伊敏露天矿地下水对含弱层边坡稳定性影响研究

马 可

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

作为煤炭资源的主要开采方式之一，露天开采在各地的大型煤矿得到了广泛的应用[1]。各地露天矿产能的不断增加，开采深度不断延伸，高陡边坡出现的几率越来越大、存在时间越来越长，边坡失稳的可能性也会越大。而对于矿山广泛存在的软岩边坡来说，由于边坡变形失稳的过程、形成条件、诱发因素的复杂多样性[2-4]，许多学者对此进行了研究。王建国等[5]探究了受控于软弱结构面的边坡的滑坡模式、计算方法以及强度指标的选取原则；张泽林等[6]以甘肃天水地区的泥岩及软弱夹层为研究对象，得出了随软弱层厚度和倾角的增加，倾角在0°～60°范围内，试样的剪切强度逐渐降低；马婧佳等[7]对扎哈淖尔露天矿含软弱夹层边坡稳定性进行了研究与形态优化；陈晓平[8]以一实际泥质软岩高边坡为分析对象，通过原状土样的室内试验成果分析了该种土体的特殊力学特性，表明泥质软岩边坡的设计与分析必须考虑水的入渗和卸荷松弛所导致的土体强度的衰减；范军富等[9]研究了地下水对灵泉露天矿边坡稳定性影响；胡其志等[10]通过对顺层岩质边坡中地下水力作用进行分析，认为地下水力作用主要为沿结构面分布的裂隙水压力和拖拽力，地下水作用下边坡稳定系数的降低主要与静水压力有关，而渗透力的影响很小。由此可见，在露天矿中的软弱夹层强度特性受地下水影响的程度以及高含水含弱层边坡的整体稳定性方面还缺乏认识。

1 影响边坡稳定的因素分析

1.1 内在影响因素分析

1）地层岩性。地层岩性可分为硬岩和软岩。一般来说，硬岩形成的边坡高度较高且岩层倾角较大，而软岩体形成的边坡高度较低且岩层倾角较小，这表明岩性对边坡的稳定性有着显著的影响。地层是岩质边坡组成的物质基础。地层岩性是影响边坡稳定的主要因素。而不同地层的岩性组合，使边坡出现不同类型的变形和破坏特征。而软岩是岩体中的薄弱带，抗压强度很小，因此，区分地质体中的软硬岩是首要任务；其次，软岩、软弱层、断层岩以及风化岩等是对边坡稳定性往往起控制性作用的重要因素。

2）岩体结构。岩体的变形和破坏由岩体结构控制。岩体变形不仅是材料的变形，而且是结构的变形。岩体结构特性对边坡稳定性的影响是占有极大位置的。影响边坡稳定的岩体结构因素主要是结构面的组数和数量、结构面的倾角和倾向、结构面的连续性以及结构面的表面性质等。对较完整的岩体来说，可发生滑坡的多为受构造条件控制的块裂斜坡或受软弱层面控制的层状结构斜坡。

3）地形地貌特征。地形地貌特征对边坡稳定性影响一般是和岩体结构与岩体应力等联系在一起的。高度越低，规模越小的边坡，一般只产生小规模的表层破坏。而对于大型高陡边坡而言，产生大规模的、深层滑坡的可能性就比较大。对当前的地形地貌特点进行深入研究，能够了解己经破坏边坡的变形破坏机制并推测边坡未来发展演变的全程。

1.2 外在影响因素分析

1）水的作用。大量工程实例证实，水对边坡失稳破坏起着不可估量的作用。有数据显示，90%左右的滑坡在雨季发生，特别是暴雨或连续降雨期，这充分说明水是边坡稳定性的重要影响因素。结构面性质、岩体性质等是边坡稳定性的内部影响因素，而结构面与岩体性质又受到水的影响。水对边坡影响主要以降雨、地表水、地下水形式作用于边坡。而地下水对边坡的影响主要表现在2 方面：①降低岩体强度，特别是岩体存在软弱结构面时，水将通过裂隙并逐渐在岩体内产生渗流，从而使岩体抗剪强度急剧降低；②改变坡体的应力状态，增加动、静水压力，地下水对岩土体产生物理、化学等作用，使边坡岩体性质改变并使边坡受力平衡状态遭到破坏，进而影响边坡的稳定性。

2）地震作用。大量地震灾害的统计数据表示，地震是边坡失稳发生滑坡的重要诱发因素。一般讲，凡是地震频繁、强度较大的地震区，尤其是在山区和丘陵地带的边坡往往表现出，滑坡分布广、数量多和危害性大的特点。

通过分析上述影响露天矿边坡稳定性的因素得出，软岩和地下水2 大因素是制约露天矿边坡稳定的关键因素。而伊敏露天矿边坡正是典型的富水软岩边坡，通过试验分析与极限平衡方法下的边坡稳定性验算结合的方式研究地下水对含弱层软岩边坡稳定性的影响规律。

2 水对弱层强度影响规律的试验研究

伊敏露天矿边坡受地下水影响较大，且内排土场基底残余水问题和端帮第四系松散层涌水问题比较突出，因此针对软岩在不同含水率情况下的抗剪强度参数开展试验研究，以探究水对岩体强度的影响规律。

试验选择利用四联无极变速应变控制式直接剪切仪。试样取自伊敏露天矿弱层层位的软质泥岩，开展不同含水率下的直剪试验。每种岩样在某一含水率下共开展3 组试验，每组4 个试件，试验后经分析确定抗剪强度参数取值。试样尺寸与常规土工试验标准试件相同。不同含水率下的试样制备方法严格按照土工试验有关标准进行。

伊敏露天矿软质泥岩抗剪强度指标与含水率关系曲线如图1，随着含水率的增加，软质泥岩的黏聚力C 和内摩擦角φ 均表现为下降的趋势，而且下降幅度较大，和 对含水率的变化都比较敏感；同时，由图可看出C 和φ 与含水率呈近线性相关关系。伊敏露天矿试样试验结果见表1。

表1 伊敏露天矿试样试验结果

图1 伊敏露天矿软质泥岩抗剪强度指标与含水率关系曲线图

饱和含水率情况下内摩擦角比天然含水率情况下内摩擦角下降了70%，黏聚力比天然含水率情况下下降了78%。岩体含水饱和后抗剪强度下降幅度如此之大，分析其原因，伊敏露天矿软质泥岩多属于高液限黏性土，含亲水性物质成分较高，遇水泥化崩解现象明显，导致强度指标显著弱化。

可见，若伊敏露天矿边坡内部弱层在地下水长期影响下，会导致其抗剪强度大幅下降，很可能出现边坡沿弱层的顺层滑动，进而引发滑坡。

3 水对边坡稳定影响规律的计算分析

在伊敏露天矿西端帮共计布置3 条勘探线，每条勘探线3 个工程地质钻孔，最终形成3 条典型工程地质模型，即BX1、BX2、BX3。

在边坡内部赋存丰富地下水的条件下，地下水会对边坡岩土体产生静水压力或“浮托力”，边坡后缘静水压力垂直指向接触面，不利于边坡的稳定，同时“浮托力”降低了岩体的抗滑力，进一步影响了边坡稳定性；同时，地下水又起到了润滑的作用，同样恶化了边坡的稳定性。可见，从力学角度边坡富水不利于其稳定。

根据工程地质勘查工作，基本掌握了地下水的分布特征，依据地下水的水位测量绘制出现状水位线，同时结合本次岩土试验的"饱和抗剪参数"，分析西端帮边坡BX1、BX2、BX3 的边坡稳定性，进而分析确定地下水对边坡稳定的敏感程度。运用GEOSLOPE 极限平衡软件计算了有无地下水工况下的边坡稳定性系数，计算结果如图2～图7。

图2 西端帮BX1 模型无地下水时边坡稳定性

结合以上计算结果，整理出各模型在有无地下水工况下的稳定性系数，各工况下边坡稳定性计算结果见表2。

图3 西端帮BX1 模型有地下水时边坡稳定性

图4 西端帮BX2 模型无地下水时边坡稳定性

图5 西端帮BX2 模型有地下水时边坡稳定性

图6 西端帮BX3 模型无地下水时边坡稳定性

图7 西端帮BX3 模型有地下水时边坡稳定性

表2 各工况下边坡稳定性计算结果

通过以上地下水敏感性分析，可得出伊敏露天矿设计边坡在含地下水工况下处于不稳定状态，若采用疏干方式降低地下水位至坡底以下，稳定系数可提高20.29%～39.88%，各模型边坡稳定性系数将大于1.2，达到稳定状态。因此，后期采矿过程中，极其有必要采取有效的疏排水措施，加强露天矿疏干排水工作，保证边坡稳定。

4 弱层强度参数对边坡稳定影响分析

伊敏露天矿边坡存在多层弱层，弱层的参数对边坡稳定影响较为严重，以BX1 模型为例，计算分析弱层参数弱化情况下的边坡稳定性，弱层参数及其对应的边坡稳定系数汇总见表3。

表3 弱层参数及边坡稳定系数汇总表

由表3 可见，随着抗剪强度指标的下降，边坡稳定性系数下降明显，当抗剪强度指标降至近饱和状态下岩体指标时，边坡稳定性系数低于1.2，此时边坡处于存在风险状态。

5 结语

1）在影响边坡稳定的各种因素中，地下水和弱层起到至关重要的作用，将严重影响边坡稳定；弱层力学试验表明，弱层岩体随含水率的升高，岩体强度显著弱化。

2）极限平衡分析计算得出，边坡在含地下水工况下稳定系数与无地下水工况相比明显下降，地下水将对含弱层软岩边坡造成较严重的负面影响。

3）弱层在地下水侵蚀导致强度参数下降的条件下，整体边坡的稳定系数会随之下降，弱层接近饱和状态下边坡失稳可能性较大。