寨崖底煤礦高山水池黃土高邊坡失穩破壞模式與防治

劉文元,任 杰,朱清華,孫自強,焦 姍

(1.太原理工大學 礦業工程學院,太原 030024;2.中國冶金地質總局第三地質勘查院,太原 03002)

山西地處黃土高原地區,黃土型崩塌、滑坡等地質災害頻發,對人民的生命和財產產生了巨大的影響和威脅,研究黃土型地質災害特性和提出經濟有效的治理措施有重要意義[1]。

山西寨崖底發生的黃土高邊坡滑塌對坡頂的高位水池、坡腳的雷管庫和炸藥庫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和炸藥庫位于該邊坡的坡腳處。該邊坡于2016年發生自然滑塌,雖然沒有發生人員及財產安全損失,但對坡頂的高位水池、坡腳的雷管庫和炸藥庫以及邊坡下方的寨崖底洗煤廠的安全形成巨大的威脅。

2 工程地質條件

1) 地形地貌。屬晉西黃土高原區,地貌類型以侵蝕的黃土梁、黃土峁為主,其次為黃土溝谷地貌中的沖溝。區內地勢南高北低,地形切割強烈。

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

3) 地質構造。研究區地層總體上為一單斜構造,走向為北西-南東向,傾向南西,地層傾角平緩,一般為3°～7°,區內未發現有斷層及陷落柱等構造,構造簡單。

3 滑塌體的基本形態特征

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65°,見圖1。

圖1 高邊坡的形態特征Fig.1 Morphology of high slope

滑塌黃土高邊坡的下部地層為粉質粘土,上部地層為粉土。

通過野外調查發現,位于邊坡頂部的粉土層中,垂直節理較為發育,節理面寬度不等,多為1mm～30mm之間,見圖2、圖3。高邊坡受垂直節理面控制,已經發生多處黃土崩塌,崩塌體沿著坡面下滑導致滑塌災害。

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定狀態。同時,黃土又具有垂直節理裂隙,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,能夠保持穩定,處于穩定狀態或基本穩定狀態;在降雨條件下,雨水順著節理裂隙面入滲進入坡體內部,甚至達到潛在滑塌體根部,根部黃土的抗剪強度降低,抗剪力不足以抵抗剪切力,在根部發生拉裂錯斷式滑塌[2]。拉裂錯斷式滑塌的示意圖見圖4。

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

圖4 拉裂錯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計

結合高邊坡特性以及邊坡設計要求,邊坡治理采用削坡、錨桿(索)格構梁、加筋土擋墻和擋土壩進行加固,并且同時進行掛網噴錨、截排水和植物工程的設計方案,具體設計方案圖示見圖5。

圖5 滑塌高邊坡設計治理示意圖Fig.5 Control design for high slope slump

1)削坡:將邊坡開挖整平,單級坡率為1:0.5、1:1.5、1:2.0三種,坡高3.1 m～8.0 m不等,單級邊坡間設置平臺寬2.0 m～6.4 m,并且平臺橫坡上設置采用1%的自然傾斜角。

2)錨桿:錨桿設計孔徑均為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。錨索設計孔徑均為150 mm,錨索采用3根Φ15.2 mm鋼絞線,1860級無粘結鋼絞線,錨具用OVM15-6型。

3)格構梁:格構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)掛網噴錨:掛網噴錨布置在頂部高位水池四周坡面之上及頂部第一級坡面,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。噴漿護坡采用的砂漿強度不應低于M25,混凝土強度不應低于C20。砂應采用純凈的中粗砂,細度模數大于2.5,含土量不超過5%,含水率以4%～6%為宜。

5)截排水設計:水對邊坡穩定性的影響極大,因此截排水設計很有必要。因此在邊坡坡頂、平臺及邊坡兩側設置排水溝,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,平臺上則距單級邊坡坡底0.5 m處。材料選用C30混凝土。

6)攔擋壩:擋土壩內側為三合土(黃土:石灰:水泥,7:2:1)壓實土壩,外側采用漿砌石擋墻,采用M10漿砌石砌筑,設置于炸藥庫上部,利用自身壩體土體側壓力,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,內邊坡1:0.5,壩體頂寬2 m,底寬8 m,壩高6 m,基礎埋深2.5 m。攔擋壩壩體設泄水孔,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,上下左右交錯成梅花狀布置。每隔10 m設一道變形縫,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、穩定邊坡、控制水土流失、美化環境的作用。本次生物工程措施選擇的總體原則是以適應當地生長的苜蓿草為主,以迅速恢復植被。主要布置在坡底處,削坡坡面上。

6 結束語

本文在對山西寨崖底某黃土滑塌高邊坡進行調查的基礎上,結合工程地質條件和現場勘查結果分析了滑塌的成因機制,主要原因是由于降雨作用沿著黃土裂隙滲透,導致滑坡臨空面方向強度降低較快,最終蠕變變形累積形成滑塌,在此基礎上,根據滑坡穩定性設計要求,提出了合理有效的治理方案,為類似滑塌高邊坡的治理設計措施提供了依據和指導。

[1] 董震,巨玉文.山西黃土地質災害的特性及治理研究[J].科學技術與工程,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.