寨崖底煤礦高山水池黃土高邊坡失穩(wěn)破壞模式與防治

劉文元,任 杰,朱清華,孫自強(qiáng),焦 姍

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024;2.中國(guó)冶金地質(zhì)總局第三地質(zhì)勘查院,太原 03002)

山西地處黃土高原地區(qū),黃土型崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),對(duì)人民的生命和財(cái)產(chǎn)產(chǎn)生了巨大的影響和威脅,研究黃土型地質(zhì)災(zāi)害特性和提出經(jīng)濟(jì)有效的治理措施有重要意義[1]。

山西寨崖底發(fā)生的黃土高邊坡滑塌對(duì)坡頂?shù)母呶凰?、坡腳的雷管庫(kù)和炸藥庫(kù)以及邊坡下方的寨崖底煤礦洗煤廠的安全形成巨大的威脅。分析寨崖底高邊坡滑塌成因以及采取治理措施非常重要。

1 工程概況

山西寨崖底某黃土高邊坡的頂部有一高位水池,水池邊界距離該邊坡的最短距離僅為2 m左右。除此之外,寨崖底煤礦的雷管庫(kù)和炸藥庫(kù)位于該邊坡的坡腳處。該邊坡于2016年發(fā)生自然滑塌,雖然沒(méi)有發(fā)生人員及財(cái)產(chǎn)安全損失,但對(duì)坡頂?shù)母呶凰?、坡腳的雷管庫(kù)和炸藥庫(kù)以及邊坡下方的寨崖底洗煤廠的安全形成巨大的威脅。

2 工程地質(zhì)條件

1) 地形地貌。屬晉西黃土高原區(qū),地貌類(lèi)型以侵蝕的黃土梁、黃土峁為主,其次為黃土溝谷地貌中的沖溝。區(qū)內(nèi)地勢(shì)南高北低,地形切割強(qiáng)烈。

2) 地層巖性。區(qū)域周邊地表部分被第三系上新統(tǒng)(N2)和第四系上更新統(tǒng)(Q3)、全新統(tǒng)(Q4)所覆蓋,基巖僅在勘查區(qū)周邊的溝谷中出露。井田內(nèi)發(fā)育的地層由下至上有奧陶系中統(tǒng)峰峰組;石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組;二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組,上統(tǒng)上石盒子組;新生界上第三系上新統(tǒng),第四系上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)的地層。

3) 地質(zhì)構(gòu)造。研究區(qū)地層總體上為一單斜構(gòu)造,走向?yàn)楸蔽?南東向,傾向南西,地層傾角平緩,一般為3°～7°,區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有斷層及陷落柱等構(gòu)造,構(gòu)造簡(jiǎn)單。

3 滑塌體的基本形態(tài)特征

滑塌高邊坡沿著走向延伸方向約為140 m,垂直走向的方向該邊坡的寬度約為130 m;該邊坡的高度不等,最高處約為90 m,一般為75 m左右,屬于高邊坡;邊坡坡度較陡,坡角一般為45°～65°之間,邊坡整體坡度在50°左右,邊坡坡面并非平直,坡面上發(fā)育有一系列的小沖溝,小沖溝的存在造成局部坡度較大,可達(dá)65°,見(jiàn)圖1。

圖1 高邊坡的形態(tài)特征Fig.1 Morphology of high slope

滑塌黃土高邊坡的下部地層為粉質(zhì)粘土,上部地層為粉土。

通過(guò)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),位于邊坡頂部的粉土層中,垂直節(jié)理較為發(fā)育,節(jié)理面寬度不等,多為1mm～30mm之間,見(jiàn)圖2、圖3。高邊坡受垂直節(jié)理面控制,已經(jīng)發(fā)生多處黃土崩塌,崩塌體沿著坡面下滑導(dǎo)致滑塌災(zāi)害。

圖2 高邊坡的破壞特征Fig.2 High slope failure characteristics

4 滑塌體成因分析

黃土具有較好的直立性,在天然狀況下,能夠以較大的坡度保持穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí),黃土又具有垂直節(jié)理裂隙,裂隙面往往從地表貫通至一定深度,形成潛在滑塌體,在天然狀況下,潛在滑塌體根部的抗剪力大于剪切力,能夠保持穩(wěn)定,處于穩(wěn)定狀態(tài)或基本穩(wěn)定狀態(tài);在降雨條件下,雨水順著節(jié)理裂隙面入滲進(jìn)入坡體內(nèi)部,甚至達(dá)到潛在滑塌體根部,根部黃土的抗剪強(qiáng)度降低,抗剪力不足以抵抗剪切力,在根部發(fā)生拉裂錯(cuò)斷式滑塌[2]。拉裂錯(cuò)斷式滑塌的示意圖見(jiàn)圖4。

圖3 高邊坡的破壞特征Fig.3 High slope failure characteristics

圖4 拉裂錯(cuò)斷式黃土滑塌破壞模式示意圖Fig.4 Failure Mechanism of tensile crack type and offset type loess slump

5 滑塌高邊坡的治理設(shè)計(jì)

結(jié)合高邊坡特性以及邊坡設(shè)計(jì)要求,邊坡治理采用削坡、錨桿(索)格構(gòu)梁、加筋土擋墻和擋土壩進(jìn)行加固,并且同時(shí)進(jìn)行掛網(wǎng)噴錨、截排水和植物工程的設(shè)計(jì)方案,具體設(shè)計(jì)方案圖示見(jiàn)圖5。

圖5 滑塌高邊坡設(shè)計(jì)治理示意圖Fig.5 Control design for high slope slump

1)削坡:將邊坡開(kāi)挖整平,單級(jí)坡率為1:0.5、1:1.5、1:2.0三種,坡高3.1 m～8.0 m不等,單級(jí)邊坡間設(shè)置平臺(tái)寬2.0 m～6.4 m,并且平臺(tái)橫坡上設(shè)置采用1%的自然傾斜角。

2)錨桿:錨桿設(shè)計(jì)孔徑均為130 mm,錨桿鋼筋均采用Φ25 mm的HRB400螺紋鋼,注漿材料采用M30的水泥砂漿,注漿壓力為0.20 MPa～0.50 MPa。錨索設(shè)計(jì)孔徑均為150 mm,錨索采用3根Φ15.2 mm鋼絞線,1860級(jí)無(wú)粘結(jié)鋼絞線,錨具用OVM15-6型。

3)格構(gòu)梁:格構(gòu)梁垂直間距與水平間距為2 m×2 m,截面尺寸為400 mm×400 mm,采用C25混凝土。

4)掛網(wǎng)噴錨:掛網(wǎng)噴錨布置在頂部高位水池四周坡面之上及頂部第一級(jí)坡面,防止雨水入滲坡面。錨釘間距為2 m(高)×2 m(寬),錨釘成孔直徑為100 mm,桿體鋼筋為Φ25 mm,框條采用Φ8 mm圓鋼筋(HPB235),鋼絲網(wǎng)采用Φ2 mm普通鍍鋅鋼絲,綁扎鋼絲采用Φ0.5 mm～1.0 mm普通鋼絲。噴漿護(hù)坡采用的砂漿強(qiáng)度不應(yīng)低于M25,混凝土強(qiáng)度不應(yīng)低于C20。砂應(yīng)采用純凈的中粗砂,細(xì)度模數(shù)大于2.5,含土量不超過(guò)5%,含水率以4%～6%為宜。

5)截排水設(shè)計(jì):水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響極大,因此截排水設(shè)計(jì)很有必要。因此在邊坡坡頂、平臺(tái)及邊坡兩側(cè)設(shè)置排水溝,沿自然坡率修筑;坡頂排水溝修筑距頂部2 m處,坡底排水溝距坡底1 m處,平臺(tái)上則距單級(jí)邊坡坡底0.5 m處。材料選用C30混凝土。

6)攔擋壩:擋土壩內(nèi)側(cè)為三合土(黃土:石灰:水泥,7:2:1)壓實(shí)土壩,外側(cè)采用漿砌石擋墻,采用M10漿砌石砌筑,設(shè)置于炸藥庫(kù)上部,利用自身壩體土體側(cè)壓力,可有效防止頂部邊坡滑塌,并起到攔擋松散堆積物作用。墻外邊坡坡率1:0.5,內(nèi)邊坡1:0.5,壩體頂寬2 m,底寬8 m,壩高6 m,基礎(chǔ)埋深2.5 m。攔擋壩壩體設(shè)泄水孔,材料選用孔徑110 mm的PVC管,外斜5%,最下排泄水孔距地面0.1 m,泄水孔豎向間距為1.5 m,水平間距3.0 m,上下左右交錯(cuò)成梅花狀布置。每隔10 m設(shè)一道變形縫,縫寬20 mm～30 mm,縫中填瀝青麻筋、瀝青木板或其它有彈性的防水材料。使用1:3水泥砂漿勾縫。

7)植物措施:生物植被工程措施主要起到覆蓋地表、穩(wěn)定邊坡、控制水土流失、美化環(huán)境的作用。本次生物工程措施選擇的總體原則是以適應(yīng)當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)的苜蓿草為主,以迅速恢復(fù)植被。主要布置在坡底處,削坡坡面上。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文在對(duì)山西寨崖底某黃土滑塌高邊坡進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果分析了滑塌的成因機(jī)制,主要原因是由于降雨作用沿著黃土裂隙滲透,導(dǎo)致滑坡臨空面方向強(qiáng)度降低較快,最終蠕變變形累積形成滑塌,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)滑坡穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求,提出了合理有效的治理方案,為類(lèi)似滑塌高邊坡的治理設(shè)計(jì)措施提供了依據(jù)和指導(dǎo)。

[1] 董震,巨玉文.山西黃土地質(zhì)災(zāi)害的特性及治理研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2015,15(7):138-141. DONG Zhen,JU Yuwen.Characteristics of Geological Disasters in Shanxi Loess and Governance[J].Science Technology and Engineering, 2015,15(7):138-141.

[2] 譚建德.淺析黃土地區(qū)高路塹邊坡滑塌成因及防治方法[J].甘肅科技縱橫,2012,41(3):106-124.