慈林山煤矿边坡稳定性分析

郭军峰

(山西潞安集团慈林山煤业有限公司，山西 长治 046605)

0 引言

边坡是自然或人工形成的斜坡，是工程建设中最常见的工程形式。边坡工程的稳定性分析一直是工程界和学术界极为关注的研究课题，而边坡稳定性分析与评价是边坡工程的核心问题。边坡稳定工程涉及到水利水电工程、铁道工程、公路工程、矿山工程等诸多工程领域，能否正确评价边坡稳定性则是此类工程成败的关键，也是确保工程安全和降低建设费用的重要环节。随着我国经济建设的发展，越来越多的工程会涉及到大量的边坡问题。许多学者对此作了大量研究[1-4]，徐邦栋[1]等对滑坡分析与防治做了详细的解析，祝玉学[3]等边对坡可靠性分析做了大量研究，张茂省[4]等对黄土滑坡诱发因素及其形成机理进行了深入探索。

长子县慈林山煤矿有地质灾害(采空区、地面塌陷、不稳定斜坡等)、含水层破坏、地形地貌景观的破坏等地质环境问题。边坡威胁矿区道路、过往车辆和行人、村民人身及房屋财产和耕地安全。综上，对慈林山煤矿边坡进行稳定性分析具有尤为重要的现实意义。

1 地形地貌及气象水文

1.1 地形地貌

勘察区所在的慈林山煤矿一带，由北部慈林山经南岭到南部鲍寨山顶形成一条起伏脊线，分别向东西两侧逐渐降低，地面标高由南部的1 208.8 m(鲍寨山顶)逐渐降为北部的960 m(东田良村)。在标高1 060 m以上绝大部分为基岩出露的陡坡，标高1 060 m以下的沟谷中有黄土沉积覆盖物，形成黄土冲沟。慈林山井田地貌单元划为黄土陡崖冲沟，河漫滩低地和低山侵蚀3种。地形最高点位于矿区南部鲍寨山顶，海拔高程为1 208.8 m，最低点位于勘察区西部西马户村西部，海拔高程979.2 m，最大相对高差为229.6 m。总体地势表现为南部高，北部低，区内基岩出露良好，植被较发育。地形起伏较大，地形坡度一般为20°～35°，相对高差大，地面倾向与岩层倾向多为斜交，地形地貌复杂。区内沟谷纵横，地形切割较深，风化剥蚀较为强烈，在沟谷切割较深地段，可见崩塌下来的黄土等形成的崩积物。勘察区所在区域地面海拔标高974.00～1 016.00 m，最大相对高差为约42.00 m。地形地貌为低山丘陵区，总体地势为北高南低、东高西低。边坡坡体岩性为二叠系上石盒子组泥岩，其间夹杂薄层的砂岩，坡体表层岩体风化破碎。

1.2 气象水文

本区具大陆性气候特征。夏季午间较热，早晚凉爽，昼夜温差较大。春、冬季多风，雨量小，气候干燥。据山西长治市长子县气象局1981—2015年资料统计，矿区年平均温度最高为1982年的10.3 ℃，最低为1984年9.3 ℃，年平均9.8 ℃，日最高温度37.2 ℃(1980年5月29日)，最低温度为-19.8 ℃(1982年12月)。年最大降水量897.9 mm(2003年)，最小降水量349.9 mm(1965年)，雨季多集中在七、八、九3个月，月最大降水量265.8 mm(1988年7月)，日最大降水量为134.7 mm(2001年7月26日)，1 h最大降水量40 mm(2004年5月11日)，10 min最大降水量31.5 mm(1991年7月17日)。年最大蒸发量为1986年的2 002.9 mm，最小为1984年1 230.6 mm，平均为1 406.5 mm。年最多风向为西北风，最大风速为14～16 m/s。每年10月至次年4月为结冰期，冻土深度一般为0.60 m，最大冻土厚度为0.68 m。

矿区内地表河流主要为矿区南部的鲍寨河，位于浊漳河南源淘清河上游，经鲍寨村向东流，在色头转为北东向流出矿区，河水流量0～8.960 L/s，雨季时最高洪水位高出河床2 m左右，向东流出矿区后在长子县境内汇入陶清河。

矿区范围内有两条较大的沟谷：一条近南北向展布，为董家沟村所在的沟谷N1；另一条西北—东南向展布，为东、西马户村所在的沟谷N2，N1、N2两个沟谷在风井场地西北交汇在一起。较小的沟谷位于主副井工业场地东北约500 m处，为矸石沟。

矿区内沟谷基本上属大小不一的基岩或黄土冲沟，旱季一般无水，仅在局部有小股流水，雨季在少数冲沟之中有小溪流淌。沟谷多数呈“V”字型。

2 滑坡特征

2.1 滑坡规模、形态特征

XP1边坡位于工业场地至新排矸场地的道路两侧，该边坡微地貌为陡坡，坡面形态微凸，坡顶为一平台，边坡下部为耕地，东部坡体长约150 m，宽约10 m，高约10～20 m，坡度约为60°，坡向为260°，边坡体北部以小水渠为界，南部以慈林山煤业有限公司的洗煤管道为界，东部以道路为界，西部以坡上平台房屋为界。西部坡体坡长约100 m，宽约8 m，高约5～10 m，坡度约60°，坡向约70°，边坡体北部以道路为界，南部以慈林山煤业有限公司的洗煤管道为界，东部以煤矿居民区为界，西部以道路为界。本次勘察的工程地质平面图、工程地质剖面图如图1、图2所示。

图1 XP1边坡工程地质平面图

图2 XP1边坡2-2′工程地质剖面图

李家沟移民新村XP2边坡，该坡体原为滑坡，微地貌为陡坡，坡面形态微凸，坡顶为耕地，边坡下部为李家沟移民新村；现存为后经削方遗留的边坡，在降雨下重新发生滑动变形破坏。边坡的范围为南至南部边坡，北至道路，东至边坡上部田地，西至坡角。该边坡南部高、北部低，边坡长度约为150 m，高度约为10～20 m，坡向为260°，坡度约60°。

2.2 岩土体结构

XP1边坡坡体表面部分被第四系上更新统(Q3)黄土覆盖。岩层产状：走向140°，倾向230°，倾角33°；上部岩性为二叠系上石盒子组黄色铝质砂质泥岩，夹薄层浅黄色粉砂、细砂岩，岩石表面风化较大；中部岩性为黄色厚层铝质泥岩和细砂岩，风化程度较大；下部岩性为厚层杂色泥岩，较破碎。整个坡体表面岩块松散破碎。东部边坡岩层与坡向的关系属于顺坡顺层；西部边坡属反坡逆层。

XP2边坡坡体上部黄土层岩性为第四系中更新统粉质粘土，浅黄色，坚硬状态，含云母、氧化铁、氧化铝等，稍有光泽，无摇震反应，干强度及韧性高，具低压缩性。厚度约为4 m，属非湿陷性黄土。二叠系下石盒子组泥岩砂岩互层，岩层产状：倾向280°，倾角10°～20°。上部岩性为黄色泥岩、灰色砂质泥岩，中部岩性为黄色中-细砂岩与泥岩互层，下部岩性为厚层砂岩。岩层风化程度较大，裂隙发育，部分坡体有碎屑岩块崩落，向坡脚滑动的迹象。

2.3 滑坡变形特征

XP1边坡体整体无变形，变形主要表现在东部坡体局部，西部坡体基本无变形，变形表现形式主要为表土层滑移及少量岩块崩滑，岩块崩滑形式为切层，崩滑体整体垂直落距约2.5 m，坡度约55°，崩滑体厚度约2.5 m，长度约30 m，高约15 m，崩滑体坡面坡向与边坡坡向一致，约260°，估算崩滑方量约800～1 000 m3。

XP2边坡体发生局部少量崩滑，目前整体处于基本稳定状态，崩滑滑面为圆弧形态，崩滑体整体垂直落距约2.5 m，坡角约60°，崩塌体厚度约2.5 m，长度约100 m，高约10～20 m，崩塌体坡面坡向与边坡坡向一致，约260°。

3 滑坡成因分析

XP1边坡的崩滑区地形为一倾向西的边坡，坡角约60°，高度约10～20 m，坡角为道路排水沟，南、北部均为裸露岩层。岩性为二叠系上石盒子组破碎泥岩，夹薄层砂岩，坡体表面岩块松散破碎。边坡体内无地下水，外部无地下水渗出，地表水主要为大气降水，治理区内构造简单。但是该边坡是由于修建道路开挖形成，因此原始坡体较为稳定，却因修路挖方使坡脚减压，造成边坡局部崩滑。

XP2边坡的崩滑区地形为一倾向西的边坡，坡角约60°，高差约10～20 m，厚度约20 m，崩滑体的西部为移民新区。该处边坡岩性均为第四纪中更新统粉质粘土。目前没有发现有地下水渗出，地表水为大气降水，地质构造简单。该处边坡东、南、北部均为田地，原始坡体较为稳定，由于修路挖方使坡脚减压，在大气降水的影响下造成边坡局部崩滑。

4 边坡稳定性分析

4.1 XP1边坡稳定性分析

对XP1边坡采用简化Bishop法计算边坡的安全系数，公式如下

式中：K—稳定系数；b—单个土条的宽度；W—条块重力；θ—条块的重力线与通过此条块底面中点半径之间的夹角；c、φ—土的抗剪强度指标。

对XP1边坡现场调查、测绘表明，边坡体局部已发生崩滑，局部属于欠稳定状态。由于修路挖方形成的临空面，引起边坡体滑动，在强降雨及其它条件下可能会发生坡体下滑。由于治理区内无地下水，故不考虑地下水作用。XP1边坡下部目前未发现采空区，故不考虑采空区对边坡的影响。如若将来在该区域下部进行采煤活动，应预留保安煤柱，以保证该边坡安全性不受采煤活动影响。治理区所在区域地震烈度为Ⅵ度，不考虑地震作用。本次勘察在XP1边坡所采样品试验结果见表1。对于XP1边坡考虑工况1(天然工况)、工况2(暴雨工况)进行整体稳定性进行定量计算。

表1 XP1边坡试验参数统计表

将相关岩体参数代入公式，得天然工况下的安全系数为1.375，暴雨工况下的安全系数为1.073，XP1边坡目前整体处于稳定状态。

依据现场调查，XP1边坡现状条件下对矿区公路路面、过往车辆和行人及矿区周围居民的安全造成威胁；边坡坡面部分崩滑，崩滑距约2.5 m，威胁过往车辆和行人的安全。由于边坡体目前出现部分崩滑，整体处于稳定状态，但遭遇强降雨、地震及其它条件下可能会发生边坡体下滑，对边坡下方矿区周围村庄村民房屋、生命财产和矿区公路造成威胁。根据边坡稳定性分析结果，结合威胁对象、危害程度和险情等级，有效地防止和减少边坡造成的灾害损失，建议采取以下防治措施：①建议对治理区XP1的道路东部一侧进行坡体松散碎石清理，在坡脚修筑挡土墙，坡面用素喷混凝土进行防护，坡后缘及坡四周设置截水沟，在挡墙前设置排水沟；②对治理区XP1的道路西部一侧进行坡体松散碎石清理，坡面用素喷混凝土进行防护，在坡脚前设置排水沟。

4.2 XP2边坡稳定性分析

与XP1边坡采用相同的简化Bishop法计算边坡的安全系数进行计算。经过现场调查，边坡体局部已发生崩滑。由于修建居民区挖方形成的临空面，引起边坡体滑动，在强降雨、地震及其它有利组合条件下仍有可能会发生坡体下滑。由于边坡体位于地下水位以上，因此本次计算不考虑地下水作用。XP2边坡下部有部分采空区，但根据收集的资料，已进行注浆处理，但处理结果未知。本次勘察不考虑采空区对边坡的影响，但不排除采空区对边坡稳定性的影响。若将来在该区域进行采煤活动，应预留保安煤柱，保证该边坡安全性不受采煤活动影响。治理区所在区域地震烈度为Ⅵ度，不考虑地震作用。本次勘察在XP2边坡所采样品试验结果见表2。对于XP2边坡考虑工况1(天然工况)、工况2(暴雨工况)整体稳定性进行定量计算。

表2 XP2边坡试验参数统计表

将相关岩体参数代入公式，XP2边坡天然工况的安全系数为1.334，暴雨工况的安全系数为1.020。XP2边坡目前在天然条件下处于基本稳定的状态。

依据现场调查，李家沟村边坡现状条件下部分发生崩滑；边坡坡面坡角较大，落距约2.5 m，威胁坡角移民新区的安全，危险性中等。由于边坡体目前已发生部分崩滑，局部处于欠稳定状态，一旦遭遇强降雨、地震及其它条件下可能会发生边坡体下滑，对边坡下方李家沟村村庄村民房屋、生命财产和边坡周边耕地造成威胁。

根据边坡稳定性分析结果，结合威胁对象、危害程度和险情等级，有效地防止和减少边坡造成的灾害损失，建议采取以下防治措施：①对该边坡进行分台阶放坡，在坡脚设置挡墙、坡面采用浆砌块石护坡；②在边坡体外缘设置截水沟，坡脚挡墙前设置排水沟，另在分级开挖形成的台阶处设置排水沟，通过坡面纵向排水沟与挡墙前设置的排水沟相连通。

5 结论

(1)慈林山煤矿矿区XP1边坡位于矿区公路两侧，目前东部边坡局部发生少量崩滑，坡角堆积碎石颗粒，但整体处于稳定状态，天然工况下的安全系数为1.375，暴雨工况下的安全系数为1.073。在遭遇强降雨、地震及其它条件下可能会发生边坡失稳，威胁矿区道路、过往车辆和行人、及矿区周围居民的生命及房屋安全。潜在经济损失70万元，地质灾害险情危害程度为小。

(2)李家沟移民新村XP2边坡位于村东南移民新区的东部，目前边坡局部发生少量崩滑，天然工况下的安全系数为1.334，暴雨工况下的安全系数为1.020，XP2边坡局部处于欠稳定状态。一旦遭遇强降雨、地震及其它条件下可能会发生边坡体下滑，威胁李家沟村村民人身及房屋财产和耕地安全。威胁人数约200人，房屋约40间，潜在经济损失约1 010万元，地质灾害险情危害程度为中。

(3)应尽快根据XP1及XP2边坡稳定性分析结果，结合威胁对象、危害程度和险情等级，进行有效地防治并且减少边坡造成的灾害损失。