伊敏露天礦地下水對含弱層邊坡穩定性影響研究

馬 可

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 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用[1]。各地露天礦產能的不斷增加，開采深度不斷延伸，高陡邊坡出現的幾率越來越大、存在時間越來越長，邊坡失穩的可能性也會越大。而對于礦山廣泛存在的軟巖邊坡來說，由于邊坡變形失穩的過程、形成條件、誘發因素的復雜多樣性[2-4]，許多學者對此進行了研究。王建國等[5]探究了受控于軟弱結構面的邊坡的滑坡模式、計算方法以及強度指標的選取原則；張澤林等[6]以甘肅天水地區的泥巖及軟弱夾層為研究對象，得出了隨軟弱層厚度和傾角的增加，傾角在0°～60°范圍內，試樣的剪切強度逐漸降低；馬婧佳等[7]對扎哈淖爾露天礦含軟弱夾層邊坡穩定性進行了研究與形態優化；陳曉平[8]以一實際泥質軟巖高邊坡為分析對象，通過原狀土樣的室內試驗成果分析了該種土體的特殊力學特性，表明泥質軟巖邊坡的設計與分析必須考慮水的入滲和卸荷松弛所導致的土體強度的衰減；范軍富等[9]研究了地下水對靈泉露天礦邊坡穩定性影響；胡其志等[10]通過對順層巖質邊坡中地下水力作用進行分析，認為地下水力作用主要為沿結構面分布的裂隙水壓力和拖拽力，地下水作用下邊坡穩定系數的降低主要與靜水壓力有關，而滲透力的影響很小。由此可見，在露天礦中的軟弱夾層強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定性方面還缺乏認識。

1 影響邊坡穩定的因素分析

1.1 內在影響因素分析

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巖層傾角較大，而軟巖體形成的邊坡高度較低且巖層傾角較小，這表明巖性對邊坡的穩定性有著顯著的影響。地層是巖質邊坡組成的物質基礎。地層巖性是影響邊坡穩定的主要因素。而不同地層的巖性組合，使邊坡出現不同類型的變形和破壞特征。而軟巖是巖體中的薄弱帶，抗壓強度很小，因此，區分地質體中的軟硬巖是首要任務；其次，軟巖、軟弱層、斷層巖以及風化巖等是對邊坡穩定性往往起控制性作用的重要因素。

2）巖體結構。巖體的變形和破壞由巖體結構控制。巖體變形不僅是材料的變形，而且是結構的變形。巖體結構特性對邊坡穩定性的影響是占有極大位置的。影響邊坡穩定的巖體結構因素主要是結構面的組數和數量、結構面的傾角和傾向、結構面的連續性以及結構面的表面性質等。對較完整的巖體來說，可發生滑坡的多為受構造條件控制的塊裂斜坡或受軟弱層面控制的層狀結構斜坡。

3）地形地貌特征。地形地貌特征對邊坡穩定性影響一般是和巖體結構與巖體應力等聯系在一起的。高度越低，規模越小的邊坡，一般只產生小規模的表層破壞。而對于大型高陡邊坡而言，產生大規模的、深層滑坡的可能性就比較大。對當前的地形地貌特點進行深入研究，能夠了解己經破壞邊坡的變形破壞機制并推測邊坡未來發展演變的全程。

1.2 外在影響因素分析

1）水的作用。大量工程實例證實，水對邊坡失穩破壞起著不可估量的作用。有數據顯示，90%左右的滑坡在雨季發生，特別是暴雨或連續降雨期，這充分說明水是邊坡穩定性的重要影響因素。結構面性質、巖體性質等是邊坡穩定性的內部影響因素，而結構面與巖體性質又受到水的影響。水對邊坡影響主要以降雨、地表水、地下水形式作用于邊坡。而地下水對邊坡的影響主要表現在2 方面：①降低巖體強度，特別是巖體存在軟弱結構面時，水將通過裂隙并逐漸在巖體內產生滲流，從而使巖體抗剪強度急劇降低；②改變坡體的應力狀態，增加動、靜水壓力，地下水對巖土體產生物理、化學等作用，使邊坡巖體性質改變并使邊坡受力平衡狀態遭到破壞，進而影響邊坡的穩定性。

2）地震作用。大量地震災害的統計數據表示，地震是邊坡失穩發生滑坡的重要誘發因素。一般講，凡是地震頻繁、強度較大的地震區，尤其是在山區和丘陵地帶的邊坡往往表現出，滑坡分布廣、數量多和危害性大的特點。

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

2 水對弱層強度影響規律的試驗研究

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

試驗選擇利用四聯無極變速應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泥巖，開展不同含水率下的直剪試驗。每種巖樣在某一含水率下共開展3 組試驗，每組4 個試件，試驗后經分析確定抗剪強度參數取值。試樣尺寸與常規土工試驗標準試件相同。不同含水率下的試樣制備方法嚴格按照土工試驗有關標準進行。

伊敏露天礦軟質泥巖抗剪強度指標與含水率關系曲線如圖1，隨著含水率的增加，軟質泥巖的黏聚力C 和內摩擦角φ 均表現為下降的趨勢，而且下降幅度較大，和 對含水率的變化都比較敏感；同時，由圖可看出C 和φ 與含水率呈近線性相關關系。伊敏露天礦試樣試驗結果見表1。

表1 伊敏露天礦試樣試驗結果

圖1 伊敏露天礦軟質泥巖抗剪強度指標與含水率關系曲線圖

飽和含水率情況下內摩擦角比天然含水率情況下內摩擦角下降了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度下降幅度如此之大，分析其原因，伊敏露天礦軟質泥巖多屬于高液限黏性土，含親水性物質成分較高，遇水泥化崩解現象明顯，導致強度指標顯著弱化。

可見，若伊敏露天礦邊坡內部弱層在地下水長期影響下，會導致其抗剪強度大幅下降，很可能出現邊坡沿弱層的順層滑動，進而引發滑坡。

3 水對邊坡穩定影響規律的計算分析

在伊敏露天礦西端幫共計布置3 條勘探線，每條勘探線3 個工程地質鉆孔，最終形成3 條典型工程地質模型，即BX1、BX2、BX3。

在邊坡內部賦存豐富地下水的條件下，地下水會對邊坡巖土體產生靜水壓力或“浮托力”，邊坡后緣靜水壓力垂直指向接觸面，不利于邊坡的穩定，同時“浮托力”降低了巖體的抗滑力，進一步影響了邊坡穩定性；同時，地下水又起到了潤滑的作用，同樣惡化了邊坡的穩定性。可見，從力學角度邊坡富水不利于其穩定。

根據工程地質勘查工作，基本掌握了地下水的分布特征，依據地下水的水位測量繪制出現狀水位線，同時結合本次巖土試驗的"飽和抗剪參數"，分析西端幫邊坡BX1、BX2、BX3 的邊坡穩定性，進而分析確定地下水對邊坡穩定的敏感程度。運用GEOSLOPE 極限平衡軟件計算了有無地下水工況下的邊坡穩定性系數，計算結果如圖2～圖7。

圖2 西端幫BX1 模型無地下水時邊坡穩定性

結合以上計算結果，整理出各模型在有無地下水工況下的穩定性系數，各工況下邊坡穩定性計算結果見表2。

圖3 西端幫BX1 模型有地下水時邊坡穩定性

圖4 西端幫BX2 模型無地下水時邊坡穩定性

圖5 西端幫BX2 模型有地下水時邊坡穩定性

圖6 西端幫BX3 模型無地下水時邊坡穩定性

圖7 西端幫BX3 模型有地下水時邊坡穩定性

表2 各工況下邊坡穩定性計算結果

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

4 弱層強度參數對邊坡穩定影響分析

伊敏露天礦邊坡存在多層弱層，弱層的參數對邊坡穩定影響較為嚴重，以BX1 模型為例，計算分析弱層參數弱化情況下的邊坡穩定性，弱層參數及其對應的邊坡穩定系數匯總見表3。

表3 弱層參數及邊坡穩定系數匯總表

由表3 可見，隨著抗剪強度指標的下降，邊坡穩定性系數下降明顯，當抗剪強度指標降至近飽和狀態下巖體指標時，邊坡穩定性系數低于1.2，此時邊坡處于存在風險狀態。

5 結語

1）在影響邊坡穩定的各種因素中，地下水和弱層起到至關重要的作用，將嚴重影響邊坡穩定；弱層力學試驗表明，弱層巖體隨含水率的升高，巖體強度顯著弱化。

2）極限平衡分析計算得出，邊坡在含地下水工況下穩定系數與無地下水工況相比明顯下降，地下水將對含弱層軟巖邊坡造成較嚴重的負面影響。

3）弱層在地下水侵蝕導致強度參數下降的條件下，整體邊坡的穩定系數會隨之下降，弱層接近飽和狀態下邊坡失穩可能性較大。