竹山縣文峪河流域硫鐵礦區不穩定斜坡穩定性分析

湯江平，劉玉明，曹云健

（湖北省地質局第八地質大隊，湖北 襄陽 441000）

1 工程概況

湖北省竹山縣文峪河流域的圣母山硫鐵礦區地形地貌復雜多樣，環境地質條件復雜，不良地質作用及地質災害頻發。本文通過對礦區不良地質作用隱患的發育類型、特征進行分析，查明了災害形成機理及變形影響因素。在查明不穩定斜坡物質組成及物理力學性質參數的基礎上，采用反演分析法獲得抗剪強度黏聚力c、內摩擦角φ，作為飽和狀態廢石堆的抗剪強度指標；采用折線形滑面穩定性分析方法對穩定性較差的和變形明顯的坡體進行3 個工況下的穩定性分析，計算結果與實際情況基本吻合，為治理工程地質災害工程設計和實施提供了基礎地質數據。

2 勘查區地質環境條件

勘查區屬構造侵蝕中山區，屬秦嶺東延余脈的界嶺—武當山系，地貌單元為構造剝蝕地貌。勘查區地層時代主要有震旦系圣母山組亞組（Zs）、寒武系-志留系下統大貴組（Э-S1d)以及礦山廢石堆積物（Qml）。巖性可分為第四系松散巖類和變質巖類。

1）第四系松散巖類主要為廢石堆（Qml），土體結構松散，工程地質問題主要有不穩定斜坡、崩塌、滑坡。

2）變質巖類的巖性主要為含礦層的絹云片巖、炭質絹云片巖。片巖力學強度低，抗壓強度8～10 MPa，易產生水土流失，沿片理或層理面會發生小規模滑塌變形。

勘查區位于構造侵蝕中山區溝谷地帶，場區地下水類型主要為松散巖土孔隙水及變質巖類裂隙水。分別為賦存于上部①層廢石堆的上層滯水、②層含碎石粉質黏土中的孔隙潛水、③層絹云片巖中的變質巖類裂隙水。

區域人類活動主要為礦山開采，歷史人工粗放開采形成的多處礦洞、高陡邊坡及廢石堆堆積形成許多不穩定斜坡，廣泛分布于礦區。

本次勘查區位于竹林寺區域與大剝皮區域，總面積約1.14 km2。未治理區域為本次勘查工作的重點區域，包括竹林寺、大剝皮東北區、大剝皮東區廢石堆堆積區。現階段廢石堆廣泛分布于斜坡坡面及沖溝內，堆積坡角20°～45°，厚度在5～20 m 不等，在降雨及地表水條件下，易形成局部坍滑、礦洞涌水現象等地質災害。

3 地質災害基本特征

3.1 地質災害隱患類型

未治理的廢石堆堆積體形成的不穩定斜坡，其局部已發生溜滑，存在擴大繼續滑移風險，威脅擬建地下水防治工程。主要包括3 處不穩定斜坡，由松散碎石及含碎石黏性土組成，堆積坡角27°～45°。

3.2 不穩定斜坡基本特征

根據現場調查，大剝皮東區廢石因坡就勢堆積，坡度、坡向等形態各異，形成多處小斜坡。根據其分布特點，按照有獨立邊界且坡度大于20°的原則，大剝皮東區劃分出8 處不穩定斜坡，對其進行調查與評價。大剝皮東北區和竹林寺各有1 處不穩定斜坡。

3.3 災害形成機理分析及變形影響因素

區內人類礦山開采造成不穩定斜坡具有高陡地形的特點，礦山廢棄碎石、碎渣未經處理露天堆積，由于斜坡具有較好的匯水條件，土體遇水后自重增加，物理力學性質降低。現由于無防護工程，導致不穩定斜坡穩定性較差，坡體在降雨期間易發生小型塌滑及溜滑等變形。通過對災害體現狀調查及變形特征的綜合分析，災害變形影響因素主要有人類工程活動、地形地貌、地層巖性、降雨。

4 巖土物理力學性質

勘查采用原位測試、鉆探取樣及室內土工試驗、大重度試驗等方法，通過對各巖土層所測得的參數進行分層統計，獲取場區地層的物理力學性質指標。廢石堆以碎石角礫土為主，本次勘查對廢石堆堆積體形成的不穩定斜坡局部變形部分取小剖面進行反演分析，分別以未明顯、明顯受暴雨影響變形計算天然狀態及飽和狀態下廢石堆抗剪強度參數。根據不穩定斜坡目前整體處于基本穩定～穩定狀態，局部發現變形現象，可以認為現狀情況下局部出現裂縫變形反演穩定系數取Fs=1.01，暴雨情況下局部出現塌滑變形反演穩定系數取Fs=0.99，選取此時廢石堆對應的c、φ 值，作為飽和狀態廢石堆的抗剪強度指標。

5 穩定性分析評價

5.1 不穩定斜坡穩定性分析與評價

不穩定斜坡穩定性計算方法采用GB/T 32864—2016 《滑坡防治工程勘查規范》 中推薦的折線形滑面的穩定性計算方法進行計算[1]。

1）計算剖面選取與模型建立。本次工程設計采用實測代表性地層剖面進行單寬巖土體推力計算，根據各不穩定斜坡典型剖面搜索最危險滑面，計算不穩定斜坡穩定性，并以此建立計算模型，做剩余推力計算。如圖1、圖2 所示。

圖1 D1—D1′穩定性計算模型圖

圖2 D3—D3′穩定性計算模型圖

2）計算工況和荷載組合。（1）計算工況時根據不穩定斜坡變形現狀及區內水文地形等特點，擬采取下列工況組合：工況Ⅰ為自重+地下水；工況Ⅱ為自重+地下水＋暴雨（20 年一遇）；工況Ⅲ為自重+地下水＋地震（烈度7 度）[2]。（2）荷載組合地表荷載中基本荷載為坡體的自重。降雨載荷是廢石堆土層無固定地下水位線，含極少量上層滯水，降雨時，計算考慮地下水孔隙水壓力作用，暴雨按20 年一遇降雨量核算。降雨時地下水位線的確定是利用理正巖土軟件滲流問題有限元分析進行模擬，運用二維簡化模型。

3）模擬選用參數。廢石堆積體滲透系數為0.16 cm/s，孔隙率30.14%，基巖滲透系數為5.44×10-5cm/s，按隔水邊界考慮。降雨強度取20 年一遇最大降雨量94.1 mm/d，計算以集中降雨時間4 h 考慮，降雨量23.5 mm/h。其中，大剝皮東區8 處不穩定斜坡位于溝谷，降雨時兩側山坡雨水向溝中匯集。經測算得知，東區總匯水面積為0.197 km2，其中，廢石堆積分布面積0.028 km2，按最不利工況考慮，降雨全滲入廢石堆積體，兩側山坡雨水全部補給廢石堆，單位入滲量按0.165 3 m3/（m·h-1）計算，采用不穩定滲流分析，初始水位為基巖面，模擬得出各模型最高時段等水頭線，計算結果為：東區上段水位線與地形相關，水位線基巖以上0.5～2.0 m；東區下段水位線與地形相關，水位線基巖以上0.3～1.2 m。

5.2 計算參數的選取

區域內各災害點地質環境條件基本類似，本次計算參數選取主要參考勘查試驗數據成果，結合反演分析及工程經驗綜合確定。計算采用參數為各巖土層（包括強、中風化軟弱結構面）天然狀態及飽和狀態的重度、抗壓強度、凝聚力、內摩擦角。

5.3 不穩定斜坡穩定性計算結果及評價

5.3.1 不穩定斜坡穩定性計算結果

根據上述計算公式、計算剖面模型、參數，選取了2 段剖面，對不穩定斜坡在不同狀態條件下的穩定性進行了計算分析，各剖面計算值為自然坡面穩定系數值。計算結果見表1。

表1 不穩定斜坡穩定性計算結果

5.3.2 穩定性綜合評價

綜合分析結果，各不穩定斜坡在工況Ⅰ、工況Ⅱ、工況Ⅲ情況下，不穩定斜坡有塌滑、溜滑的可能；暴雨情況下可能發生塌滑、淺部滑移，裸漏廢石堆滾落。現場調查不穩定斜坡現狀出現小范圍變形跡象，有小規模塌滑的可能；暴雨情況下陡峭處易發生塌滑，裸漏廢石堆易被沖蝕；不穩定斜坡穩定性計算結果（見圖3、圖4）與實際情況基本吻合。

圖3 東區1 號不穩定斜坡（工況Ⅰ）穩定性計算成果圖

圖4 東區1 號不穩定斜坡（工況Ⅱ）穩定性計算成果圖

6 結語

地質災害防治工程應主要考慮地災隱患穩定性和災害發生對綜合防治工程安全的危害程度，結合環境影響因素和經濟效益，選擇合理的工程設計方案對不穩定斜坡進行綜合有效的治理。本工程參數選取和穩定性分析方法為類似環境地質條件下礦區地質災害勘查和工程治理提供了借鑒。