伊敏露天礦地下水對(duì)含弱層邊坡穩(wěn)定性影響研究

馬 可

（中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

作為煤炭資源的主要開采方式之一，露天開采在各地的大型煤礦得到了廣泛的應(yīng)用[1]。各地露天礦產(chǎn)能的不斷增加，開采深度不斷延伸，高陡邊坡出現(xiàn)的幾率越來越大、存在時(shí)間越來越長(zhǎng)，邊坡失穩(wěn)的可能性也會(huì)越大。而對(duì)于礦山廣泛存在的軟巖邊坡來說，由于邊坡變形失穩(wěn)的過程、形成條件、誘發(fā)因素的復(fù)雜多樣性[2-4]，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。王建國(guó)等[5]探究了受控于軟弱結(jié)構(gòu)面的邊坡的滑坡模式、計(jì)算方法以及強(qiáng)度指標(biāo)的選取原則；張澤林等[6]以甘肅天水地區(qū)的泥巖及軟弱夾層為研究對(duì)象，得出了隨軟弱層厚度和傾角的增加，傾角在0°～60°范圍內(nèi)，試樣的剪切強(qiáng)度逐漸降低；馬婧佳等[7]對(duì)扎哈淖爾露天礦含軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究與形態(tài)優(yōu)化；陳曉平[8]以一實(shí)際泥質(zhì)軟巖高邊坡為分析對(duì)象，通過原狀土樣的室內(nèi)試驗(yàn)成果分析了該種土體的特殊力學(xué)特性，表明泥質(zhì)軟巖邊坡的設(shè)計(jì)與分析必須考慮水的入滲和卸荷松弛所導(dǎo)致的土體強(qiáng)度的衰減；范軍富等[9]研究了地下水對(duì)靈泉露天礦邊坡穩(wěn)定性影響；胡其志等[10]通過對(duì)順層巖質(zhì)邊坡中地下水力作用進(jìn)行分析，認(rèn)為地下水力作用主要為沿結(jié)構(gòu)面分布的裂隙水壓力和拖拽力，地下水作用下邊坡穩(wěn)定系數(shù)的降低主要與靜水壓力有關(guān)，而滲透力的影響很小。由此可見，在露天礦中的軟弱夾層強(qiáng)度特性受地下水影響的程度以及高含水含弱層邊坡的整體穩(wěn)定性方面還缺乏認(rèn)識(shí)。

1 影響邊坡穩(wěn)定的因素分析

1.1 內(nèi)在影響因素分析

1）地層巖性。地層巖性可分為硬巖和軟巖。一般來說，硬巖形成的邊坡高度較高且?guī)r層傾角較大，而軟巖體形成的邊坡高度較低且?guī)r層傾角較小，這表明巖性對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有著顯著的影響。地層是巖質(zhì)邊坡組成的物質(zhì)基礎(chǔ)。地層巖性是影響邊坡穩(wěn)定的主要因素。而不同地層的巖性組合，使邊坡出現(xiàn)不同類型的變形和破壞特征。而軟巖是巖體中的薄弱帶，抗壓強(qiáng)度很小，因此，區(qū)分地質(zhì)體中的軟硬巖是首要任務(wù)；其次，軟巖、軟弱層、斷層巖以及風(fēng)化巖等是對(duì)邊坡穩(wěn)定性往往起控制性作用的重要因素。

2）巖體結(jié)構(gòu)。巖體的變形和破壞由巖體結(jié)構(gòu)控制。巖體變形不僅是材料的變形，而且是結(jié)構(gòu)的變形。巖體結(jié)構(gòu)特性對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響是占有極大位置的。影響邊坡穩(wěn)定的巖體結(jié)構(gòu)因素主要是結(jié)構(gòu)面的組數(shù)和數(shù)量、結(jié)構(gòu)面的傾角和傾向、結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性以及結(jié)構(gòu)面的表面性質(zhì)等。對(duì)較完整的巖體來說，可發(fā)生滑坡的多為受構(gòu)造條件控制的塊裂斜坡或受軟弱層面控制的層狀結(jié)構(gòu)斜坡。

3）地形地貌特征。地形地貌特征對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響一般是和巖體結(jié)構(gòu)與巖體應(yīng)力等聯(lián)系在一起的。高度越低，規(guī)模越小的邊坡，一般只產(chǎn)生小規(guī)模的表層破壞。而對(duì)于大型高陡邊坡而言，產(chǎn)生大規(guī)模的、深層滑坡的可能性就比較大。對(duì)當(dāng)前的地形地貌特點(diǎn)進(jìn)行深入研究，能夠了解己經(jīng)破壞邊坡的變形破壞機(jī)制并推測(cè)邊坡未來發(fā)展演變的全程。

1.2 外在影響因素分析

1）水的作用。大量工程實(shí)例證實(shí)，水對(duì)邊坡失穩(wěn)破壞起著不可估量的作用。有數(shù)據(jù)顯示，90%左右的滑坡在雨季發(fā)生，特別是暴雨或連續(xù)降雨期，這充分說明水是邊坡穩(wěn)定性的重要影響因素。結(jié)構(gòu)面性質(zhì)、巖體性質(zhì)等是邊坡穩(wěn)定性的內(nèi)部影響因素，而結(jié)構(gòu)面與巖體性質(zhì)又受到水的影響。水對(duì)邊坡影響主要以降雨、地表水、地下水形式作用于邊坡。而地下水對(duì)邊坡的影響主要表現(xiàn)在2 方面：①降低巖體強(qiáng)度，特別是巖體存在軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，水將通過裂隙并逐漸在巖體內(nèi)產(chǎn)生滲流，從而使巖體抗剪強(qiáng)度急劇降低；②改變坡體的應(yīng)力狀態(tài)，增加動(dòng)、靜水壓力，地下水對(duì)巖土體產(chǎn)生物理、化學(xué)等作用，使邊坡巖體性質(zhì)改變并使邊坡受力平衡狀態(tài)遭到破壞，進(jìn)而影響邊坡的穩(wěn)定性。

2）地震作用。大量地震災(zāi)害的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表示，地震是邊坡失穩(wěn)發(fā)生滑坡的重要誘發(fā)因素。一般講，凡是地震頻繁、強(qiáng)度較大的地震區(qū)，尤其是在山區(qū)和丘陵地帶的邊坡往往表現(xiàn)出，滑坡分布廣、數(shù)量多和危害性大的特點(diǎn)。

通過分析上述影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的因素得出，軟巖和地下水2 大因素是制約露天礦邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。而伊敏露天礦邊坡正是典型的富水軟巖邊坡，通過試驗(yàn)分析與極限平衡方法下的邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)合的方式研究地下水對(duì)含弱層軟巖邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

2 水對(duì)弱層強(qiáng)度影響規(guī)律的試驗(yàn)研究

伊敏露天礦邊坡受地下水影響較大，且內(nèi)排土場(chǎng)基底殘余水問題和端幫第四系松散層涌水問題比較突出，因此針對(duì)軟巖在不同含水率情況下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)開展試驗(yàn)研究，以探究水對(duì)巖體強(qiáng)度的影響規(guī)律。

試驗(yàn)選擇利用四聯(lián)無(wú)極變速應(yīng)變控制式直接剪切儀。試樣取自伊敏露天礦弱層層位的軟質(zhì)泥巖，開展不同含水率下的直剪試驗(yàn)。每種巖樣在某一含水率下共開展3 組試驗(yàn)，每組4 個(gè)試件，試驗(yàn)后經(jīng)分析確定抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值。試樣尺寸與常規(guī)土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件相同。不同含水率下的試樣制備方法嚴(yán)格按照土工試驗(yàn)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

伊敏露天礦軟質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率關(guān)系曲線如圖1，隨著含水率的增加，軟質(zhì)泥巖的黏聚力C 和內(nèi)摩擦角φ 均表現(xiàn)為下降的趨勢(shì)，而且下降幅度較大，和 對(duì)含水率的變化都比較敏感；同時(shí)，由圖可看出C 和φ 與含水率呈近線性相關(guān)關(guān)系。伊敏露天礦試樣試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 伊敏露天礦試樣試驗(yàn)結(jié)果

圖1 伊敏露天礦軟質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率關(guān)系曲線圖

飽和含水率情況下內(nèi)摩擦角比天然含水率情況下內(nèi)摩擦角下降了70%，黏聚力比天然含水率情況下下降了78%。巖體含水飽和后抗剪強(qiáng)度下降幅度如此之大，分析其原因，伊敏露天礦軟質(zhì)泥巖多屬于高液限黏性土，含親水性物質(zhì)成分較高，遇水泥化崩解現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致強(qiáng)度指標(biāo)顯著弱化。

可見，若伊敏露天礦邊坡內(nèi)部弱層在地下水長(zhǎng)期影響下，會(huì)導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度大幅下降，很可能出現(xiàn)邊坡沿弱層的順層滑動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)滑坡。

3 水對(duì)邊坡穩(wěn)定影響規(guī)律的計(jì)算分析

在伊敏露天礦西端幫共計(jì)布置3 條勘探線，每條勘探線3 個(gè)工程地質(zhì)鉆孔，最終形成3 條典型工程地質(zhì)模型，即BX1、BX2、BX3。

在邊坡內(nèi)部賦存豐富地下水的條件下，地下水會(huì)對(duì)邊坡巖土體產(chǎn)生靜水壓力或“浮托力”，邊坡后緣靜水壓力垂直指向接觸面，不利于邊坡的穩(wěn)定，同時(shí)“浮托力”降低了巖體的抗滑力，進(jìn)一步影響了邊坡穩(wěn)定性；同時(shí)，地下水又起到了潤(rùn)滑的作用，同樣惡化了邊坡的穩(wěn)定性?？梢姡瑥牧W(xué)角度邊坡富水不利于其穩(wěn)定。

根據(jù)工程地質(zhì)勘查工作，基本掌握了地下水的分布特征，依據(jù)地下水的水位測(cè)量繪制出現(xiàn)狀水位線，同時(shí)結(jié)合本次巖土試驗(yàn)的"飽和抗剪參數(shù)"，分析西端幫邊坡BX1、BX2、BX3 的邊坡穩(wěn)定性，進(jìn)而分析確定地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定的敏感程度。運(yùn)用GEOSLOPE 極限平衡軟件計(jì)算了有無(wú)地下水工況下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖2～圖7。

圖2 西端幫BX1 模型無(wú)地下水時(shí)邊坡穩(wěn)定性

結(jié)合以上計(jì)算結(jié)果，整理出各模型在有無(wú)地下水工況下的穩(wěn)定性系數(shù)，各工況下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2。

圖3 西端幫BX1 模型有地下水時(shí)邊坡穩(wěn)定性

圖4 西端幫BX2 模型無(wú)地下水時(shí)邊坡穩(wěn)定性

圖5 西端幫BX2 模型有地下水時(shí)邊坡穩(wěn)定性

圖6 西端幫BX3 模型無(wú)地下水時(shí)邊坡穩(wěn)定性

圖7 西端幫BX3 模型有地下水時(shí)邊坡穩(wěn)定性

表2 各工況下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

通過以上地下水敏感性分析，可得出伊敏露天礦設(shè)計(jì)邊坡在含地下水工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，若采用疏干方式降低地下水位至坡底以下，穩(wěn)定系數(shù)可提高20.29%～39.88%，各模型邊坡穩(wěn)定性系數(shù)將大于1.2，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，后期采礦過程中，極其有必要采取有效的疏排水措施，加強(qiáng)露天礦疏干排水工作，保證邊坡穩(wěn)定。

4 弱層強(qiáng)度參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定影響分析

伊敏露天礦邊坡存在多層弱層，弱層的參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定影響較為嚴(yán)重，以BX1 模型為例，計(jì)算分析弱層參數(shù)弱化情況下的邊坡穩(wěn)定性，弱層參數(shù)及其對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)匯總見表3。

表3 弱層參數(shù)及邊坡穩(wěn)定系數(shù)匯總表

由表3 可見，隨著抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的下降，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降明顯，當(dāng)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降至近飽和狀態(tài)下巖體指標(biāo)時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)低于1.2，此時(shí)邊坡處于存在風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

1）在影響邊坡穩(wěn)定的各種因素中，地下水和弱層起到至關(guān)重要的作用，將嚴(yán)重影響邊坡穩(wěn)定；弱層力學(xué)試驗(yàn)表明，弱層巖體隨含水率的升高，巖體強(qiáng)度顯著弱化。

2）極限平衡分析計(jì)算得出，邊坡在含地下水工況下穩(wěn)定系數(shù)與無(wú)地下水工況相比明顯下降，地下水將對(duì)含弱層軟巖邊坡造成較嚴(yán)重的負(fù)面影響。

3）弱層在地下水侵蝕導(dǎo)致強(qiáng)度參數(shù)下降的條件下，整體邊坡的穩(wěn)定系數(shù)會(huì)隨之下降，弱層接近飽和狀態(tài)下邊坡失穩(wěn)可能性較大。