高位浅层堆积体滑坡残积体注水法治理实践

周小平，李 烨，王智德，夏元友

(1.巴中海螺水泥有限责任公司，巴中 636600；2.安徽海螺水泥股份有限公司，芜湖 241000；3.武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070)

山体滑坡一直是地质灾害领域的研究重点及难点，每年时有滑坡发生的报道。滑坡灾害通常成因复杂、破坏性强，处理有一定的难度，给人们带来诸多困难[1]，如舟曲县瓜咱坝3号滑坡、贵州水城滑坡和湖北千将坪滑坡等[2,3]。滑坡在内外力作用下，主要受地形地貌和地层结构影响，尤其是结构面发育的坡体[4]。对于出现的滑坡体，通常需要查明滑坡的破坏机理，进行相应的稳定性评价，并在此基础上提出合适的治理方案。边坡稳定性分析的方法较多，如工程地质分析法、极限平衡法、极限分析法和数值分析法等[5,6]。工程中较为常用的方法一般是根据现场地质调查结果，采用极限平衡法等或者数值模拟对滑坡体安全系数展开分析[7]。在滑坡治理方面，需要根据滑坡特点与工程性质进行选择，如削坡、反填压土以及设置挡土结构阻拦等措施[8,9]。

巴中海螺水泥矿山滑坡位于该石灰石矿东侧界线外邻近区域高边坡中上部，滑坡体主要由开采后的废弃堆石和地表浮土组成，于2020年10月28日发生滑坡。约1/3滑体顺坡而下，堵塞下部运矿道路，约2/3滑坡残积体仍堆积在滑坡坡脚，存在继续滑坡的风险，对下方道路矿石运输形成威胁，急需处治。

该文基于现场地质调查、极限平衡法与数值分析方法，分析了滑坡的形态与失稳机制，评价了滑坡残积体在自然状态及饱和状态下的稳定性，结合现场施工条件，提出了采用注水法进行滑坡残积体清理的治理方案，并取得了非常好的治理效果。

1 滑坡概况

该滑坡体紧邻石灰石矿东侧界线，位于石灰岩高边坡的中上部，运矿道路(高程1 100 m处标高)的正上方，滑坡体后缘距离上方高程1 278 m处开采平台50 m。滑坡所在的边坡高度大，且坡度较为陡峭，为顺层岩质边坡。高边坡基岩为硬质中厚层状石灰岩，岩石倾向近北，倾角70°左右。滑坡体主要由前期矿山开拓滚石、覆盖土及地表植被组成，原始厚度平均3 m左右。滑坡全貌如图1所示。

滑坡体滑动堆积范围，上下段陡峭，中间段平缓，形态呈不规则“簸箕状”(图1)，前缘微地貌呈多级坎状。滑体后缘已出现石灰岩基岩揭露，如图2所示。滑坡堆积体整体坡度45°左右，滑动方向近北。整个滑坡堆积体长约140 m，侧向最大宽度30 m，厚度不一，预估整个滑坡体积为4 000 m3。

滑坡体后缘已滑移15 m左右。滑移后，上浮物料约1/3滑体顺坡而下，堆积于下部运矿道路，但仍有约2/3滑体堆积于1 180 m高程处，形成长30 m，宽15 m，厚超过8 m的不稳定滑坡残积体，其坡度30°左右。滑坡残积体坡脚石灰岩基岩出露，但前缘存在陡坎临空面，不利用于其稳定。高程1 180 m以下坡体陡峭，主体为石灰岩基岩。由此可以判断，该滑坡为高程1 228～1 180 m段堆积体滑动所致。残积体整体结构松散，碎石含量较高。原地表块度较大块石集中于残积体坡脚表层。

2 滑坡形成机理分析

根据现场调查，滑坡后缘与1 180 m高程处皆发现有基岩出露，滑体主要为碎石与土体。由此，可以判断该滑坡为沿下伏硬质石灰岩滑动的堆积体滑坡。

由于前期矿山开拓滚石呈面状浮于第四系土层上方，大大增加了土层荷载。同时，由于该堆积体滑坡碎石含量较高，多年的长期降雨水的入渗容易造成浅表层土体细颗粒物质随渗流迁移，在土体与下伏硬质石灰岩交界面处形成细颗粒物质富集，构成软弱滑面，并使上部的土体变得松散。滑坡前期降雨频繁，在降雨作用下，土体遇水软化、加重，抗剪切强度大大降低。因此频繁降雨是诱发此次滑坡的关键。

从滑坡后缘及1 180 m高程处基岩出露及滑坡后堆积体形态可以判断，该滑坡属于滑面前缘平缓、后缘陡倾的推移式滑坡。

3 残积体治理

由于滑坡残积体位于运矿道路的正上方，距离运矿道路80 m左右，其安全状况时刻威胁着矿山运输的安全。由于现场边坡坡度陡，滑坡残积体结构松散，稳定性差，现场不具备利用大型设备清理或采用工程措施治理的条件，同时考虑到人为清理效率低，安全风险大。为此，基于滑坡形成机理与现场滑坡残积体状态的认识，提出了采用注水法清理滑坡残积体的治理方案。为论证提出治理方案的可行性，在滑面力学参数反演基础上，采用极限平衡法与数值模拟分析滑坡残积体在饱水状态下的稳定性，并据此提出了具体治理方案。

3.1 残积体稳定性评价

残积体边坡主要由粘土和碎石组成，基岩由二叠系下统栖霞、茅口组石灰岩组成。通过室内试验结合反分析及工程经验，获取了边坡在天然和饱和状态下的主要物理力学参数，如表1所示。

表1 岩土体与结构面试验参数

1)极限平衡分析 采用不平衡推力传递法进行计算[10]，边坡剖面示意图如图3所示。

采用不平衡推力传递法计算抗滑安全系数时，因该工程不考虑地震作用以及其他外力荷载的作用，其计算简图如图4所示。

边坡安全系数K计算方法如下

(1)

其中，抗滑力Ri、下滑力Ti以及传递系数ψi的计算如下所示

Ri=Wicosαi·tanφ′i+c′ibisecαi

Ti=Wisinαiψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφ′i/K

式中,αi、αi-1为第i、i-1条块底面与水平面的夹角；c′i、φ′i为第i条块底面有效聚力和有效内摩擦角；bi为第i条块宽度,m；ψi为第i滑动条块侧面的推力传递系数；Wi为第i条块重力。

通过计算，在自然条件下得到的残积体的安全系数为1.124；当残积体处于饱和状态时，不考虑动水压力，得到的安全系数为0.953。说明当残积体处于饱和状态时，会进一步失稳。

2)数值分析

采用离散元数值分析软件UDEC进行残积体稳定性分析及破坏过程模拟，过程如下：

(1)模型建立 坡面设置为自由面，模型右侧为水平向位移约束，底部为固定约束。岩坡主体网格为15 m，残积体为1.5 m。岩体结构面间距设置为1.5 m。

(2)模拟思路 采用表1的自然条件与饱和条件相关参数进行残积体的安全系数计算。

3)结果分析 自然条件下残积体位移较小，最大为2.4 mm(图5)，安全系数为1.12，符合当前残积体的稳定状态；在饱和状态下，滑坡体位移较大，最大位移为5.1 mm(图6)，安全系数为0.89。

数值模拟方法与不平衡推力传递法得到的残积体安全系数结果基本相符，对比自然条件和饱和条件下两种方法得到的安全系数大小，说明使残积体饱和可以使残积体失稳。

3.2 治理方案

基于以上分析，确定采用注水法进行滑坡残积体清理的方案。在残积体上方连续注水，逐渐使残积体达到饱和，以达到滑坡体自然清理的效果。具体方案如下：

1)在滑坡体上方高程1 266 m平台区域开挖临时蓄水池蓄水提供水源，蓄水池容量根据残积体体积估算，考虑确保充足水源，要求容积超过2 000 m3。蓄水池开挖后需加盖防水布后再注水，防止渗水。

2)利用自然落差，采用3根Φ80 mm的消防软管从上部蓄水池引水，在残积体上部连续注水，直至残积体失稳滑坡。

3)经注水残积体清理后，若发现仍有局部残留，可采用人工清理方法清理。

4)残积体清理后，对滑坡体边界土体坡面进行喷浆封闭防护，防治土体进一步坍塌。

5)残积体清理后，加强边坡巡视，确保下方运矿道路车辆、人员、设备的安全。

3.3 治理效果

在注水法进行滑坡残积体清理实施过程中，当注水量达到800 m3时，滑坡残积体丧失了稳定，整体下滑，几乎没有残留，效果极佳。治理过程及效果的部分照片如图7所示。

4 结 论

针对巴中海螺矿山高位浅层堆积体滑坡残积体，通过现场工程地质调查与稳定性评价，分析了滑坡的形态与失稳机制以及滑坡残积体的稳定状态，结合现场施工条件，提出采用注水法进行滑坡残积体清理的治理方案，获得以下主要结论：

a.通过地质调查，初步判断滑坡属于滑面前缘平缓、后缘陡倾的推移式滑坡。

b.极限平衡法及数值方法评价结果皆表明：滑坡残积体在饱和状态下安全系数小于1，极易失稳。

c.提出了在残积体上部连续注水清理残积体的治理方案。该治理方案的思路是：在连续注水作用下，松散残积体自重增大，土体的抗剪强度降低，使滑坡残积体丧失稳定整体下滑。

d.工程应用结果表明，采用注水法清理滑坡残积体取得非常好的治理效果。