安太堡露天礦南排土場滑坡事故分析

張永華，張東華，鄭 哲

（1.中煤平朔集團(tuán)公司 安太堡露天礦，山西 朔州 036006；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

1991 年安太堡南外排土場發(fā)生了滑坡事故，滑坡量約為11 Mm3，事故造成了6 人死亡[1]，對(duì)之后露天煤礦排土場邊坡的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，設(shè)計(jì)或者評(píng)估邊坡時(shí)排土場的總邊坡角不超過20°，排土場總高度不大于150 m。故有必要對(duì)事故原因進(jìn)行再研究，為今后的黃土高原地區(qū)露天煤礦排土場邊坡設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

王建國等通過對(duì)滑坡事故的調(diào)查認(rèn)為安太堡南排土場的滑坡模式是沿黃土基底產(chǎn)生的多級(jí)坐落式滑坡，認(rèn)為內(nèi)部原因是排土場坐落在順坡為5°～7°的基底斜坡上，且基底有飽水的黏性土軟弱帶，外部原因是排放強(qiáng)度大和地下水的增加[2]。祖國林等介紹了黃土基底排土場的特征，把黃土基底排土場分成了4 種模式，安太堡南排土場滑坡屬于地基型，這類滑坡由于排土場基底存在軟弱層或軟塑帶，外因是水、過載及邊坡過陡導(dǎo)致[3]。周飛等對(duì)黑方臺(tái)的黃土邊坡的滑坡機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為地下水位的上升導(dǎo)致黃土軟弱帶的形成，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)黃土厚度小于20 m 時(shí)發(fā)生緩慢變形，大于20 m 則易形成突發(fā)性滑動(dòng)事故[4]。金艷麗等對(duì)飽和黃土的靜態(tài)液化特征進(jìn)行了試驗(yàn)，研究了飽和黃土的力學(xué)特性[5]。李彥榮等通過對(duì)世界黃土滑坡事故的分析，把黃土滑坡分成黃土－古土壤滑坡和黃土基巖滑坡2 大類，黃土－古土壤滑坡又分成8 小類，黃土基巖滑坡分成2 小類[6]。彭建兵等對(duì)我國的黃土滑坡分布及成因類型進(jìn)行了總結(jié)[7]，并對(duì)黃土高原滑坡災(zāi)害進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[8]。

1 地質(zhì)概況和滑坡體特征

1.1 地質(zhì)概況

安太堡露天煤礦1987 年投產(chǎn)，采用單斗－卡車－推土機(jī)工藝，南排土場南北長大約1 km，東西長大約1.5 km。平均氣溫5.4～13.8°，最高氣溫37.9°，最低氣溫－32.4°，凍土最早形成日期是10 月18 日，最晚是4 月12 日，平均凍土厚度1.11 m。年降雨量為428.2～486.16 mm，年蒸發(fā)量為1 735.6～2 598.0 mm。降雨集中在7、8、9 月，經(jīng)常是暴雨，最大降雨強(qiáng)度是87 mm/d。地下水位平均深度20 m，每年10 月15 到11 月1 日間地下水位最高。七里河穿過礦區(qū)，大部分雨水流入礦區(qū)，少部分雨水滲入地面，地下水的流出方式是自然蒸發(fā)，補(bǔ)給來源主要是降雨和地下水。

排土場基底地層從上到下是平均34 m 后的黃土層，屬于強(qiáng)含水層；向下是平均厚度為15 m 的黏土層，黏土透水性弱；再向下是風(fēng)化砂巖，弱含水層。排棄物全是重塑黃土。排土場基底傾角為5°～7°。

1.2 滑坡體特征

滑坡監(jiān)測工程平面圖如圖1，監(jiān)測點(diǎn)是K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8，形成1＃、2＃、3＃、4＃共4 條監(jiān)測剖面線[3]。

圖1 滑坡監(jiān)測工程平面圖

在2＃剖面線東邊，1450 水平臺(tái)階的滑體寬度為45～60 m，坐落在1 363～1 375 m 水平，下落高度從75～88 m。在滑體的中部，臺(tái)階變形較小；在滑體的下部，滑體由排土場的重塑黃土和基底黃土組成?；w的水平移動(dòng)距離為50～85 m。

在2＃剖面線西邊，1450 水平臺(tái)階的滑體寬度約95 m?；w邊緣30～50 m 坐落在1 380 m 水平，下落高度大約70 m；其余部分滑體寬度大約50 m，坐落在1 415 m 水平。下落高度大約35 m?；w上部和中部有1 塊洼地，比中部部分高差低20 m，滑體中部臺(tái)階裂縫切割明顯，滑體的水平移動(dòng)距離大約130～145 m。在滑體底部，滑體的水平移動(dòng)距離大約200 m。

2＃監(jiān)測線的剖面圖如圖2，滑坡特征如下：①滑面為圓弧滑面；②排土場基底有明顯的毀壞，包括沉降和隆起；③排土場滑坡前總角度為19°～21°，滑坡后大約11°；④滑面位于基底黃土中，位于黏土層之上；⑤滑體的滑動(dòng)分成多個(gè)階段，每一個(gè)滑體的寬度介于45～50 m；⑥滑體最遠(yuǎn)點(diǎn)和基底破壞點(diǎn)距離大約為65～70 m。

圖2 2＃監(jiān)測線剖面圖

2 事故原因

2.1 南排土場的數(shù)值模型

Phase 軟件是一款用于巖土工程彈塑性有限元分析軟件，基于強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性。安太堡南排土場的參數(shù)如下:①臺(tái)階高度15 m;②臺(tái)階坡面角30°;③安全臺(tái)階長度20 m;④平均地下水位線20 m;⑤排土場總高度135 m;⑥排土場總邊坡角度19°;⑦基地傾角6°。巖土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1，Phase 建立的模型如圖3。從圖3 可以看出初始模型時(shí)安全系數(shù)時(shí)1.37，滿足規(guī)范要求且符合工程實(shí)際。

2.2 滑坡事故原因

2.2.1 地下水位上升

每年10 月15 到11 月1 日地下水位最高，10月29 日處于一年中地下水位最高的時(shí)間段。通過現(xiàn)場觀察，排土場坡底一年大部分時(shí)間有水流出，10月29 日這個(gè)時(shí)間段凍土也剛剛形成，可能會(huì)堵塞排土場坡底的出水口。另一方面，排土場的重塑黃土是松散狀，雨水非常容易進(jìn)入排土場內(nèi)部，從而增加排土場的地下水位。地下水位線和安全系數(shù)之間的關(guān)系如圖4。從圖中可以看出，地下水位從5 m 變?yōu)?0 m 時(shí)，安全系數(shù)急劇地從1.01 增加到1.74，安全系數(shù)對(duì)地下水位極為敏感。

表1 巖土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

圖3 安太堡南排土場地質(zhì)模型

圖4 地下水位線和安全系數(shù)之間的關(guān)系

2.2.2 裂縫貫通形成弱面

1）排土場應(yīng)力場對(duì)重塑松散黃土產(chǎn)生裂隙的力學(xué)機(jī)理。排土場的初始重塑黃土是松散的，重塑黃土的堆積高度不同，導(dǎo)致重塑黃土在豎直方向上承受的壓力不同，豎直方向上承受的壓力不同導(dǎo)致黃土在豎直方向上的沉降量不一樣，豎直方向上的沉降差異形成豎直方向上的剪切裂隙。因豎直方向上的受力不同主要在在排土場的坡面、坡頂線附近、坡底線附近等位置產(chǎn)生豎直方向上的剪切裂隙。重塑松散黃土自然堆積形成排土場，邊坡坡面處于臨空狀態(tài)，產(chǎn)生1 個(gè)水平應(yīng)力差，水平應(yīng)力差使邊坡剖面產(chǎn)生1 個(gè)水平的剪切裂隙。

2）沉陷作用對(duì)隱伏裂縫的擴(kuò)展作用。排土場坡底線位置受到垂直方向的應(yīng)力差和水平方向的應(yīng)力差，是裂縫集中的地方，這些裂縫通常被松散層覆蓋形成隱伏裂縫。坡底線位置通常修筑有排水溝，是下雨時(shí)的雨水通道，雨水通過排水溝時(shí)，雨水大量灌入隱伏裂縫，黃土的沉陷特性將擴(kuò)展隱伏裂縫，是裂縫擴(kuò)大、延長、貫通。

3）飽和黃土受力后液化促進(jìn)裂縫擴(kuò)展。安太堡礦區(qū)地下水不深，全年平均20 m，飽和黃土在上覆層壓力的情況下，產(chǎn)生超孔隙水壓力，從而降低飽和層黃土的強(qiáng)度。飽和層黃土的上覆層受到臨空方向水平應(yīng)力的影響，產(chǎn)生臨空方向的水平位移，促使裂縫的擴(kuò)展。

2.2.3 排土場總高度

發(fā)生滑坡事故時(shí)排土場總高度是135 m，排土場高度對(duì)排土場穩(wěn)定性有著顯著的影響，排土場高度和安全系數(shù)以及截面面積的關(guān)系如圖5，顯示了排土場高度和安全系數(shù)以及截面面積的關(guān)系。當(dāng)排土場總高度從105 m 增加到150 m 時(shí)安全系數(shù)從1.58 快速降到1.29；排土場的橫截面積從30 523 m2增加到37 315 m2，高度增加剛開始時(shí)排土場容量增加較快，約到后面容量增加得越少。

圖5 排土場高度和安全系數(shù)以及截面面積的關(guān)系

2.2.4 排土場基底傾角

排土場基底傾角是5°～7°，安太堡南排土場基底傾角和安全系數(shù)以及排土場橫截面積之間的關(guān)系見表2，隨著基底傾角從0°增加到12°排土場的橫截面積從70 982 m2急劇減少到15 372 m2，同時(shí)隨著基底傾角從0°增加到12°安全系數(shù)從1.32 緩慢增加到1.1。傾角的增加對(duì)排土場總?cè)萘坑绊懞茱@著，但穩(wěn)定性系數(shù)影響較小且是正影響。

表2 安太堡南排土場基底傾角和安全系數(shù)以及排土場橫截面積之間的關(guān)系

2.2.5 基底的黏土層

基底平均厚度34 m 下有一平均厚度達(dá)15 m 的黏土層，黏土層透水性弱，容易使水在黃土層中富集。

2.3 影響滑坡因素

1）滑坡事故是由各種影響因素綜合導(dǎo)致的，主要原因是此時(shí)間段地下水位高。地下水位對(duì)重塑黃土排土場的穩(wěn)定性影響最大，10 月29 日發(fā)生滑坡時(shí)也正好是平朔礦區(qū)全年地下水位最高的時(shí)候。在只考慮地下水位對(duì)排土場穩(wěn)定性的影響情況下，地下水位為5 m 時(shí)排土場的穩(wěn)定性系數(shù)僅僅1.01。裂縫的貫通受到排土場應(yīng)力、地下水、雨水等影響，是一個(gè)漸變的過程。排土場總高度對(duì)穩(wěn)定性影響較為顯著，排土場最高度達(dá)到設(shè)計(jì)值150 m 時(shí)，且僅考慮排土場高度的單影響因素時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)為1.29，對(duì)排土場的穩(wěn)定性影響不是起決定性作用。

2）滑坡事故的主要原因不是排放強(qiáng)度過大。一些學(xué)者認(rèn)為滑坡的首要原因是排放太快導(dǎo)致孔隙水壓力未能得以消散，導(dǎo)致基底黃土強(qiáng)度降低導(dǎo)致事故。黃土的孔隙性發(fā)育，透水性極強(qiáng)，且排棄時(shí)間以天、月、季度為計(jì)量單位，不存在孔隙水壓力消散來不及的情況。并且地質(zhì)災(zāi)害的大量學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)查證明了飽和黃土在一定圍壓下會(huì)發(fā)生液化強(qiáng)度急劇降低，當(dāng)圍壓超過一定強(qiáng)度后黃土又具有一定的強(qiáng)度，例如文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]通過實(shí)驗(yàn)測試了飽和黃土在不同圍壓情況下的強(qiáng)度。文獻(xiàn)[5]得出的原生黃土發(fā)生持續(xù)緩慢變形的的臨界層厚度為20 m，安太堡南排土場的總高度為135 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20 m。

3）排土場的最危險(xiǎn)裂隙位置位于排土場坡底線位置。排土場坡底處于垂直壓力和水平壓力不均的地方容易形成裂縫，且降雨時(shí)雨水經(jīng)過坡底線的水溝，大量雨水灌入隱伏裂縫，且黃土具有濕陷性，導(dǎo)致隱伏裂縫的擴(kuò)展及連通，對(duì)排土場穩(wěn)定性形成較大危害。這次滑坡體特征中每一個(gè)滑體的寬度介于45～50 m 之間就是1 個(gè)證據(jù)，45～50 m 正好是1個(gè)排土場安全平臺(tái)和1 個(gè)坡面的水平長度之和。

坡頂線附近的裂縫容易觀察得到，雨水進(jìn)入坡頂線的裂縫相對(duì)較少，且坡頂線附近的裂縫切割排土臺(tái)階的體積小，危害性相對(duì)不大。排土場坡底的隱伏裂縫的危害性比坡頂線附近的裂縫危害性更大。

3 結(jié)論

1）排土場穩(wěn)定性對(duì)地下水位線的敏感性最大。地下水位從50 m 變?yōu)? m 時(shí)，安全系數(shù)從1.74 急劇地降低到1.01。

2）滑坡事故的最主要外因是此時(shí)間段地下水位線處于全年最高，不是排放強(qiáng)度過大。大量學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)查證明了飽和黃土在一定圍壓下會(huì)發(fā)生液化，當(dāng)圍壓超過一定強(qiáng)度后黃土又具有一定的強(qiáng)度。

3）安太堡南排土場的最危險(xiǎn)裂縫位置位于排土場坡底線位置?；w的寬度介于45～50 m，正好是1 個(gè)安全臺(tái)階的寬度加上1 個(gè)坡面的水平長度。