高位淺層堆積體滑坡殘積體注水法治理實踐

周小平，李 燁，王智德，夏元友

(1.巴中海螺水泥有限責任公司，巴中 636600；2.安徽海螺水泥股份有限公司，蕪湖 241000；3.武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070)

山體滑坡一直是地質災害領域的研究重點及難點，每年時有滑坡發生的報道。滑坡災害通常成因復雜、破壞性強，處理有一定的難度，給人們帶來諸多困難[1]，如舟曲縣瓜咱壩3號滑坡、貴州水城滑坡和湖北千將坪滑坡等[2,3]。滑坡在內外力作用下，主要受地形地貌和地層結構影響，尤其是結構面發育的坡體[4]。對于出現的滑坡體，通常需要查明滑坡的破壞機理，進行相應的穩定性評價，并在此基礎上提出合適的治理方案。邊坡穩定性分析的方法較多，如工程地質分析法、極限平衡法、極限分析法和數值分析法等[5,6]。工程中較為常用的方法一般是根據現場地質調查結果，采用極限平衡法等或者數值模擬對滑坡體安全系數展開分析[7]。在滑坡治理方面，需要根據滑坡特點與工程性質進行選擇，如削坡、反填壓土以及設置擋土結構阻攔等措施[8,9]。

巴中海螺水泥礦山滑坡位于該石灰石礦東側界線外鄰近區域高邊坡中上部，滑坡體主要由開采后的廢棄堆石和地表浮土組成，于2020年10月28日發生滑坡。約1/3滑體順坡而下，堵塞下部運礦道路，約2/3滑坡殘積體仍堆積在滑坡坡腳，存在繼續滑坡的風險，對下方道路礦石運輸形成威脅，急需處治。

該文基于現場地質調查、極限平衡法與數值分析方法，分析了滑坡的形態與失穩機制，評價了滑坡殘積體在自然狀態及飽和狀態下的穩定性，結合現場施工條件，提出了采用注水法進行滑坡殘積體清理的治理方案，并取得了非常好的治理效果。

1 滑坡概況

該滑坡體緊鄰石灰石礦東側界線，位于石灰巖高邊坡的中上部，運礦道路(高程1 100 m處標高)的正上方，滑坡體后緣距離上方高程1 278 m處開采平臺50 m。滑坡所在的邊坡高度大，且坡度較為陡峭，為順層巖質邊坡。高邊坡基巖為硬質中厚層狀石灰巖，巖石傾向近北，傾角70°左右。滑坡體主要由前期礦山開拓滾石、覆蓋土及地表植被組成，原始厚度平均3 m左右。滑坡全貌如圖1所示。

滑坡體滑動堆積范圍，上下段陡峭，中間段平緩，形態呈不規則“簸箕狀”(圖1)，前緣微地貌呈多級坎狀。滑體后緣已出現石灰巖基巖揭露，如圖2所示。滑坡堆積體整體坡度45°左右，滑動方向近北。整個滑坡堆積體長約140 m，側向最大寬度30 m，厚度不一，預估整個滑坡體積為4 000 m3。

滑坡體后緣已滑移15 m左右。滑移后，上浮物料約1/3滑體順坡而下，堆積于下部運礦道路，但仍有約2/3滑體堆積于1 180 m高程處，形成長30 m，寬15 m，厚超過8 m的不穩定滑坡殘積體，其坡度30°左右。滑坡殘積體坡腳石灰巖基巖出露，但前緣存在陡坎臨空面，不利用于其穩定。高程1 180 m以下坡體陡峭，主體為石灰巖基巖。由此可以判斷，該滑坡為高程1 228～1 180 m段堆積體滑動所致。殘積體整體結構松散，碎石含量較高。原地表塊度較大塊石集中于殘積體坡腳表層。

2 滑坡形成機理分析

根據現場調查，滑坡后緣與1 180 m高程處皆發現有基巖出露，滑體主要為碎石與土體。由此，可以判斷該滑坡為沿下伏硬質石灰巖滑動的堆積體滑坡。

由于前期礦山開拓滾石呈面狀浮于第四系土層上方，大大增加了土層荷載。同時，由于該堆積體滑坡碎石含量較高，多年的長期降雨水的入滲容易造成淺表層土體細顆粒物質隨滲流遷移，在土體與下伏硬質石灰巖交界面處形成細顆粒物質富集，構成軟弱滑面，并使上部的土體變得松散。滑坡前期降雨頻繁，在降雨作用下，土體遇水軟化、加重，抗剪切強度大大降低。因此頻繁降雨是誘發此次滑坡的關鍵。

從滑坡后緣及1 180 m高程處基巖出露及滑坡后堆積體形態可以判斷，該滑坡屬于滑面前緣平緩、后緣陡傾的推移式滑坡。

3 殘積體治理

由于滑坡殘積體位于運礦道路的正上方，距離運礦道路80 m左右，其安全狀況時刻威脅著礦山運輸的安全。由于現場邊坡坡度陡，滑坡殘積體結構松散，穩定性差，現場不具備利用大型設備清理或采用工程措施治理的條件，同時考慮到人為清理效率低，安全風險大。為此，基于滑坡形成機理與現場滑坡殘積體狀態的認識，提出了采用注水法清理滑坡殘積體的治理方案。為論證提出治理方案的可行性，在滑面力學參數反演基礎上，采用極限平衡法與數值模擬分析滑坡殘積體在飽水狀態下的穩定性，并據此提出了具體治理方案。

3.1 殘積體穩定性評價

殘積體邊坡主要由粘土和碎石組成，基巖由二疊系下統棲霞、茅口組石灰巖組成。通過室內試驗結合反分析及工程經驗，獲取了邊坡在天然和飽和狀態下的主要物理力學參數，如表1所示。

表1 巖土體與結構面試驗參數

1)極限平衡分析 采用不平衡推力傳遞法進行計算[10]，邊坡剖面示意圖如圖3所示。

采用不平衡推力傳遞法計算抗滑安全系數時，因該工程不考慮地震作用以及其他外力荷載的作用，其計算簡圖如圖4所示。

邊坡安全系數K計算方法如下

(1)

其中，抗滑力Ri、下滑力Ti以及傳遞系數ψi的計算如下所示

Ri=Wicosαi·tanφ′i+c′ibisecαi

Ti=Wisinαiψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφ′i/K

式中,αi、αi-1為第i、i-1條塊底面與水平面的夾角；c′i、φ′i為第i條塊底面有效聚力和有效內摩擦角；bi為第i條塊寬度,m；ψi為第i滑動條塊側面的推力傳遞系數；Wi為第i條塊重力。

通過計算，在自然條件下得到的殘積體的安全系數為1.124；當殘積體處于飽和狀態時，不考慮動水壓力，得到的安全系數為0.953。說明當殘積體處于飽和狀態時，會進一步失穩。

2)數值分析

采用離散元數值分析軟件UDEC進行殘積體穩定性分析及破壞過程模擬，過程如下：

(1)模型建立 坡面設置為自由面，模型右側為水平向位移約束，底部為固定約束。巖坡主體網格為15 m，殘積體為1.5 m。巖體結構面間距設置為1.5 m。

(2)模擬思路 采用表1的自然條件與飽和條件相關參數進行殘積體的安全系數計算。

3)結果分析 自然條件下殘積體位移較小，最大為2.4 mm(圖5)，安全系數為1.12，符合當前殘積體的穩定狀態；在飽和狀態下，滑坡體位移較大，最大位移為5.1 mm(圖6)，安全系數為0.89。

數值模擬方法與不平衡推力傳遞法得到的殘積體安全系數結果基本相符，對比自然條件和飽和條件下兩種方法得到的安全系數大小，說明使殘積體飽和可以使殘積體失穩。

3.2 治理方案

基于以上分析，確定采用注水法進行滑坡殘積體清理的方案。在殘積體上方連續注水，逐漸使殘積體達到飽和，以達到滑坡體自然清理的效果。具體方案如下：

1)在滑坡體上方高程1 266 m平臺區域開挖臨時蓄水池蓄水提供水源，蓄水池容量根據殘積體體積估算，考慮確保充足水源，要求容積超過2 000 m3。蓄水池開挖后需加蓋防水布后再注水，防止滲水。

2)利用自然落差，采用3根Φ80 mm的消防軟管從上部蓄水池引水，在殘積體上部連續注水，直至殘積體失穩滑坡。

3)經注水殘積體清理后，若發現仍有局部殘留，可采用人工清理方法清理。

4)殘積體清理后，對滑坡體邊界土體坡面進行噴漿封閉防護，防治土體進一步坍塌。

5)殘積體清理后，加強邊坡巡視，確保下方運礦道路車輛、人員、設備的安全。

3.3 治理效果

在注水法進行滑坡殘積體清理實施過程中，當注水量達到800 m3時，滑坡殘積體喪失了穩定，整體下滑，幾乎沒有殘留，效果極佳。治理過程及效果的部分照片如圖7所示。

4 結 論

針對巴中海螺礦山高位淺層堆積體滑坡殘積體，通過現場工程地質調查與穩定性評價，分析了滑坡的形態與失穩機制以及滑坡殘積體的穩定狀態，結合現場施工條件，提出采用注水法進行滑坡殘積體清理的治理方案，獲得以下主要結論：

a.通過地質調查，初步判斷滑坡屬于滑面前緣平緩、后緣陡傾的推移式滑坡。

b.極限平衡法及數值方法評價結果皆表明：滑坡殘積體在飽和狀態下安全系數小于1，極易失穩。

c.提出了在殘積體上部連續注水清理殘積體的治理方案。該治理方案的思路是：在連續注水作用下，松散殘積體自重增大，土體的抗剪強度降低，使滑坡殘積體喪失穩定整體下滑。

d.工程應用結果表明，采用注水法清理滑坡殘積體取得非常好的治理效果。