伯方礦區黃土邊坡穩定性綜合分析

王 鵬

（山西蘭花集團伯方煤礦，山西 高平 048411）

伯方礦位于山西省高平市城區西北約7km處，區內地形復雜，基巖出露，溝谷發育，溝谷呈樹枝狀展布，局部為黃土覆蓋，黃土覆蓋較厚，懸崖陡壁發育。研究區內由于自然作用和工程活動主要形成三類黃土邊坡：即自然邊坡、人工切坡、排土場堆坡，三類邊坡上下均有生產活動，邊坡失穩曾造成巨大經濟損失，為防治黃土邊坡失穩造成的災害，亟需對其形成原因和失穩機制進行研究并指導生產活動。

1 地質背景

研究區位于太行山中南丹河段西側，為沁水煤田高平礦區王報井田的一部分。井田面積約27.5km2，為西北高東南低的低山丘陵區，主要為第四系沉積物，植被較少，黃土覆蓋較厚。井田內河流均為季節性河流，平時干涸無水，僅在雨季時有洪水流過。該區屬東亞溫帶大陸性氣候，年均氣溫10.2℃，年均降水量567.1mm，雨季多集中在7、8、9三個月，約占全年降水量的70%，年平均凍結天數 78.2d，一般出現在1～2月份前后，最大凍土深度54cm。煤礦采動對土地的破壞主要形式為不同長度、寬度和落差的裂縫，坡度較大的山地還可能出現塌陷，崩塌或滑坡。

2 邊坡概況

研究區東南低山丘陵區多為黃土覆蓋，塬、梁、峁、丘廣泛分布，常形成陡崖、殘柱、陷穴等微地貌，地形切割劇烈，黃土陡坎部位可見土體崩塌與裂縫現象，遇大洪水時，河谷內有輕度泥石流發生。井田內共有滑坡多處，面積小，形態不規則，多分布于溝谷兩側，滑坡屬于小型類型。由于地形坡度較大，地層傾角平緩，軟硬巖層呈互層狀。

根據工程地質調查，黃土邊坡地層自上而下依次由中上更新世黃土（Q3+Q2）組成，其野外特征及分布規律分述如下：（1）Q3黃土：為淡黃色粉土、粉砂土，厚0～20m，分布于邊坡頂部，垂直節理發育，坡面有零星植被，富含植物根莖及蟲孔，局部形成落水洞。（2）Q2黃土：為淺紅色亞粘土，厚0～55.00m，主要分布于邊坡中、低部。天然含水量6.6%～22.4%，飽和度46.2%～94.0%，孔隙少 0.648～1.041，壓縮系數 0.005～0.015，濕陷系數為0.109，自重濕陷系數0.017，濕陷量一般在240～60mm之間，具濕陷性，濕陷等級為Ⅰ級，垂直節理較發育。各層土的物理力學性質試驗結果見表1。

表1 數值計算所使用的土體主要力學參數

2.1 自然邊坡

在礦區東南有多處黃土自然邊坡，現取典型自然邊坡進行分析，坡結構圖見圖1。此邊坡位于由流水切割作用形成溝谷內，坡高30～50m，坡度70°～90°，局部形成反坡，長約300m，邊坡陡立，黃土垂直節理發育,坡頂開辟為農田，坡面除有零星植物外，總體裸露，表面常形成落水洞。所在溝谷平時干涸無水，無地表徑流，雨季為洪水排泄通道，據排水渠及水井觀察，溝內穩定水位深度在2～5m。地下水主要受大氣降水補給，局部受泉水補給，水位隨季節變化幅度較大。

圖1 1號邊坡結構圖

2.2 人工切坡

礦區人工開挖了大量的黃土邊坡，高度由3～55m不等，曾多次開挖黃土邊坡后失穩造成損失。現取典型2號邊坡進行分析，邊坡結構圖見圖2。此邊坡坡高 50～55m，坡度 50°～70°，長約 300m，坡頂有車輛通行，坡底有排水水溝，排水溝內常年有水流動，溝內穩定水位深度在2～5m。雨季時曾因陰雨天氣造成已建好的料石支擋工程坍塌，造成損毀廠房和設備。

圖2 2號邊坡結構圖

2.3 人工堆坡

礦區由于工程建設開挖并排棄大量的土方，在3號處形成了人工堆坡，坡高約21m，坡度25°～30°，長約50m，坡頂為車輛通行道，曾因邊坡失穩造成車輛側翻和人員受傷。

3 邊坡穩定計算與分析

3.1 模型建立

計算程序采用目前在巖土工程界較為成熟的FLCA2D數值分析軟件進行數值模擬。根據現場調研結果，分別建立模型。

（1）自然邊坡以1號邊坡體為模型，該模型邊界條件為長40m、高52m、坡度75°，地層從上到下有Q3黃土、S1古風化土壤、Q2黃土，分別厚約20m、0.5m、30m。

（2）人工切坡以2號邊坡體為模型，該模型邊界條件為長47m、高53m、坡度50°～70°，地層從上到下有Q3黃土、S1古風化土壤、Q2黃土，分別厚約22m、0.5m、30m。

（3）人工堆坡以3號邊坡體為模型，該模型邊界條件為長50m、高21m、坡度50°，為Q3+Q2混合黃土。

3.2 計算結果及分析

1號、2號及3號邊坡的穩定性主應力分布云圖分別見圖3、圖4及圖5，箭頭為速度-位移場變化，曲線為破壞變形區，底圖為xy平面內的最大主應力分布。

（1）1號自然邊坡計算結果顯示安全系數為0.85，為不穩定邊坡，在曲線標定的范圍內可能會出現塑性破壞區。因此，此類型的邊坡應及時采取處理措施，尤其在7～9月份，降水常以集中形式出現，而黃土具有垂直節理發育的特點，降水將會順著節理方向形成捷徑式的補給，當含水率增大時，其強度將會迅速降低，很容易出現邊坡的滑動。

圖3 1號自然邊坡主應力分布云圖

圖4 2號人工切坡主應力分布云圖

（2）2號人工切坡計算結果顯示安全系數為1.1，處于臨界狀態。2號邊坡因坡頂有脫硫設施等工程活動，坡底又有排水水溝，可能會侵蝕坡腳，誘發邊坡向不穩定狀態轉化。因此，需要對此邊坡采取加固措施，以增大其安全系數。

（3）3號人工堆坡計算結果顯示安全系數為0.6，局部不穩定。云圖顯示滑動面主要位于臨空面的坡頂，因此在邊坡邊緣進行工程活動時應采取措施。

圖5 3號人工堆坡主應力分布云圖

4 邊坡工程治理對策

（1）自然邊坡因其柱狀節理發育，下部經流水侵蝕形成反坡，在浸水或凍融后發生塑性變形，對上部黃土使去支撐力，往往沿柱狀節理發生倒塌。可采取人工消除危巖土體以防崩塌或片幫，必要時對坡體比較破碎、節理裂隙發育地段采用壓力注漿膠結破碎坡體。

（2）對于人工切坡的要求：① 高度小于10m的，坡度應小于70°，坡比1：1退臺放坡。② 高度大于10m小于40m，坡度不大于60°，除按照上述放坡原則外，在30m處退6m平臺。③ 高度大于40m的邊坡，坡度不大于50°，在40m處退10m平臺。采用漿砌塊石，配合錨桿加固，對于頂部穩定性較好的邊坡，可在表面掛網錨噴防護。當邊坡較高時，為減少土石方的開挖，在邊坡底部增設重力式擋土墻或其他形式的擋土墻。為提高黃土地基承載力，增加擋土墻高度，減少基礎被水浸濕，擋土墻基礎底部（埋在路肩以下部分）應該不小于該地區的最大凍土深度。

（3）對于排土堆坡，高度較小的邊坡，可將坡面削緩，并盡可能使得坡面與水平面的夾角小于原有的角度；對于較高的邊坡，可將邊坡分為若干小段，形成臺階狀，以減少滑動的可能性。修筑擋土墻，擋土墻應筑在穩定的地層上，避免出現擋土墻和滑動體一起下滑的現象；在滑體內打入或現場灌注防滑樁，并貫入穩定地層，以防止邊坡滑動。

（4）對于人工切坡和排土場堆坡應加強排水。① 在坡頂應修筑截水溝防止邊坡以外的水流入坡體、滲入坡體或對坡面進行沖刷。② 在坡體內應設置必要的排水設施，使水能盡快排出坡體，如設置排滲孔、排水盲溝及排水涵洞。③ 在坡腳設置坡底排水溝，要求排水溝具有良好的防滲性能，使其能夠攔截來自上方的地表水流。

5 治理效果的分析及結論

（1）高陡的自然邊坡已經處于不穩定狀態，在雨季很容易引起邊坡滑動，放緩邊坡是最簡便、經濟、安全可靠的方法。

（2）人工切坡雖然處于穩定狀態，但在進行人工切坡時，必須考慮邊坡及其支護結構在正常施工和正常使用時能承受可能出現的各種載荷作用，以及在偶然事件發生后能保持必須的整體穩定性。

（3）在人工堆坡坡頂邊緣進行工程活動必須注意采取安全防護措施，因為此類邊坡的滑動面具有隱蔽性的特點。實踐表明，此類邊坡是安全事故的多發地。