龍門礦區尾礦高邊坡穩定性預測與評價

周志超，李向全，劉玲霞，侯新偉，聞曉慧，李杰彪

(1.核工業北京地質研究院，北京 100029；2.中國地質科學院水文地質環境地質研究所，河北 石家莊 050061；3.中鐵資源地質勘查有限公司,北京 100039)

隨著大規模的礦山開采與大型工程建設項目的不斷增加，尾礦及棄渣等堆積形成的高邊坡分布與規模越來越大，受震動和暴雨等外動力條件侵蝕時，就容易形成滑塌等地質災害，給生命財產造成重大損失，進而嚴重影響到人們的生活、工程建設及能源的合理開發利用。近年來，許多專家學者對邊坡的成災機理及其防治做了大量的研究工作[1-4]，謝學斌等對礦山散體堆積物料的力學性質進行了探討研究[5]。胡瑞林、胡世起、劉衡秋等對堆積體及高邊坡穩定性機制做了深入研究[6-7]，王光進、楊春和等研究了超高排土場的粒徑分級及邊坡穩定性[8]，胡卸文等對松散堆積體邊坡坍岸寬度進行了預測[9]，劉玲霞、李向全等對滑坡碎屑流發生機制進行了試驗研究[10]。

這些研究主要集中在巖土高邊坡及古滑坡堆積體的形成機制、穩定性評價及工程防護研究等方面，當前對尾礦高邊坡的研究相對較少，本文研究對象為石灰石礦露天開采的土石混排尾礦高邊坡，位于山西河津龍門礦區采礦場東南角的塔底溝排土場，排土場的下游是居民區、廠礦和鐵路，一旦排土場發生滑坡災害，不僅會影響到該礦的正常生產，而且會危及到下游的鐵路和居民。因此，該排土場高邊坡的穩定性與評價對廠礦的正常生產和可持續發展以及居民的生命財產安全具有重要的作用。且近年來相繼出現坡體變形、開裂等失穩現象，急需對該礦山排土場邊坡進行穩定性分析，預測邊坡發展趨勢，從而為防災減災提供現實依據。

1 研究區概況

1.1 地形地貌

由于長期受到尾礦排棄的影響，散體堆積物覆蓋了原地形，坡面與地形坡面同向，坡度接近30°，局部地段甚至達48°。上部排土場尾礦堆積體的自然安息角約在35～40°，由于黃土排放較多，在土的粘性作用下，呈現凸形坡面，一段時期后固結并暫時穩定。區內出露巖性為奧陶系第六段灰巖，局部地段為陡崖，無草叢灌木。排土場溝谷坡度陡，地形高差大，面積較大。區內多條溝谷，容易形成匯水。

1.2 地層巖性

研究區出露地層簡單，主要為中奧陶系上部灰巖、尾礦散體堆積物和第四系松散堆積物。

1.2.1 奧陶系灰巖

奧陶系灰巖出露的主要有六段和七段的灰巖層，深灰、淺灰、灰褐色的白云質灰巖，夾薄層純灰巖，厚度大，致密塊狀，性脆、堅硬，沿裂隙充填有方解石巖脈，力學強度高，較穩定。主要出露于山脊與排土場溝谷兩側，厚層狀灰巖夾頁巖、砂礫巖等薄層，巖層傾角大，溝口處更具代表性。

1.2.2 尾礦堆積體

尾礦介質分布呈層狀分布，表層主要為松散土層；下伏為尾礦渣，粒度分布不均，以細碎屑礦渣為主，混雜土質成分。碎屑主要為礦物碎屑，少量巖屑，屬細粒結構和微粒結構。碎屑形狀以次棱角狀結構為主，其次是棱角狀結構和圓形粒狀結構，經常可見某些礦物的自形晶體結構。肉眼觀察，尾礦一般呈褐黃色。隨礦物成分變化可呈現灰白、褐灰、深灰色等多種顏色。從外觀看，為自然靜水條件下的機械沉積物，其突出特征是清晰的水平層理，呈水平層狀-似層狀產出，其礦物成分承襲原巖的一些基本特征。呈現出一定的空間結構特征，上部主要分布的為粒徑>5mm的碎屑尾礦，其表層有1～1.5m的松散土，墊層主要為粒徑較大的塊石。尾礦碎屑顆粒以中粗顆粒為主，高程720～770m范圍溝谷主要以大塊石為主，直徑0.3～1.6m，巖性以灰白色灰巖為主。

該排土場具有臺階高度大，堆體內外的物質組分基本相同，卵圓形和棱形碎石、塊石及黃土混排，尾礦介質具有孔隙度大，降雨易入滲，容易形成滯留，不利于礦渣排土場的穩定性。

1.2.3 第四系松散堆積物

研究區第四系松散堆積物多分布于山前緩坡地帶，在巖石出露和黃土間多為坡積物，主要是坡積、殘積、洪積的松散堆積層，以粘性土、含碎石粘性土、碎石、漂塊石和卵礫土為主。巖性混雜，分選差，結構松散，呈散體結構，厚度變化大，沖溝附近較薄。

1.3 地質構造

研究區位于呂梁山的南部尾翼，南面為山前溝壑，平地陡起，地形切割嚴重，海拔高差大于400m，西面為黃河峽谷；山上地形較平緩，南高北低，東高西低。所處的大地構造單元為祁-呂-賀蘭“山”字型構造體系前弧東翼。其構造特點受區域性構造控制，構造線方向為NE30～40°從礦區南部穿過的羅云-龍祠大斷裂，長達160km，破碎帶寬800～1000 m，礦區內斷裂構造較發育。研究區位于7°區劃范圍，對震害不可低估，區域內有發生較大地震(破壞性地震)的可能性，防災的重點是尾礦排土場。

1.4 氣象水文

研究區位于黃河東岸中高山地段，為山陜高原，屬溫帶大陸性氣候，全年平均氣溫13.5℃左右，年蒸發量平均為1554.73mm ，年日照時數2276.2h，無霜期一般為200天左右。自1998～2009年12年間，該區最大日降水量高達101.41mm；降水主要集中在7～9月。

研究區內石灰巖層系含水層，屬基巖裂隙水和巖溶水。其形成條件主要受地貌、地質構造及水文氣象等因素綜合控制，石灰石礦層中的頁巖層透水性弱，地表水經砂巖滲透聚集于頁巖層中，沿石灰巖構造節理和裂縫滲流補給地下水，受季節影響，干旱季節長，僅在雨季水量較大。

2 尾礦高邊坡穩定性分析

2.1 計算模型

2.1.1 邊坡滲流場的數學模型

各向異性尾礦介質的飽和-非飽和滲流微分方程見式(1)[11-12]。

(1)

式中：h為壓力水頭；kr(h)為相對滲透系數，且0≤kr(h)≤1；kij為飽和滲透系數；Ss為單位貯水系數(對非飽和體，Ss=0，對飽和體Ss為常數)；C(h)為容水度，且；C(h)=dθ/dh，θ為體積含水率；β為特征系數(非飽和區為0，飽和區為1)；t為時間；Q為源匯項。

式(1)的定解條件為

(2)

式中：ni(i=1,2,3)為方向余弦；Г1為水頭邊界；Г2為流量邊界；Г3為飽和溢出邊界；Г4為非飽和溢出邊界；qn為邊界法向流量，向外為正,i(t)為入滲率。

2.1.2 邊坡穩定性分析模型

邊坡地下水水位線以上的孔隙水壓力為負值，而負孔隙水壓力又影響到基質吸力的大小，從而影響到邊坡的穩定性。為了考慮基質吸力對抗剪強度及邊坡的安全系數的影響，加拿大學者Fredlund修正了Mohr-Coulomb 準則，提出了剪應力τ和抗剪強度τf的計算公式[13]。

τf=c′+(σn-ua)tanφ′+(ua-uW)tanφb

(3)

(4)

(5)

式中：c′為有效凝聚力；(σn-ua)為破壞面上的凈法向應力；ua為破壞面上的孔隙氣壓力；φ′為與靜法向應力狀態變量(σn-ua)有關的內摩擦角；(ua-uW)為破壞時在破壞面上的基質吸力；φb是強度隨基質吸力而增加的速率，稱之為吸力內摩擦角；α為坡面外法線與水平面的夾角；σ為坡面處凈應力。

根據極限平衡理論，可得到邊坡安全系數的計算公式(式(6))[14]。

(6)

自然狀態下用條分法進行分析時，根據力平衡可以得出邊坡安全系數計算公式(7)[15]。

(7)

式中：β為條塊基底長度；α為條塊底邊切線與水平方向的夾角；N條塊底邊受到的總的法向力；kW 為條塊形心上受到的水平地震荷載；D為外加線荷載，為線荷載與水平方向的夾角；A為外部施與的水壓力。

2.2 計算參數

以尾礦高邊坡為研究對象，采用連續介質模型對邊坡進行宏觀的滲流計算，計算參數據室內土工試驗、經驗參數和野外取樣成果確定(表1)。

表1 物理力學參數

尾礦高邊坡的的滲流分析所需的滲透函數采用采用Fredlund和Xing法進行估算，分別取剖面上典型地段的尾礦樣品及黃土樣品做顆粒級配分析，結合飽和滲透系數可得其滲透函數，其結果見圖1、圖2。

2.3 計算剖面

通過野外地質災害調查，發現該高邊坡具有分段滑動的特點。排土場上部和下部的滑坡后壁清晰，無植被發育，滑坡體后緣可見2～34cm寬的拉張裂縫，裂縫深度2～80cm不等，呈平行狀或垂向相交分布，裂隙間距0.5～1.0 m，這些拉張、下錯裂縫為蠕滑-拉裂破壞作用所致。鑒于該高邊坡具有分段滑動特性，因此選擇尾礦排土場的上部和下部兩個典型剖面分別進行計算分析(圖3)。

2.4 有限元數值模擬結果分析

在天然狀態下，對選取的典型滑動面進行計算分析，載荷主要考慮巖土自重。排土場上部邊坡經有限元分析軟件SLOPE/W計算其穩定性系數為1.201，排土場下部剖面穩定系數為1.36，可見其天然狀態下的穩定性相對較好。

據氣象資料自1998～2009年12年間，該區最大日降水量高達101.41mm，因此分析強降雨條件時，取日降雨量100mm作為邊界入滲條件，經有限元軟件SEEP/W滲流數值計算，將滲流場與孔隙水壓數據導入SLOPE/W中作邊坡穩定性分析，經計算得出尾礦排土場上部滑坡體穩定系數為1.07，處于臨界滑動狀態，最危險滑動面位于中下部(圖4)，高程740～800m，厚達20余m，潛在危險滑面主要集中在中部和上部區段。

下部排土場穩定系數為0.97，處于失穩滑動狀態，最危險滑面位于高程580～670m，厚達30余m，滑動深度及范圍相對較大(圖4)。

3 尾礦高邊坡地質災害防治

通過高邊坡穩定性分析可知，該尾礦排土場上部和下部滑坡如不及時處理，雨季強降雨條件下易產生滑坡甚至誘發泥石流災害，危及排土場下方的廠礦、居民區和鐵路的安全。

3.1 災害治理

排土場的穩定性可采用多臺階模式，在相鄰臺階之間設置安全平臺，這樣就可以使排土場總體坡度小于其自然安息角，從而提高其穩定性。

鑒于該尾礦排土場的基底為巖體力學性質較穩定的灰巖，因此，采用基底穩定條件下的極限高度[16]。

(8)

式中:C為基底巖土的內聚力(Pa)；φ為基底巖土的內摩擦角(°)；γ為排土場堆積散體的單位體積質量(t/m3)；H為第一臺階極限高度(m)；λ為穩定性參數，無量綱，根據試驗資料和經驗選取，0<λ<1。一般λ與F/tanφ成函數關系(F為邊坡穩定系數)，當F/tanφ由1增到5時，則由0增到1，兩者成正比關系。

圖1 黃土顆粒級配及其滲透函數

圖2 尾礦顆粒級配及其滲透函數

圖3 計算剖面

圖4 基于極限平衡理論計算的滑動面

經穩定性分析計算滑面在尾礦堆體內，由(8)式計算可得極限高度為20.3m，因此該排土場可采用20.3m高度間距的多臺階排土方式，并設置相應寬度的安全平臺，清理尾礦棄渣。

3.2 水害防治與防災監測

地表水的入滲和地下水的活動往往是導致邊坡滑塌的關鍵誘因，地下水的活動會嚴重影響尾礦排土場邊坡的穩定狀態。在邊坡周界設置排水溝，將滑坡區外坡體上的降水和地下水露頭通過人工排水溝排出，減少對滑坡區穩定性的影響；同時對坡體內地下水露頭區設置排水管，將地下水引出。此外還需對滑坡裂縫區和上部采用防滲措施，降低降雨入滲量，從而減少降雨入滲對邊坡穩定性的影響。

在防治工程施工完成之前，設置觀測網絡，監測滑坡體及周邊地段的地表變形情況，隨時了解變形動態，識別變形異常，做好實時預警，為地質災害防治提供技術支持。

4 結論

1) 龍門礦區尾礦排土場高邊坡堆積坡度大，且為巖土混排結構，尾礦介質物理力學性質差，不利于邊坡穩定；同時距活動斷裂帶近，且降雨量集中，這些因素都不利于邊坡穩定性，容易在外動力條件下誘發滑坡災害。

2) 選取典型剖面進行穩定性分析，得出天然狀態下，排土場上部剖面穩定性系數為1.201，排土場下部剖面穩定系數為1.36，其邊坡處于穩定狀態；強降雨條件下，結合流場與孔隙水壓力計算，排土場上部剖面穩定系數為1.07，排土場下部剖面穩定系數為0.97，其邊坡處于臨滑失穩狀態。

3) 龍門礦區尾礦高邊坡地質災害防治可采用20.3m高度間距的多臺階排土方式，并設置相應寬度的安全平臺，清理尾礦棄渣，以達到安全穩定狀態。同時需輔以地表水和地下水排水防滲措施，加強地質災害預警監測，做好減災防災工作。

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