂縫浸入泥頁巖互層中,導致整個散體含水率增加,容重增大,褐色頁巖透水層中的內(nèi)部裂隙貫通形成切層,將下部泥頁巖互層分割成多個塊體,邊坡內(nèi)部約束解除,邊坡沿著切層產(chǎn)生剪切滑移破壞。

2 巖體抗剪強度參數(shù)反分析

本研究反分析以上述局部滑坡體為例,以撫順礦業(yè)集團提供的E1000剖面建立數(shù)值模型,地下水位由遼寧省第十地質(zhì)大隊提供的鉆孔水位數(shù)據(jù)得出,構建的數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 E1000剖面反分析數(shù)學模型Fig.3 Mathematics models for E1000 profile back analysis

本研究通過Slope/w軟件敏感性參數(shù)分析功能,反算上述楔形滑坡體在有水和無水情況下的抗剪強度參數(shù)組合。無水情況下,假設邊坡在自重條件下處于極限平衡狀態(tài),邊坡穩(wěn)定性系數(shù)(安全系數(shù))-抗剪強度組合關系如圖4所示。分析圖4可知:兩處滑坡體主要巖性均為綠色泥巖和褐色頁巖,考慮到同時反演兩種巖性參數(shù)難度較大,且兩種巖性交替出現(xiàn)多達40多層,反傾破壞模式為切層破壞,在進行邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析時,采用兩種巖性的平均巖體力學參數(shù)也可近似得到反傾多互層邊坡的穩(wěn)定性系數(shù),故本研究將其簡化為一種巖性。

圖4 下部楔形體滑坡的抗剪強度參數(shù)敏感性關系曲線Fig.4 Sensitivity relationship curves of shear strength parameters of lower wedge landslide

基于強度折減理論模擬的不同內(nèi)摩擦角φ、不同黏聚力c對應的邊坡滑坡模式見表1。不同參數(shù)組合滑面形狀與實際滑面對比如圖5所示。從圖5可以看出其滑坡影響規(guī)律與已有研究結果[16]相似,均質(zhì)類邊坡往往從坡腳剪出,且摩擦角越大,滑帶厚度越薄,往往越接近坡壁破壞。同時可以看出140 kPa/22°和 130 kPa/23°組合所得的滑坡模式與現(xiàn)場實際最為接近。同時查閱文獻[17-20],考慮邊坡巖體表面風化、且存在50m左右的卸荷帶等因素,本研究取值 φ=23°,c=135 kPa。

圖5 不同參數(shù)組合滑面形狀與實際滑面對比Fig.5 Comparison of slide surface with different parameters combination and actual slide surface

表1 不同c、φ值對應的滑坡模式Table 1 Landslide models with different c andφvalues

假設邊坡處于飽水破碎情況下,受重力處于極限平衡時的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與抗剪強度的關系如圖6所示。考慮到E1000勘探線上部老滑體受多次滑坡影響,坡表面風化嚴重,已經(jīng)呈散體狀態(tài),且當時發(fā)生滑坡時遭遇了50 a一遇的大暴雨(200 m),進入汛期后,又歷經(jīng)多次強降雨,水對邊坡的巖體浸水弱化嚴重,通過對西排土場破碎的泥頁巖排土物料進行大量測試發(fā)現(xiàn),北幫泥頁巖處于破碎飽水狀態(tài)時的摩擦角取值可參考排土物料自然安息角φ=16°,根據(jù)圖6得出c=28 kPa。

圖6 上部老滑體滑坡的抗剪強度參數(shù)敏感性分析曲線Fig.6 Sensitivity analysis curves of shear strength parameters of the upper old landslide

根據(jù)兩次滑坡反分析情況的不同,本研究將φ=23°,c=135 kPa作為干燥條件下的巖體強度參數(shù)組合,將φ=16°,c=28 kPa作為浸水弱化后的強度參數(shù)組合。

3 邊坡治理

3.1 邊坡穩(wěn)定性研究

撫順西露天礦北幫臨近撫順市區(qū),坑界50～500 m都有密集建筑物,結合《煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范》(GB 50197—2015)相關規(guī)定,將北幫的穩(wěn)定性系數(shù)設定為1.5,方可滿足安全儲備系數(shù)要求。

根據(jù)上文反分析獲得的巖土抗剪強度參數(shù),結合文獻[19-25],匯總得到計算中使用的各種巖石力學參數(shù)取值(表2)。為了確保計算后的穩(wěn)定性系數(shù)具有參考意義,本研究選擇北幫潛在滑坡風險較高的E2200剖面構建數(shù)值模型進行后續(xù)分析(圖7)。

圖7 E2200剖面數(shù)值模型(單位:m)Fig.7 Numerical model of E2200 profile

表2 反傾邊坡計算所用的材料力學參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of materials used in calculation of reverse slope

北幫E2200勘探線邊坡不同工況下的穩(wěn)定性系數(shù)如圖8所示。由圖8可知:自然含水條件下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.003,14段公路平臺以下為最危險滑面(圖8(a));疏干排水工程下穩(wěn)定性系數(shù)達到1.102,沒有孔隙水壓力,邊坡穩(wěn)定性有所提高(圖8(b));調(diào)整削坡角度為5°時的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.508(圖8(c)),根據(jù)礦山資料得知削坡治理成本(約30元/m3)大致為回填成本(10元/m3)的3倍,撫順西露天東西長約6.6 km,削坡治理成本較大,該方案僅做參考;放棄每年的疏干排水工程,靠人工降雨及第四系沖積層給礦區(qū)充水,依靠水壓力對邊坡施加約束力,但泥巖遇水弱化程度較大,安全系數(shù)為0.958(圖8(d)),不滿足要求。根據(jù)撫順西露天礦工程地質(zhì)背景,本研究提出了一種回填壓腳—蓄水成湖的綜合治理方案(圖8(e)),蓄水標高為-40 m,通過計算安全系數(shù)可達到1.506。

圖8 北幫E2200線不同工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fig.8 Slope stability coefficients of E2200 line in north slope under different working conditions

3.2 邊坡治理方案設計

撫順西露天礦北幫為反傾層狀凸邊坡,凸點在-40 m標高,邊坡角上緩下陡,為了提高下半邊坡的穩(wěn)定性,可用尾礦或廢石等物料對礦坑底部整體回填至-148 m水平,-148～-40 m采用3個臺階分段內(nèi)排。內(nèi)排邊坡角16°,單層臺階角30°,從-148 m開始第1個和第2個臺階段高40 m,第3個臺階段高28 m,平盤寬度90 m。考慮到北幫東北部有大量密集建筑物,人口密集,因此對E1000線往東進行局部削坡,加強東部邊坡穩(wěn)定性(圖9)。該治理方案優(yōu)勢在于:不僅可以放棄每年的疏干排水工程,節(jié)約治理成本,還可以解決東露天礦外排土物料堆砌問題(方量計算結果見表3),在利用附近舍場廢棄物的同時,實現(xiàn)占用土地的復用開發(fā)。礦坑及周邊定位為生態(tài)化文旅康養(yǎng)功能區(qū),采用回填壓腳方式,形成錯落有致的地表形態(tài),為生態(tài)利用和景觀設計奠定良好的基礎。該方案已作為撫順西露天礦后期邊坡治理的一種較為可行的比選方案。

表3 初步設計方案工程量Table 3 Detailed quantities of the preliminary design scheme

圖9 初步治理方案示意(單位:m)Fig.9 Schematic of the preliminary treatment scheme

4 結 論

(1)基于滑坡區(qū)域精細化工程地質(zhì)勘查,揭示了撫順西露天礦軟硬巖互層反傾巖體邊坡受局部構造影響發(fā)生的楔形體滑坡和傾倒變形—剪切滑移的變形機理。具體表現(xiàn)為:E1000勘探線下部汛期降雨導致F5斷層構造活化、穿層裂隙開度增加和內(nèi)部裂隙貫通,構造在邊坡上形成的楔形體被分割成塊,褐色頁巖透水層內(nèi)部約束解除,巖體整體抗剪強度下降而發(fā)生楔形體滑坡;上部老滑體滑坡受地下水、強降雨和地下井工開采等因素影響,北部F1斷層和破碎帶處發(fā)生拉裂,邊坡向南部傾倒變形,在50 a一遇暴雨誘發(fā)下,邊坡整體發(fā)生剪切滑移。

(2)采用極限平衡法與強度折減數(shù)值模擬相結合以及模擬破壞模式與實際破壞模式相對應的方法,反演得出北幫泥頁巖互層干燥時的巖體抗剪強度參數(shù)為φ=23°,c=135 kPa,飽水狀態(tài)的抗剪強度參數(shù)為φ=16°,c=28 kPa。對滑坡風險較大的E2200剖面進行了多種防治方案下的邊坡穩(wěn)定性分析,驗算了回填壓腳—蓄水成湖治理方案對應的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)可達到1.506左右。根據(jù)治理方案的可行性分析,設計了針對撫順西露天礦工況的邊坡治理方案。

(3)本研究對于軟硬巖多互層的簡化尚有不足之處,下一步將建立各向異性的力學本構模型并結合損傷力學理論建立適用于該類滑坡機制的數(shù)值模型和模擬方法。