某危岩体稳定性评价与治理工程研究

(武汉工程大学 湖北 武汉 430073)

引言

某危岩体位于鄂西某磷矿扩界后新矿区中部老巩河南岸陡崖地带的矿山地质环境影响严重区。平面形态呈不规则长方形展布，剖面形态呈陡壁断崖状，总体坡向3°，分布高程+861～+900。危岩体变形区岩坡走向长200m，宽74m，高约39m，总体积约27万m3。坡顶地势起伏不大，坡脚位置为老巩河。该危岩体WY2及周边环境状况见如下照片。

根据现场地质调查，WY2危岩体可能发生的破坏模式为滑移式崩塌，主崩方向3°，稳定性总体较差，其发展趋势为不稳定，主要危害对象为坡下老巩河与当地行人，特别是当该危岩体一旦产生大规模崩塌形成堰塞湖，将对下游旅游区及当地农户构成较大威胁，危害后果严重。

一、工程与水文地质条件

WY2发育地层主要为震旦系上统灯影组白马沱段(Z2dn3)和石板滩段(Z2dn2)，其中白马沱段岩性为灰白色-浅灰色中-厚层状泥粉晶白云岩为主，普遍夹薄层状、条带状、条痕状白色或黑色硅质岩，局部夹藻粘云岩；石板滩段岩性为灰-深灰色薄-中厚层状粉晶-泥晶白云岩，夹或偶夹藻粘白云岩，含砂、砾屑。

矿区属亚热带季风型气候区，四季分明，雨量充沛。据当地气象资料，年平均降雨量1077.7mm，雨季多出现在每年6～9月，年平均气温16.6℃。区内地表水系较发育，矿区内较大的河流为老巩河。大气降水为本区地下水的主要补给来源。地下水除在区内接受大气降水补给外，还受矿区周边地下迳流补给。

二、危岩体不稳定成因分析

根据已有矿山工程资料与本次现场调查综合分析，主控WY2危岩体稳定性的节理裂隙主要为大致垂直于坡向的构造裂隙L1，其次大致垂直于坡向的构造裂隙L2，滑移剪出口为灯影组白云岩层间薄层状软弱夹层。

L1产状75～85∠80～85°，岩体内部呈闭合状，裂隙宽一般为0.3～0.5cm，局部0.5～1.0cm，多由钙质充填。临近坡面位置，由于受后期岩体卸荷、风化、震动、溶蚀、冻融等不良地质长期作用，L1多呈张开状，无充填，局部亚黏土充填，裂隙张开程度上宽下窄，向下逐渐尖灭，缝宽一般0.1～0.5m，最大达1.2m，最大切割深度超过30m。

L2走向近南北，倾角近直立，裂隙一般呈闭合状，多由钙质充填，局部由于受后期岩体风化、冲刷、冻融等不良地质长期作用，呈微张开状。裂隙分布规律与主要构造线方向近一致，表明裂隙的发育明显地受区域构造控制。

三、稳定性分析评价

在工程整治前对不稳定地质灾害体进行稳定性计算分析，其目的主要是了解各地质灾害体在现状条件下的稳定性状况，从而为治理工程方案的选型、工程布置、加固强度与加固参数的确定提供依据。

(一)危岩体破坏模式分析

根据WY2危岩体地层岩性、形态与变形以及节理裂隙发育特征等现场地质调查与工程地质剖面综合分析，该危岩体可能沿主控节理裂隙面发生滑移式崩塌破坏。

(二)边坡稳定性计算

该危岩体可能沿主控节理裂隙面发生滑移式崩塌破坏。滑移式崩塌破坏安全系数K按式(1)计算：

(1)

式中：W为单宽危岩体重量(kN)；A为单宽滑崩面面积(m2)；U为浮托力(kN)；V为裂隙静水压力(kN)；C为滑崩面粘聚力(kN/m2)；Φ为滑崩面内摩擦角(°)；β为滑崩面与水平线倾角(°)；E—水平地震系数。

根据勘察资料，危岩体稳定性分析所采用的岩土物理力学性质指标见下表。

名称重度(kN/m3)凝聚力(kPa)内摩擦角(°)天然饱和天然饱和天然饱和碎石土20.521.5320.018.028.025.2结构面//47.042.343.038.7钙化白云岩26.027.33.0╳1032.7×10345.040.5

根据滑移式崩塌破坏模式计算原理，分别按天然和饱和两种工况条件下计算安全稳定性系数，由计算结果可知：WY2危岩体在天然和饱水状态下的稳定系数分别为：K1=1.375和K2=1.045。即在天然工况条件下该危岩体处于稳定状态，在饱水工况条件下处于不稳定状态，危岩体安全储备总体不足，特别是当遭受连续降雨、暴雨、震动等不利外部环境因素反复作用时，随时有可能发生滑移式崩塌破坏，其发展趋势为不稳定，稳定性计算结果与现场宏观地质调查综合分析结论基本一致。

四、治理工程方案分析

依据本次现场调查，以消除该磷矿WY2危岩体崩塌与落石地质灾害安全隐患及所带来的危害，然后恢复治理区地面生态环境，最终实现保护矿山及当地人民生命财产安全、维护社会和谐稳定为目标，坚持“地质灾害治理与生态系统恢复并重”的原则。

综合确定本期治理工程方案为：削方减载工程+排水沟工程+绿化工程+监测工程。

即：通过削方卸载对WY2危岩体进行全面清除，以彻底消除该危岩体安全隐患；为防止地面雨水对削方坡面造成直接冲刷，在治理区外围布置一条PS1截排水沟以拦截后缘山坡地表径流水；对削方后裸露岩坡面以及工程施工所造成的地面生态植被破坏采用植草、植树与攀缘上爬植物进行生态恢复；采用人工巡视监测方案对治理后边坡岩体的稳定性进行效果监测。治理工程典型剖面布置图如下：

图1 治理工程剖面布置

(一)削方减载工程

综合考虑WY2危岩体的形态与变形破坏特征、周边环境条件、稳定性状况以及危害对象等，同时结合该磷矿对老巩河两岸陡崖下采用条带法开采以及新矿开采区对老矿采空区构筑碎石充填隔离围护带时所需充填料来源不足的问题，综合考虑本治理工程采用钻爆法对WY2危岩体进行削方清除，削方弃渣全部用于地下采空区充填，这样既达到了消除WY2危岩体地面安全隐患的目的，同时又较好地解决了该磷矿扩界后由于老采空区顶板冒落对新矿区开采所带来的井下安全生产问题。

根据WY2危岩体分布高程与变形区域、边坡岩体风化程度与稳定性状况以及周边环境状况等，同时考虑边坡岩体削方后的长期稳定性，该治理工程采用三级削方放坡对WY2危岩体进行清除，其中一级削方马道高程M885，马道平台宽5m，削方坡率1：1.43(35°)；二级削方马道高程M873，马道平台宽5m，削方坡率1：1.11(42°)；三级削方坡底平台高程M861，削方坡率1：1.11(42°)，考虑工程施工场区紧邻老巩河陡崖地段，施工作业条件复杂，故坡底平台宽20m。

削方工程主要采用浅孔凿岩小药量爆破法施工方法，临近陡崖地段可采用啄木鸟辅以人工钢钎撬毛或手持风镐钻凿清除施工。该治理工程爆破方案如下：采用YT-27型凿岩机浅孔凿岩，炮孔直径40mm(φ38钎头)，孔距1.2m，孔深2.0m，最小抵抗线1.0m，硝铵炸药，导爆管一次点火起爆。

削方减载工程施工前必须对边坡面上可能造成危害的松动块体或堆积体进行人工清除，采用从坡顶向下分层逆做法削方开挖，严禁在坡脚位置大开挖或一次性开挖到底。削方施工全过程应配备现场专职安全员，并加强对治理区域的安全巡视检查，谨防边坡滑崩、滚石伤人以及高空坠落等安全事故发生。

(二)排水工程

排水阻渗是地质灾害综合防治工程中的一项经济而有效的辅助性措施。当地表水下渗到岩土体内部时，不仅增大了岩土体的容重，导致其力学强度指标降低，而且所产生的孔隙水压力还会使滑动面上的有效正应力降低并产生水平分力，进而诱发和加剧各类地质灾害发生，因而，必须采取有效的截排水措施。

地表排水流量按公式(2)计算：

Q=qΨF

(2)

式中：Q—地表水汇流量(L/s)；q—暴雨强度(L/s·ha)，暴雨强度取70mm/h；Ψ—径流系数；F—承雨面积(ha)，F=2.82ha。

暴雨强度按公式(3)计算：

(3)

式中：q—暴雨强度(L/s·ha)；t—降雨历时(min)；p—降雨的重现期(a)，选用20年一遇。

降雨历时t按公式(4)计算：

t=t1+mt2

(4)

式中：t1—地面汇流时间(min)；t2—管渠内雨水流行时间(min)；m—折减系数。

按照上述计算原理与参数，经水力计算，确定PS1排水沟总长度232m，过水净断面高×宽为0.5m×0.6m，壁厚和底厚均为0.3m。

排水沟沟体采用MU30块石与M7.5水泥砂浆砌筑，M10水泥砂浆抹面。

(三)绿化工程

综合考虑拟治理区地形地貌特征、气候条件以及周边环境条件等，本治理工程采用“覆土植草、坑穴法植树、植生槽植草和攀缘植物”绿化方案。

(1)植草、植树、植攀缘性植物

植草前首先马道平台回填厚60cm种植土。植草方式采用人工播撒黑麦草等草籽满铺植草绿化。植树采用坑穴法孤植方式栽植松树、刺槐等。植树行距2.0m，间距3.0m，穴坑直径60cm，深度60cm。对削方后形成的岩质斜坡面采用攀缘性植物上爬绿化方案，即在各台阶平台植生槽内侧种植葛藤、爬山虎藤本植物，槽宽0.4m，深0.5m，株距0.5m。

(2)植生槽封边墙

为防止地面雨水对马道平台覆土层的冲刷，在C2、C3马道平台外侧各设置一道植生槽封边挡土墙，封边墙选用矩形断面钢筋混凝土墙体结构型式。墙高0.8m，墙顶宽0.2m，地面以上出露0.6m，嵌岩埋深0.2m，总长度401m。

(四)监测工程

综合考虑该治理工程项目现状条件下边坡岩体的稳定性状况、危害后果以及严重程度等实际情况，本着“经济适用”的原则，本监测工程主要采用人工宏观巡视监测方案，即安排专人负责定期对治理区一定范围内的坡体滑动、地面开裂等地质灾害体以及生态植被成活情况实施跟踪巡视观查。

五、结语

根据矿山已有的工程资料综合分析以及本次调查了解，该磷矿在以往的开采过程中，已引发产生了危岩体、地面塌陷、地裂缝、废石堆、不稳定边坡等矿山地质灾害问题。而本治理工程仅对WY2危岩体开展研究，本次调查、勘测范围为WY2危岩体及其崩塌影响范围。根据危岩体的基本特征，同时结合井下生产充填需要，综合治理工程方案为：削方减载工程+排水沟工程+绿化工程+监测工程。其中削方废渣用于井下采空区充填工艺以及场区外部交通运输。监测工程采用人工宏观巡视监测案，即安排专人负责定期对治理区范围内的矿山地质环境问题实施跟踪监测与巡视检查。通过对本方案的具体实施，不仅有效地解决了该危岩体的稳定性问题，而且还将坡面防护与环境美化结合起来，可为同类危岩体的加固与防治提供参考。