山西某铁矿复杂岩土体边坡滑坡形成机制分析及治理措施

白逢义

(中冶北方(大连)工程技术有限公司，辽宁 大连 116600)

0 引言

山西某铁矿矿区位于山西省太原市娄烦县。1991年建成，采用露天开采方式进行开采至今已有20余年，目前开采规模为1 000万t/a。矿体走向NW～SE，总体为一向斜构造。原露天开采设计分区共分为8个分区，其中1,2,7,8区上部1 578 m以上已基本靠帮，目前矿山向东侧进行开采。1,2,7,8区边坡开采中存在着第四系及风化岩边坡破坏，以及深部沿强度较低的铁闪片岩等软弱岩体发生的平面及倾倒破坏。上述区域主要的边坡工程地质问题已得到了有效治理，包括长锚索加固，削坡喷射砂浆，格构梁结合锚杆等措施进行加固。因此上述区域不作为本次研究重点。

本次研究主要为目前正在开采的山西某铁矿东部区域，共有3个地质分区，分别为：4区-北端边坡部区；5区-东端边坡部区；6区-南端边坡部区。区内出露岩组主要为石英岩、石英片岩、含云母石英片岩、斜长角闪片岩、磁铁石英。该区内边坡上部为黄土及粘土边坡。由于前期基础资料不足，实际揭露地质条件变化与设计存在较大差异，该区域存在厚度较大的黄土层，局部达100多米，且黄土边坡紧邻工业厂房及办公区，并且产生了较大的滑坡现象，急需开展这些区域的稳定性论证和境界优化设计工作。

1 边坡存在的问题

2020年4月3日，机修厂正下方边坡发生宽度达近百米的滑坡如图1所示。该滑坡发展过程分两个阶段：1 521～1 488 m高程之间边坡失稳；随后，滑坡体在1 488 m平台，造成1 488～1465 m边坡再次失稳下滑。最终高差达到近60 m。

图1 滑坡照片

2 岩土体参数及现状边坡稳定性分析

滑坡主要影响因素包括岩土体参数、地下水和外部应力变化。该矿山开采多年，地震设防烈度为7度，靠帮采用控制爆破技术，上部存在建筑物，基本无外部应力影响，因此研究主要从岩土参数以及水文地质条件等入手开展滑坡研究。

首先通过补充物探、现场揭露边坡地质素描、节理裂隙统计、补充工程地质钻孔等勘察工作，更新后工程地质模型如图2所示，将东侧和南侧第四系土层和风化岩分布情况进行补充完善，利用新的工程地质信息建立三维地质模型。同时在补充钻孔中和揭露边坡区域进行土样和岩体样品的采集用于室内试验工作。

图2 更新后的工程地质模型

2.1 土层参数

土层的相关参数试验工作包括物理性质试验，湿陷性试验和渗透性试验，三轴力学试验。对于边坡土层参数中的力学试验结果相对较为重要，力学相关参数通过三轴力学试验获得。在边坡工程中，对于土坡长期稳定性，应采用固结不排水剪切强度指标，用有效应力分析法；对于地下水位线以上的土体强度指标是基于天然土样CU获得土体的ccu和φcu，对于地下水位以下的土层强度采用饱和土样CU获得土体的有效抗剪强度c′和φ′。此外，对于土体的变形参数，采用天然土样的CD试验。具体试验结果见图3，图4，及表1～表3内容。

图3 钻孔不同深度土样颗粒分级曲线

表1 土层的湿陷性试验结果

表2 土层渗透性试验结果

表3 土层三轴力学试验结果

图4 强度试验拟合曲线

各项土层试验情况说明，边坡顶部覆盖的第四系土主要由粉粒和粘粒组成，以黄土为主。黄土局部具有一定的湿陷性，黏土土层为弱透水层，黄土为中等透水。

在饱和状态的黄土和黏土强度明显低于自然状态的强度值。说明黄土等土层在地下水作用下强度降低较为明显，该特征也是滑坡产生的重要影响因素之一。

2.2 岩体强度参数确定

岩体是指在一定工程范围内，由包含软弱结构面的各类岩石所组成的具有不连续性、非均质性和各向异性的地质体。岩体的物理力学特性尤其是强度随着岩石特性、不连续面的发育程度及充填物质的不同，存在着较大差异。

实际工程分析中，可以结合工程自身特点，考虑主要因素，对整个岩体做出正确的、符合实际的、综合性的力学分析，从而对具体工程地质条件及岩石特征做出客观的判断。

确定本次岩体强度参数是通过HOKE-BROWM方法进行确定，首先进行岩体分级，通过对钻孔中主要岩性进行RMR分析，建立钻孔中RMR分级图。根据钻孔中不同岩性统计出各岩性在分区中RMR值。再通过RMR岩体分级都不同区域不同进行评分，并应用HOKE-BROWM准则进行岩体参数的转化确定。

岩体分级的准确与否对岩体工程而言有着十分重要的意义。目前国内外常用的岩体质量评价方法为RMR(rock mass rating)法。该系统是Z. T. Bieniawski于1973 年提出的一种确定岩体质量等级的方法，并先后对其进行了4次修正，现以1989年版本为标准，该系统考虑了岩块的单轴抗压强度(R1)，岩石质量指标RQD(R2)，结构面间距(R3)，结构面条件(R4)，地下水条件(R5)。本次分析参考了《非煤露天矿山边坡工程技术规范》(GB51016-2014)中岩石的质量指标RMR[1]具体打分情况见表4，表5为本次主要岩体的RMR分值，表6为主要岩体参数。

表4 岩体的质量指标RMR打分表

表5 岩体的RMR综合取值

续表

表6 岩体力学参数结果

2.3 现状边坡的稳定性计算

图5为设计分区及计算剖面位置，利用上述岩土体参数，对现状的研究区边坡稳定性进行计算分析。计算分析结果如下：4区(WH7,WH8)：强风化岩以上安全系数偏低，但仍然有一定的安全储备，不至于发生成片的滑坡。5区：从北帮往东帮第四系逐渐变厚，WH1剖面处在北帮和东帮的过渡区域，第四系厚度为20～30 m，强风化层厚度为30～40 m。极限平衡计算表明，现状边坡安全系数为1.11，小于允许值。WH4剖面第四系厚度将近100 m，第四系底部的标高在1 382～1 398 m之间，强风化岩层厚度约为25 m。计算表明，该剖面第四系地层边坡的安全系数为0.86，不稳定。6区(WH5，WH9)是重要设施和滑坡区域：2020年4月3日，机修厂正下方边坡发生宽度达近百米的滑坡。1 521～1 465 m边坡发生滑塌，该区域为本次重要的滑坡分析区域。

图5 设计分区及计算剖面位置

3 边坡水文地质条件和渗流分析

3.1 气候条件

本区属北温带大陆性气候，总的特征是气候干旱，雨量较少，气温较低。冬季漫长、干燥寒冷，夏季炎热、雨季集中，春季风多、升温较快，秋季短暂，天气凉爽。全年平均气温在 7.1～8.1 ℃之间，无霜期为 120～140 天，最高气温 37.4 ℃，最 低气温-30.5 ℃。7月最热，月均气温为 20.6 ℃。元月最冷，月均气温为-12.7～-14.6 ℃。 年温差大，一般在 30 ℃左右。日温差变化剧烈，一般在 12～15 ℃之间。多年平均降雨量 439 mm，大多集中在 6～8 月，年最大降水量 563.5 mm(1988年)，年最小降水量为 213 mm(1972年),日最大降水量 112.4 mm，小时最大降水量39.4 mm (1994 年7月23日12时28分)。多年平均蒸发量1 905.3 mm， 相当于降雨量的4.5 倍。最大冻土深度为 1.2 m。

矿区主要发育两条大的冲沟：武家梁沟和与其隔一道山梁南侧的不算沟。矿区开采前期，北部、东部和南部的沟谷中均有若干泉水出露，多数为上层滞水下降泉，季节性较强。

3.2 主要含水层

风化含水层：属于赋水微弱含水层，其补给来源为大气降水。随着矿山开采加深，风化带由于渗透性良好，易于疏干。构造裂隙含水层：为矿区主要的两个断层，FA 断层和 FB 断层，富水性中等。孔隙含水层：冲、洪积松散含水层及黄土含水层。黄土含水层，该含水层为上层滞水(包气带水)，岩性以粉土为主，垂直节理发育，具大孔隙，渗透性较好。

3.3 边坡渗流分析

图6～图8为不同风化岩随着疏干时间压力水头的变化情况。

图6 风化岩体开采疏排计算模型

图7 中风化层开采疏排与坡脚同高程的地下水位线随位置的变化曲线

图8 强风化层开采疏排与坡脚同高程的地下水位线随位置的变化曲线

上述分析表明按照矿山正常的开采下降速度，正常的靠帮速度即满足风化岩层疏排所需的时间要求。

图11 东南帮现状边坡疏干一年后的饱和度场

图9～图10表明不同时期东南帮渗流情况分析结果。东南帮机修厂房以及变电所下部，第四系地层地下水外渗严重。该部位在 2018～2019年靠帮时，边坡因水位高出现多次规模不大的滑坡。分析表明该部位第四系地下水疏干的滞后性是导致土体强度降低的重要因素，尤其是南部边坡在冬季和春季时更容易产生滑坡的原因。

图9 东南帮 1 488 m 水平以上开挖引起坡体渗流场的变化

图10 冬季地表冻结条件下边坡地下水位的变化

4 设计境界优化

根据上述边坡岩土体参数试验和稳定性分析结果，并结合渗流条件，需要确保滑坡体进行治理，并保证深部开采边坡安全，对设计境界进行优化调整。

4.1 边坡角变化

采场北侧边坡第四系厚度较小约20 m，第四系整体边坡角取38°，强风化层60～70 m，厚度大，强风化层整体边坡角度33°～34°。采场东侧第四系约80m，厚度大，第四系整体边坡角26°～29°，强风化层厚度较小30～40 m，强分化层整体边坡角度37°～42°。采场南侧滑坡区域边坡情况较差，第四系整体边坡角度23°～28°，强风化层整体边坡角度33°～37°。

4.2 平台参数调整

黄土层平台宽度为10 m，强风化层平台宽度10.5m，1 488 m平台需布置截洪沟工程平台宽度为15 m。1 458 m水平以下基岩层平台宽度与原设计保持一致，安全平台不小于5 m，清扫平台不小于8 m。

4.3 道路系统变化

道路系统总出入沟确定在采场东南端地表标高1 443 m处。向采场内采用螺旋和折返相结合方式展线，即从采场东南端1 443 m标高开始沿采场南侧帮向西经过1 359 m回头折返后，采用螺旋展线布置方式至露天底1 128 m水平。

4.4 优化后的稳定性分析

优化设计方案是按照滑体标高范围为1 450～1 522 m范围，最终形成第四系边坡角度约为23°左右。主要剖面计算结果见表7。

表7 WH9剖面安全系数计算结果

计算结果表明该剖面各状态边坡稳定性满足安全标准1.20的要求。该剖面处存在滑坡体。滑坡体必须通过削坡进行清理，方可继续执行下部境界靠帮。

5 防治水措施

由于滑坡主要由地下水疏干滞后引起上部黄土饱和强度降低导致，同时与地表径流水存在一定关系，因此边坡防护以治水为主。

5.1 降水方案(疏干井方案)

垂直疏水井7口，孔深17.50～46.80 m，累计深度241.80 m，进入中风化岩3～5 m。通过抽水试验及边坡的变形观测，疏水井疏水后滑坡体变形减缓，通过疏水井疏水增强了边坡的稳定性。后续靠帮过程中应加强检测，监测边坡开挖时土质的含水情况及变形情况，如部分区域含水量过大，应增加疏水井的数量。

5.2 降水方案(疏干孔)

主要为仰斜式排水孔，自上而下共布设4排排水孔，排水孔钻孔孔径130 mm，排水孔出口处，设置D=200mmPVC管集水管，全部收集汇入平台集水坑中。 疏干孔总流量初期保持在100 m3/d,目前下降为40～50 m3/d，说明坡面疏干具有一定效果。

5.3 截洪沟方案

封闭圈以上1 458 m水平设置主截洪沟，将坡体内疏干水，地表降雨径流等统一外排至武家梁沟内。 各边坡设置台阶截水沟，通过急流槽导入主排水沟统一外排。坡顶采用混凝土硬化措施。坡面采用挂网喷射砂浆混凝土护坡或采用绿化种草护坡。

6 结语

该矿山滑坡主要影响因素包括岩土体参数弱化和地下水。其中第四系地下水疏干的滞后性是导致土体强度降低的重要因素。调整设计以滑坡区削坡清理为主，经削坡处理后各区域边坡基本满足安全标准要求。由于滑坡主要由地下水疏干滞后引起的上部黄土强度降低导致，同时与地表径流水也存在一定关系，因此边坡防护应以治水为主。