某露天石灰石礦土質滑坡治理的分析與設計

李愛兵

(1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，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，受強降雨的影響垮塌加劇，其中位于礦區西北的3#滑坡體，是當時礦區內滑坡長度與寬度最大的滑坡體。滑體縱向最大長約49 m，橫向寬約180 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，屬中型中層土質滑坡（見圖1）。滑體前臺階邊沿有明顯的開裂與滑坡下滑現象，滑坡體危及礦山的出入道路、排水水倉等重要的礦山工程，并對采場安全生產造成了一定的影響，需要對其進行滑坡工程治理，消除其對礦山安全生產的威脅。

圖1 石灰石礦西北側3#土體滑坡（2017 年4 月）

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

該滑體的滑動面位于蠕蟲狀紅土及黏土與湖相沉積層之中，再下部為中風化灰巖層。中風化灰巖層以灰色為主，隱晶質結構，中厚層狀構造，局部溶蝕，節理裂隙較發育，方解石脈或泥質充填；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 滑坡主要的誘發影響因素及原因分析

（1）地質因素。滑坡區域耕植土、蠕蟲狀紅土及黏土（粉質黏土）等厚達10～25 m，滑動面主要位于粉質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參數受雨水、耕植水與地下水影響，邊坡土體浸水飽和，土體強度大大降低，在滲透壓力和重力作用下，向邊坡下部溜坍，導致邊坡滑坡。

（2）降雨及地下水影響。經現場踏勘分析，滑坡的發生絕大多數與強降雨有關，并與在本區坡頂的耕植水、水塘水體、地下水有關。

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

（4）無排水溝。本區原設計有排水溝，受耕植（有水田、耕地）、多年未維護垮塌、封堵等因素的影響，排水溝未發揮其應有的作用，致使地表水體灌入采場邊坡，影響到該土體邊坡的穩定性。

（5）生產爆破。礦山頻繁的生產爆破對土體邊坡的穩定性也有一定的影響。

3#滑坡屬土層牽引式滑坡，其形成機制為：滑坡前緣土體在自重、降雨及地下水的作用下，土體強度降低，坡體前緣開裂、下滑滑動，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災害。

2 滑坡穩定性分析

2.1 分析剖面

采用RIEGL VZ 系列地面三維激光掃描系統。掃描確定了3#滑坡體滑動現狀的地形線[1]，結合已有的地勘報告、滑坡區注漿帷幕孔確定的土層厚度、巖性出露界線、現狀平面圖等技術資料，沿3#滑坡體的滑動方向分別切取了3個典型的分析剖面。

2.2 巖土力學參數

在現場工程地質調查，室內巖土體力學參數試驗、巖體力學參數確定、滑坡的反分析以及經驗分析值[2]的基礎上，選取滑坡體的巖（土）體力學參數，見表1。

表1 滑體邊坡的巖體力學參數

2.3 邊坡穩定性計算

根據滑坡防治工程設計與施工技術規范[3]，該滑坡的防治工程級別為Ⅲ級，分析時考慮的載荷工況組合為：工況1，自重，取表1 的天然黏結力與天然內摩擦角；工況2，自重+地下水（降雨），主要是土體取飽和強度，假定滑體全部飽和；工況3，自重+地震（校核工況）。

采用GEO5 巖土設計和分析軟件[4]的土質邊坡穩定分析模塊，對3 個分析剖面邊坡的穩定性進行極限平衡分析，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《滑坡防治工程勘查規范》[5]中對滑坡進行穩定性分析評價的規定，以及《非煤露天礦邊坡工程技術規范》[6]中對該礦邊坡工程安全等級的規定，且考慮到礦山的生產服務年限，將滑坡體穩定性劃分為4 級：穩定系數Fs≥1.15 為穩定，1.15＞Fs≥1.05 的基本穩定，1.05＞Fs≥1.0 為欠穩定，Fs＜1.0 為不穩定。

2.4 分析結果

現狀邊坡的穩定性分析結果為：

（1）3 個分析剖面在工況1 條件下，1-1 剖面安全系數最小，處于欠穩定狀態，1-2，1-3 分析剖面的安全系數基本上能滿足對邊坡穩定性的要求，邊坡是穩定的；

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

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

設計境界邊坡的穩定性分析結果為：3 個分析剖面在設計邊坡狀態下，無論是在工況1、工況2還是工況3 條件下，剖面的安全系數都不能滿足邊坡穩定性的要求，邊坡是不穩定的。因此有必要進行邊坡支護與加固處理或者對邊坡結構參數進行優化調整。

滑坡推力采用余推力法計算，由GEO5 巖土設計和分析軟件自行解算。分析剖面為邊坡穩定性最差的1-1 剖面，其潛滑面根據現場調查及軟件搜索獲得，計算工況為：自重工況、自重+暴雨+地震的校核工況，計算得到達到穩定時所需滑坡推力為256 kN/m（現狀邊坡）與832 kN/m（設計邊坡）。設計境界需要的滑坡推力較大，說明本區的邊坡境界也需調整。

3 滑坡體治理措施設計

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]。通過對該礦滑坡穩定性的分析可知，水對邊坡的穩定性起到主要的作用，治水是需采用的重要工程技術措施，再輔以對滑坡體的支擋措施及境界的調整等技術措施，以達到穩定邊坡的目的。

3.1 支撐滲溝對水的疏導工程

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，通過主滲溝排至臺階的邊溝，再排出邊坡體外；另一方面，溝身主要為砌片石結構，砌體溝身在整個坡體中，主滲溝與支滲溝相連形成框架結構，將坡體劃分為若干個小塊，各骨架分別承受一定范圍內的土體重力，增強了自身穩定性又可防止局部土體失穩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#滑坡體區域，通過計算分析[9]設計了縱向與橫向的支撐滲溝，滲溝斷面采用矩形。縱向的支撐滲溝作為主滲溝，按間距10 m 沿坡體的縱向布置，設計從滑坡體上段坡頂標高+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，設計在+45 m 平臺位置布置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定的土層內，溝底設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

對滑坡體的支擋，經對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行支擋加固，并根據該礦的富水滑坡特點，選用格賓擋墻[10-12]對滑坡體進行支擋，起到支擋、防止滑坡體滑動與發展的作用。

格賓防護工程是一種將蜂巢形格賓網片組裝成箱籠，并裝入塊石等填充料后，用作護岸、護坡的新技術。由于構成蜂巢格網防護體的鋼絲具有一定的抗拉強度，不易被拉斷，填充料之間又充滿了空隙，具有一定的適應變形的能力。當地基情況發生變化時，如發生不均勻沉降、地震等，箱內填充料受箱籠的約束不會跑到箱籠外，而會自行調整形成新的平衡；又因箱籠為柔性結構，防護工程表面可能會發生小的變異，但不會發生裂縫、網箱被拉斷，從而造成防護體被破壞的現象。在石籠內填入適當的石塊，石間筑土，還可在填石筑土時人工移植當地草皮、灌木或切莖，并撒草籽，然后綁扎蓋網形成的石籠、石墊整體護面。格賓擋墻具有透水性、可植被性、經濟性、施工方便、抗變形、整體性好等特點。

本次支擋設計布置上下2 排格賓擋墻。經擋墻的穩定性抗滑和抗傾覆等驗算[3]，設計擋墻高度為2 m，墻頂寬1 m，墻底寬2 m。上排：+45～46 m，根據開挖出的湖湘沉積層的位置調整。下排：+29～+35 m，南側高，根據開挖出的中風化灰巖的位置調整。

設計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 邊坡境界坡面結構參數的調整

針對滑坡體下部的湖湘沉積層，在原設計開采境界的基礎上削坡減載，優化邊坡結構參數。上段：在+45～+46 m 的格賓擋墻臺階留2 m 的平臺寬度，其以上的坡面維持現狀。下段：根據湖湘沉積層在邊坡體上的賦存標高，對1-2，1-3 剖面的+46 m 標高下設+40 m、+34 m、+29 m 3 個高為5～6 m 的小臺階，格賓擋墻置于+29 m。對1-1 剖面的+45 m 標高下設+40 m、+33 m 2 個高為5～7 m 的小臺階，小臺階寬度都為2 m，坡面角為1:2.747（20°）。格賓擋墻布置在+29～+35 m 的水平，其平臺寬度設為4 m。

3.4 對滑坡體坡面的綠植生態護面

在滑坡體坡面上進行植綠植復墾，撒播當地的草種，起穩定坡面及降低水對坡面沖蝕的作用；護坡范圍為+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，對坡體表層及外圍的地下水進行攔截，減少水對滑坡體邊坡穩定性的影響。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為整坡→排水滲溝施工→格賓擋墻施工→生態護坡施工等。整體施工順序為：從滑坡體頂部到坡底部分段分臺階施工，施工區段高度一般控制在12 m。

治理后的3#滑坡區形貌見圖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，兩年多的實際觀測表明：未發現滑坡有新的變形和位移，坡面未見濕潤土體與水出露，坡體內排水暢通，坡面復墾綠植生長發育狀態好，邊坡穩定性良好，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。