某露天石灰石礦土質(zhì)滑坡治理的分析與設(shè)計(jì)

李愛兵

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410012)

0 概況

常德某石灰石礦在礦山開采的過程中，從2015 年起在礦山露采坑上部的東南、西南、西北端邊坡體頂部的土體邊坡存在一定程度的垮塌，特別是在2016 年6-7 月，受強(qiáng)降雨的影響垮塌加劇，其中位于礦區(qū)西北的3#滑坡體，是當(dāng)時(shí)礦區(qū)內(nèi)滑坡長度與寬度最大的滑坡體?；w縱向最大長約49 m，橫向?qū)捈s180 m，滑體厚度3～25 m，滑坡垂直范圍為+35～+58 m，體積約 32×104m3，主滑方向23°，且坡面上有多股長流水滲出，部分滑坡土體呈軟塑-流塑狀，屬中型中層土質(zhì)滑坡（見圖1）?；w前臺(tái)階邊沿有明顯的開裂與滑坡下滑現(xiàn)象，滑坡體危及礦山的出入道路、排水水倉等重要的礦山工程，并對(duì)采場安全生產(chǎn)造成了一定的影響，需要對(duì)其進(jìn)行滑坡工程治理，消除其對(duì)礦山安全生產(chǎn)的威脅。

圖1 石灰石礦西北側(cè)3#土體滑坡（2017 年4 月）

滑坡區(qū)頂部表層多為農(nóng)田、耕植土，離3#滑坡體130～140 m 有一個(gè)農(nóng)用水塘。該滑體表層主要為第四系中更新統(tǒng)（Qp2），堆積物為紫紅色、磚紅色蠕蟲狀黏土（粉質(zhì)黏土），組成礦區(qū)崗丘地形，一般厚度10～20 m。上層為蠕蟲狀紅土及黏土（粉質(zhì)黏土），下層為湖相沉積層。根據(jù)注漿帷幕的鉆孔資料統(tǒng)計(jì)，該湖相沉積層厚度在20～22 m 左右。

該滑體的滑動(dòng)面位于蠕蟲狀紅土及黏土與湖相沉積層之中，再下部為中風(fēng)化灰?guī)r層。中風(fēng)化灰?guī)r層以灰色為主，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，局部溶蝕，節(jié)理裂隙較發(fā)育，方解石脈或泥質(zhì)充填；巖體較破碎，局部較完整，巖心多呈不完整短柱狀，其RQD為40。

1 滑坡主要的誘發(fā)影響因素及原因分析

（1）地質(zhì)因素。滑坡區(qū)域耕植土、蠕蟲狀紅土及黏土（粉質(zhì)黏土）等厚達(dá)10～25 m，滑動(dòng)面主要位于粉質(zhì)黏土與湖相沉積層之中，滑體主要為土體。土體邊坡巖土物理力學(xué)參數(shù)受雨水、耕植水與地下水影響，邊坡土體浸水飽和，土體強(qiáng)度大大降低，在滲透壓力和重力作用下，向邊坡下部溜坍，導(dǎo)致邊坡滑坡。

（2）降雨及地下水影響。經(jīng)現(xiàn)場踏勘分析，滑坡的發(fā)生絕大多數(shù)與強(qiáng)降雨有關(guān)，并與在本區(qū)坡頂?shù)母菜⑺了w、地下水有關(guān)。

（3）未進(jìn)行坡面防護(hù)。土體邊坡開挖后，對(duì)土體邊坡的表層未采用防護(hù)措施，坡體裸露，雨水的沖蝕及水溝滲漏，造成邊坡失穩(wěn)破壞。

（4）無排水溝。本區(qū)原設(shè)計(jì)有排水溝，受耕植（有水田、耕地）、多年未維護(hù)垮塌、封堵等因素的影響，排水溝未發(fā)揮其應(yīng)有的作用，致使地表水體灌入采場邊坡，影響到該土體邊坡的穩(wěn)定性。

（5）生產(chǎn)爆破。礦山頻繁的生產(chǎn)爆破對(duì)土體邊坡的穩(wěn)定性也有一定的影響。

3#滑坡屬土層牽引式滑坡，其形成機(jī)制為：滑坡前緣土體在自重、降雨及地下水的作用下，土體強(qiáng)度降低，坡體前緣開裂、下滑滑動(dòng)，為后方土體滑移提供臨空條件和滑移空間，牽引后緣滑體不斷向前滑移。經(jīng)多年的雨水及地下水的浸泡，土體飽水浸泡軟化，沿坡體軟弱層下滑，形成本次較大范圍的滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

2 滑坡穩(wěn)定性分析

2.1 分析剖面

采用RIEGL VZ 系列地面三維激光掃描系統(tǒng)。掃描確定了3#滑坡體滑動(dòng)現(xiàn)狀的地形線[1]，結(jié)合已有的地勘報(bào)告、滑坡區(qū)注漿帷幕孔確定的土層厚度、巖性出露界線、現(xiàn)狀平面圖等技術(shù)資料，沿3#滑坡體的滑動(dòng)方向分別切取了3個(gè)典型的分析剖面。

2.2 巖土力學(xué)參數(shù)

在現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查，室內(nèi)巖土體力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)、巖體力學(xué)參數(shù)確定、滑坡的反分析以及經(jīng)驗(yàn)分析值[2]的基礎(chǔ)上，選取滑坡體的巖（土）體力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 滑體邊坡的巖體力學(xué)參數(shù)

2.3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范[3]，該滑坡的防治工程級(jí)別為Ⅲ級(jí)，分析時(shí)考慮的載荷工況組合為：工況1，自重，取表1 的天然黏結(jié)力與天然內(nèi)摩擦角；工況2，自重+地下水（降雨），主要是土體取飽和強(qiáng)度，假定滑體全部飽和；工況3，自重+地震（校核工況）。

采用GEO5 巖土設(shè)計(jì)和分析軟件[4]的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析模塊，對(duì)3 個(gè)分析剖面邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行極限平衡分析，分析方法主要為簡化Bishop（畢曉普）法、Morgen-Prince（摩根斯坦—普賴斯）方法以及不平衡推力（隱式）方法。

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》[5]中對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)的規(guī)定，以及《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[6]中對(duì)該礦邊坡工程安全等級(jí)的規(guī)定，且考慮到礦山的生產(chǎn)服務(wù)年限，將滑坡體穩(wěn)定性劃分為4 級(jí)：穩(wěn)定系數(shù)Fs≥1.15 為穩(wěn)定，1.15＞Fs≥1.05 的基本穩(wěn)定，1.05＞Fs≥1.0 為欠穩(wěn)定，F(xiàn)s＜1.0 為不穩(wěn)定。

2.4 分析結(jié)果

現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定性分析結(jié)果為：

（1）3 個(gè)分析剖面在工況1 條件下，1-1 剖面安全系數(shù)最小，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，1-2，1-3 分析剖面的安全系數(shù)基本上能滿足對(duì)邊坡穩(wěn)定性的要求，邊坡是穩(wěn)定的；

（2）在工況2 下，3 個(gè)剖面的安全系數(shù)都不能滿足對(duì)邊坡穩(wěn)定性的要求，邊坡是不穩(wěn)定的，說明邊坡體的穩(wěn)定性受水的影響較大；

（3）在工況3 下，1-1 剖面安全系數(shù)最小，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，1-2，1-3 分析剖面的安全系數(shù)能滿足邊坡基本穩(wěn)定的要求，邊坡是基本穩(wěn)定的；

設(shè)計(jì)境界邊坡的穩(wěn)定性分析結(jié)果為：3 個(gè)分析剖面在設(shè)計(jì)邊坡狀態(tài)下，無論是在工況1、工況2還是工況3 條件下，剖面的安全系數(shù)都不能滿足邊坡穩(wěn)定性的要求，邊坡是不穩(wěn)定的。因此有必要進(jìn)行邊坡支護(hù)與加固處理或者對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

滑坡推力采用余推力法計(jì)算，由GEO5 巖土設(shè)計(jì)和分析軟件自行解算。分析剖面為邊坡穩(wěn)定性最差的1-1 剖面，其潛滑面根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及軟件搜索獲得，計(jì)算工況為：自重工況、自重+暴雨+地震的校核工況，計(jì)算得到達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需滑坡推力為256 kN/m（現(xiàn)狀邊坡）與832 kN/m（設(shè)計(jì)邊坡）。設(shè)計(jì)境界需要的滑坡推力較大，說明本區(qū)的邊坡境界也需調(diào)整。

3 滑坡體治理措施設(shè)計(jì)

土體層滑坡的工程治理方法有削坡減載、截水、疏水及采用抗滑樁或擋土墻加固等[2]。通過對(duì)該礦滑坡穩(wěn)定性的分析可知，水對(duì)邊坡的穩(wěn)定性起到主要的作用，治水是需采用的重要工程技術(shù)措施，再輔以對(duì)滑坡體的支擋措施及境界的調(diào)整等技術(shù)措施，以達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的。

3.1 支撐滲溝對(duì)水的疏導(dǎo)工程

支撐滲溝[7-8]主要用來支撐滑坡前緣潮濕土體兼引流排土體中的淺層滯水、地下水的作用，埋于坡體的支滲溝可有效攔截、疏干邊坡土體中的層間滲水，將滲水匯集于主滲溝，通過主滲溝排至臺(tái)階的邊溝，再排出邊坡體外；另一方面，溝身主要為砌片石結(jié)構(gòu)，砌體溝身在整個(gè)坡體中，主滲溝與支滲溝相連形成框架結(jié)構(gòu)，將坡體劃分為若干個(gè)小塊，各骨架分別承受一定范圍內(nèi)的土體重力，增強(qiáng)了自身穩(wěn)定性又可防止局部土體失穩(wěn)給周圍土體帶來影響。支撐滲溝既防止了坡面受沖刷又阻止了坡體滲水的集中，同時(shí)把坡體劃整為零，使土體充分被砌體所支撐，不易形成整體坍塌。

在3#滑坡體區(qū)域，通過計(jì)算分析[9]設(shè)計(jì)了縱向與橫向的支撐滲溝，滲溝斷面采用矩形?？v向的支撐滲溝作為主滲溝，按間距10 m 沿坡體的縱向布置，設(shè)計(jì)從滑坡體上段坡頂標(biāo)高+58 m 到下段+29 m，溝深2.5 m，溝寬2 m，共15 排。橫向的支撐滲溝作為邊坡支撐滲溝，沿3#滑坡體走向橫向布置，設(shè)計(jì)在+45 m 平臺(tái)位置布置1 排，溝深2.5 m，溝寬2.2 m。

橫向的支撐滲溝排水層采用篩選洗凈的卵石、碎石、礫石；縱向支撐滲溝排水層應(yīng)用干砌片石充填，用SNG 350-6 型反濾土工布包裹，排水層與滲水的溝壁之間需設(shè)置反濾層，反濾層采用砂礫石和砂夾卵礫石，各層厚0.15 m。滲溝基底置于邊坡潮濕帶以下較穩(wěn)定的土層內(nèi)，溝底設(shè)30 cm M7.5 漿砌片石流水面，四周用反濾土工布包裹，縱向支撐滲溝整體坡度與修整后的坡度一致。

3.2 格賓擋墻的支擋工程

對(duì)滑坡體的支擋，經(jīng)對(duì)比分析重力式抗滑擋墻和抗滑樁方案后，選用重力式擋土墻進(jìn)行支擋加固，并根據(jù)該礦的富水滑坡特點(diǎn)，選用格賓擋墻[10-12]對(duì)滑坡體進(jìn)行支擋，起到支擋、防止滑坡體滑動(dòng)與發(fā)展的作用。

格賓防護(hù)工程是一種將蜂巢形格賓網(wǎng)片組裝成箱籠，并裝入塊石等填充料后，用作護(hù)岸、護(hù)坡的新技術(shù)。由于構(gòu)成蜂巢格網(wǎng)防護(hù)體的鋼絲具有一定的抗拉強(qiáng)度，不易被拉斷，填充料之間又充滿了空隙，具有一定的適應(yīng)變形的能力。當(dāng)?shù)鼗闆r發(fā)生變化時(shí)，如發(fā)生不均勻沉降、地震等，箱內(nèi)填充料受箱籠的約束不會(huì)跑到箱籠外，而會(huì)自行調(diào)整形成新的平衡；又因箱籠為柔性結(jié)構(gòu)，防護(hù)工程表面可能會(huì)發(fā)生小的變異，但不會(huì)發(fā)生裂縫、網(wǎng)箱被拉斷，從而造成防護(hù)體被破壞的現(xiàn)象。在石籠內(nèi)填入適當(dāng)?shù)氖瘔K，石間筑土，還可在填石筑土?xí)r人工移植當(dāng)?shù)夭萜ぁ⒐嗄净蚯星o，并撒草籽，然后綁扎蓋網(wǎng)形成的石籠、石墊整體護(hù)面。格賓擋墻具有透水性、可植被性、經(jīng)濟(jì)性、施工方便、抗變形、整體性好等特點(diǎn)。

本次支擋設(shè)計(jì)布置上下2 排格賓擋墻。經(jīng)擋墻的穩(wěn)定性抗滑和抗傾覆等驗(yàn)算[3]，設(shè)計(jì)擋墻高度為2 m，墻頂寬1 m，墻底寬2 m。上排：+45～46 m，根據(jù)開挖出的湖湘沉積層的位置調(diào)整。下排：+29～+35 m，南側(cè)高，根據(jù)開挖出的中風(fēng)化灰?guī)r的位置調(diào)整。

設(shè)計(jì)的擋土墻均為換填式擋土墻，上排擋墻的換填深度大于1.0～1.5 m，換填材料為礦山塊石或毛石，下排擋墻無需換填。換填前將滑坡體所滑的土體，按1:1 坡度將其剝離，可與邊坡支撐滲溝的施工一起完成，換填深度可為支撐滲溝的深度。擋墻后用塊石或毛石回填，坡面坡度為1:1。

3.3 邊坡境界坡面結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整

針對(duì)滑坡體下部的湖湘沉積層，在原設(shè)計(jì)開采境界的基礎(chǔ)上削坡減載，優(yōu)化邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)。上段：在+45～+46 m 的格賓擋墻臺(tái)階留2 m 的平臺(tái)寬度，其以上的坡面維持現(xiàn)狀。下段：根據(jù)湖湘沉積層在邊坡體上的賦存標(biāo)高，對(duì)1-2，1-3 剖面的+46 m 標(biāo)高下設(shè)+40 m、+34 m、+29 m 3 個(gè)高為5～6 m 的小臺(tái)階，格賓擋墻置于+29 m。對(duì)1-1 剖面的+45 m 標(biāo)高下設(shè)+40 m、+33 m 2 個(gè)高為5～7 m 的小臺(tái)階，小臺(tái)階寬度都為2 m，坡面角為1:2.747（20°）。格賓擋墻布置在+29～+35 m 的水平，其平臺(tái)寬度設(shè)為4 m。

3.4 對(duì)滑坡體坡面的綠植生態(tài)護(hù)面

在滑坡體坡面上進(jìn)行植綠植復(fù)墾，撒播當(dāng)?shù)氐牟莘N，起穩(wěn)定坡面及降低水對(duì)坡面沖蝕的作用；護(hù)坡范圍為+29～+58 m。

3.5 坡頂與坡中部截水溝工程

在目前3#滑坡體的坡頂眉線外5 m 處以及坡中部+34 m 處修筑截水溝，對(duì)坡體表層及外圍的地下水進(jìn)行攔截，減少水對(duì)滑坡體邊坡穩(wěn)定性的影響。截水溝的尺寸為：120 cm×50 cm（寬度×深度），C20 混凝土或毛石混凝土筑砌，厚15 cm，碎石墊層10 cm。

本滑坡體治理工程的施工程序?yàn)檎隆潘疂B溝施工→格賓擋墻施工→生態(tài)護(hù)坡施工等。整體施工順序?yàn)椋簭幕麦w頂部到坡底部分段分臺(tái)階施工，施工區(qū)段高度一般控制在12 m。

治理后的3#滑坡區(qū)形貌見圖2。

圖2 3#滑坡治理后的形貌

4 治理效果

本治理工程2019 年完成后，兩年多的實(shí)際觀測表明：未發(fā)現(xiàn)滑坡有新的變形和位移，坡面未見濕潤土體與水出露，坡體內(nèi)排水暢通，坡面復(fù)墾綠植生長發(fā)育狀態(tài)好，邊坡穩(wěn)定性良好，說明該滑坡的治理措施和方法是正確和可行的，可為類似滑坡事故的治理提供借鑒。