王鳳林 王東明 楊天鴻 呂 斌 高 源 鄧文學(xué) 紀(jì)玉石 王雪峰

(1.河北鋼鐵集團(tuán)司家營(yíng)研山鐵礦有限公司,河北 唐山 063701;2.東北大學(xué)資源土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819;3.煤炭科學(xué)研究總院撫順?lè)衷?遼寧 撫順 113001;4.撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司西露天礦,遼寧 撫順 113001)

隨著礦山資源的長(zhǎng)期開發(fā),國(guó)內(nèi)外許多露天礦山已進(jìn)入深部開采階段[1-3],因此高陡邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)已成為邊坡工程的核心問(wèn)題[4]。不同巖性的邊坡治理難度、方案不同。軟巖邊坡是我國(guó)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(qiáng)度、遇水強(qiáng)度急劇下降、膨脹性高等物理力學(xué)特點(diǎn),導(dǎo)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(jié)構(gòu)理論為基礎(chǔ)[9-10],該方法往往受工程經(jīng)驗(yàn)約束,結(jié)果可靠性不強(qiáng)。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(xué)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(guó)許多學(xué)者作出了突出貢獻(xiàn)[11-13]。剛體極限平衡法往往對(duì)于均質(zhì)邊坡計(jì)算效果較好,復(fù)雜巖質(zhì)體的計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)際相差較大。非確定性分析方法受邊坡巖性、地質(zhì)構(gòu)造及環(huán)境影響,造成邊坡的漸進(jìn)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(shù)難題,特別是巖質(zhì)邊坡尚缺乏實(shí)用的分析方法。

綜上所述,雖然許多學(xué)者對(duì)于邊坡穩(wěn)定性分析方法進(jìn)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(yàn)得到,很少?gòu)膸r性特征入手展開分析。邊坡的局部滑坡可作為原位試驗(yàn),結(jié)合巖體力學(xué)參數(shù)反演方法及理論[16]可得到符合實(shí)際的力學(xué)參數(shù);一些學(xué)者也做了詳細(xì)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(dǎo)致分析結(jié)果的工程實(shí)踐指導(dǎo)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(gè)楔形體滑坡機(jī)理,采用強(qiáng)度折減理論驗(yàn)算剛體極限平衡的反分析方法反演巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù),據(jù)此計(jì)算不同治理方案對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性,進(jìn)而設(shè)計(jì)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(jī)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(biāo)高-80 m,底部標(biāo)高-252 m,綠色泥巖底部標(biāo)高-220 m。南北寬約300 m,東西寬約300 m,高差178 m,滑體厚度達(dá)40 m。由于上部泥巖滑移導(dǎo)致底部油母頁(yè)巖發(fā)生的剪切破壞滑移面積約10 m2?；卢F(xiàn)場(chǎng)照片及對(duì)應(yīng)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?；潞缶墳榈V坑北部地表運(yùn)輸部車庫(kù),標(biāo)高為+75 m,前緣剪出位置位于12段下部臺(tái)階,標(biāo)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(wàn)m2。前緣滑舌掩埋了底部12、14段干線,導(dǎo)致東露天12段、14段內(nèi)排電鐵線路、西端幫汽車運(yùn)輸公路和興平公路全部中斷,嚴(yán)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(shí)對(duì)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(jī)理

(1)下部楔形體滑坡機(jī)理。撫順西露天礦北幫邊坡-80m平臺(tái)以下邊坡較陡,傾角約38°,-80m平臺(tái)以上邊坡較緩,傾角約21°,巖性為40多層綠色泥巖和褐色頁(yè)巖互層形成的沉積巖地層。其中,褐色頁(yè)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(wú)法穿過(guò)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(yīng),致使邊坡形成40多層軟硬相間的地層。此外,經(jīng)過(guò)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(fēng)化卸荷帶,導(dǎo)致坡表40多層泥頁(yè)巖塊體的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)低于深部,部分褐色頁(yè)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(shí)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(jī)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(guò)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(duì)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(qiáng)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(shí)第四系沖積層水源和地表降雨匯合不斷沖刷,同時(shí)邊坡下部存在20世紀(jì)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(dǎo)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(guò)北部拉裂縫浸入泥頁(yè)巖互層中,導(dǎo)致整個(gè)散體含水率增加,容重增大,褐色頁(yè)巖透水層中的內(nèi)部裂隙貫通形成切層,將下部泥頁(yè)巖互層分割成多個(gè)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(qiáng)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(tuán)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(duì)提供的鉆孔水位數(shù)據(jù)得出,構(gòu)建的數(shù)值模型如圖3所示。

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

本研究通過(guò)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(wú)水情況下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)組合。無(wú)水情況下,假設(shè)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(qiáng)度組合關(guān)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(yè)巖,考慮到同時(shí)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(dá)40多層,反傾破壞模式為切層破壞,在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析時(shí),采用兩種巖性的平均巖體力學(xué)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(jiǎn)化為一種巖性。

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

基于強(qiáng)度折減理論模擬的不同內(nèi)摩擦角φ、不同黏聚力c對(duì)應(yīng)的邊坡滑坡模式見表1。不同參數(shù)組合滑面形狀與實(shí)際滑面對(duì)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(jié)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(shí)可以看出140 kPa/22°和 130 kPa/23°組合所得的滑坡模式與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際最為接近。同時(shí)查閱文獻(xiàn)[17-20],考慮邊坡巖體表面風(fēng)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(shí)際滑面對(duì)比Fig.5 Comparison of slide surface with different parameters combination and actual slide surface

表1 不同c、φ值對(duì)應(yīng)的滑坡模式Table 1 Landslide models with different c andφvalues

假設(shè)邊坡處于飽水破碎情況下,受重力處于極限平衡時(shí)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系如圖6所示?？紤]到E1000勘探線上部老滑體受多次滑坡影響,坡表面風(fēng)化嚴(yán)重,已經(jīng)呈散體狀態(tài),且當(dāng)時(shí)發(fā)生滑坡時(shí)遭遇了50 a一遇的大暴雨(200 m),進(jìn)入汛期后,又歷經(jīng)多次強(qiáng)降雨,水對(duì)邊坡的巖體浸水弱化嚴(yán)重,通過(guò)對(duì)西排土場(chǎng)破碎的泥頁(yè)巖排土物料進(jìn)行大量測(cè)試發(fā)現(xiàn),北幫泥頁(yè)巖處于破碎飽水狀態(tài)時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度參數(shù)組合,將φ=16°,c=28 kPa作為浸水弱化后的強(qiáng)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(jié)合《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50197—2015)相關(guān)規(guī)定,將北幫的穩(wěn)定性系數(shù)設(shè)定為1.5,方可滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)要求。

根據(jù)上文反分析獲得的巖土抗剪強(qiáng)度參數(shù),結(jié)合文獻(xiàn)[19-25],匯總得到計(jì)算中使用的各種巖石力學(xué)參數(shù)取值(表2)。為了確保計(jì)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(fēng)險(xiǎn)較高的E2200剖面構(gòu)建數(shù)值模型進(jìn)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(jì)算所用的材料力學(xué)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(tái)以下為最危險(xiǎn)滑面(圖8(a));疏干排水工程下穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到1.102,沒(méi)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(shí)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(zhǎng)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(duì)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(biāo)高為-40 m,通過(guò)計(jì)算安全系數(shù)可達(dá)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(shè)計(jì)

撫順西露天礦北幫為反傾層狀凸邊坡,凸點(diǎn)在-40 m標(biāo)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(duì)礦坑底部整體回填至-148 m水平,-148～-40 m采用3個(gè)臺(tái)階分段內(nèi)排。內(nèi)排邊坡角16°,單層臺(tái)階角30°,從-148 m開始第1個(gè)和第2個(gè)臺(tái)階段高40 m,第3個(gè)臺(tái)階段高28 m,平盤寬度90 m?？紤]到北幫東北部有大量密集建筑物,人口密集,因此對(duì)E1000線往東進(jìn)行局部削坡,加強(qiáng)東部邊坡穩(wěn)定性(圖9)。該治理方案優(yōu)勢(shì)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(wèn)題(方量計(jì)算結(jié)果見表3),在利用附近舍場(chǎng)廢棄物的同時(shí),實(shí)現(xiàn)占用土地的復(fù)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(cuò)落有致的地表形態(tài),為生態(tài)利用和景觀設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。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(shè)計(jì)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(jié) 論

(1)基于滑坡區(qū)域精細(xì)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(gòu)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(jī)理。具體表現(xiàn)為:E1000勘探線下部汛期降雨導(dǎo)致F5斷層構(gòu)造活化、穿層裂隙開度增加和內(nèi)部裂隙貫通,構(gòu)造在邊坡上形成的楔形體被分割成塊,褐色頁(yè)巖透水層內(nèi)部約束解除,巖體整體抗剪強(qiáng)度下降而發(fā)生楔形體滑坡;上部老滑體滑坡受地下水、強(qiáng)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?jī)A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(qiáng)度折減數(shù)值模擬相結(jié)合以及模擬破壞模式與實(shí)際破壞模式相對(duì)應(yīng)的方法,反演得出北幫泥頁(yè)巖互層干燥時(shí)的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)為φ=23°,c=135 kPa,飽水狀態(tài)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)為φ=16°,c=28 kPa。對(duì)滑坡風(fēng)險(xiǎn)較大的E2200剖面進(jìn)行了多種防治方案下的邊坡穩(wěn)定性分析,驗(yàn)算了回填壓腳—蓄水成湖治理方案對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)可達(dá)到1.506左右。根據(jù)治理方案的可行性分析,設(shè)計(jì)了針對(duì)撫順西露天礦工況的邊坡治理方案。

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