竹山县文峪河流域硫铁矿区不稳定斜坡稳定性分析

汤江平，刘玉明，曹云健

（湖北省地质局第八地质大队，湖北 襄阳 441000）

1 工程概况

湖北省竹山县文峪河流域的圣母山硫铁矿区地形地貌复杂多样，环境地质条件复杂，不良地质作用及地质灾害频发。本文通过对矿区不良地质作用隐患的发育类型、特征进行分析，查明了灾害形成机理及变形影响因素。在查明不稳定斜坡物质组成及物理力学性质参数的基础上，采用反演分析法获得抗剪强度黏聚力c、内摩擦角φ，作为饱和状态废石堆的抗剪强度指标；采用折线形滑面稳定性分析方法对稳定性较差的和变形明显的坡体进行3 个工况下的稳定性分析，计算结果与实际情况基本吻合，为治理工程地质灾害工程设计和实施提供了基础地质数据。

2 勘查区地质环境条件

勘查区属构造侵蚀中山区，属秦岭东延余脉的界岭—武当山系，地貌单元为构造剥蚀地貌。勘查区地层时代主要有震旦系圣母山组亚组（Zs）、寒武系-志留系下统大贵组（Э-S1d)以及矿山废石堆积物（Qml）。岩性可分为第四系松散岩类和变质岩类。

1）第四系松散岩类主要为废石堆（Qml），土体结构松散，工程地质问题主要有不稳定斜坡、崩塌、滑坡。

2）变质岩类的岩性主要为含矿层的绢云片岩、炭质绢云片岩。片岩力学强度低，抗压强度8～10 MPa，易产生水土流失，沿片理或层理面会发生小规模滑塌变形。

勘查区位于构造侵蚀中山区沟谷地带，场区地下水类型主要为松散岩土孔隙水及变质岩类裂隙水。分别为赋存于上部①层废石堆的上层滞水、②层含碎石粉质黏土中的孔隙潜水、③层绢云片岩中的变质岩类裂隙水。

区域人类活动主要为矿山开采，历史人工粗放开采形成的多处矿洞、高陡边坡及废石堆堆积形成许多不稳定斜坡，广泛分布于矿区。

本次勘查区位于竹林寺区域与大剥皮区域，总面积约1.14 km2。未治理区域为本次勘查工作的重点区域，包括竹林寺、大剥皮东北区、大剥皮东区废石堆堆积区。现阶段废石堆广泛分布于斜坡坡面及冲沟内，堆积坡角20°～45°，厚度在5～20 m 不等，在降雨及地表水条件下，易形成局部坍滑、矿洞涌水现象等地质灾害。

3 地质灾害基本特征

3.1 地质灾害隐患类型

未治理的废石堆堆积体形成的不稳定斜坡，其局部已发生溜滑，存在扩大继续滑移风险，威胁拟建地下水防治工程。主要包括3 处不稳定斜坡，由松散碎石及含碎石黏性土组成，堆积坡角27°～45°。

3.2 不稳定斜坡基本特征

根据现场调查，大剥皮东区废石因坡就势堆积，坡度、坡向等形态各异，形成多处小斜坡。根据其分布特点，按照有独立边界且坡度大于20°的原则，大剥皮东区划分出8 处不稳定斜坡，对其进行调查与评价。大剥皮东北区和竹林寺各有1 处不稳定斜坡。

3.3 灾害形成机理分析及变形影响因素

区内人类矿山开采造成不稳定斜坡具有高陡地形的特点，矿山废弃碎石、碎渣未经处理露天堆积，由于斜坡具有较好的汇水条件，土体遇水后自重增加，物理力学性质降低。现由于无防护工程，导致不稳定斜坡稳定性较差，坡体在降雨期间易发生小型塌滑及溜滑等变形。通过对灾害体现状调查及变形特征的综合分析，灾害变形影响因素主要有人类工程活动、地形地貌、地层岩性、降雨。

4 岩土物理力学性质

勘查采用原位测试、钻探取样及室内土工试验、大重度试验等方法，通过对各岩土层所测得的参数进行分层统计，获取场区地层的物理力学性质指标。废石堆以碎石角砾土为主，本次勘查对废石堆堆积体形成的不稳定斜坡局部变形部分取小剖面进行反演分析，分别以未明显、明显受暴雨影响变形计算天然状态及饱和状态下废石堆抗剪强度参数。根据不稳定斜坡目前整体处于基本稳定～稳定状态，局部发现变形现象，可以认为现状情况下局部出现裂缝变形反演稳定系数取Fs=1.01，暴雨情况下局部出现塌滑变形反演稳定系数取Fs=0.99，选取此时废石堆对应的c、φ 值，作为饱和状态废石堆的抗剪强度指标。

5 稳定性分析评价

5.1 不稳定斜坡稳定性分析与评价

不稳定斜坡稳定性计算方法采用GB/T 32864—2016 《滑坡防治工程勘查规范》 中推荐的折线形滑面的稳定性计算方法进行计算[1]。

1）计算剖面选取与模型建立。本次工程设计采用实测代表性地层剖面进行单宽岩土体推力计算，根据各不稳定斜坡典型剖面搜索最危险滑面，计算不稳定斜坡稳定性，并以此建立计算模型，做剩余推力计算。如图1、图2 所示。

图1 D1—D1′稳定性计算模型图

图2 D3—D3′稳定性计算模型图

2）计算工况和荷载组合。（1）计算工况时根据不稳定斜坡变形现状及区内水文地形等特点，拟采取下列工况组合：工况Ⅰ为自重+地下水；工况Ⅱ为自重+地下水＋暴雨（20 年一遇）；工况Ⅲ为自重+地下水＋地震（烈度7 度）[2]。（2）荷载组合地表荷载中基本荷载为坡体的自重。降雨载荷是废石堆土层无固定地下水位线，含极少量上层滞水，降雨时，计算考虑地下水孔隙水压力作用，暴雨按20 年一遇降雨量核算。降雨时地下水位线的确定是利用理正岩土软件渗流问题有限元分析进行模拟，运用二维简化模型。

3）模拟选用参数。废石堆积体渗透系数为0.16 cm/s，孔隙率30.14%，基岩渗透系数为5.44×10-5cm/s，按隔水边界考虑。降雨强度取20 年一遇最大降雨量94.1 mm/d，计算以集中降雨时间4 h 考虑，降雨量23.5 mm/h。其中，大剥皮东区8 处不稳定斜坡位于沟谷，降雨时两侧山坡雨水向沟中汇集。经测算得知，东区总汇水面积为0.197 km2，其中，废石堆积分布面积0.028 km2，按最不利工况考虑，降雨全渗入废石堆积体，两侧山坡雨水全部补给废石堆，单位入渗量按0.165 3 m3/（m·h-1）计算，采用不稳定渗流分析，初始水位为基岩面，模拟得出各模型最高时段等水头线，计算结果为：东区上段水位线与地形相关，水位线基岩以上0.5～2.0 m；东区下段水位线与地形相关，水位线基岩以上0.3～1.2 m。

5.2 计算参数的选取

区域内各灾害点地质环境条件基本类似，本次计算参数选取主要参考勘查试验数据成果，结合反演分析及工程经验综合确定。计算采用参数为各岩土层（包括强、中风化软弱结构面）天然状态及饱和状态的重度、抗压强度、凝聚力、内摩擦角。

5.3 不稳定斜坡稳定性计算结果及评价

5.3.1 不稳定斜坡稳定性计算结果

根据上述计算公式、计算剖面模型、参数，选取了2 段剖面，对不稳定斜坡在不同状态条件下的稳定性进行了计算分析，各剖面计算值为自然坡面稳定系数值。计算结果见表1。

表1 不稳定斜坡稳定性计算结果

5.3.2 稳定性综合评价

综合分析结果，各不稳定斜坡在工况Ⅰ、工况Ⅱ、工况Ⅲ情况下，不稳定斜坡有塌滑、溜滑的可能；暴雨情况下可能发生塌滑、浅部滑移，裸漏废石堆滚落。现场调查不稳定斜坡现状出现小范围变形迹象，有小规模塌滑的可能；暴雨情况下陡峭处易发生塌滑，裸漏废石堆易被冲蚀；不稳定斜坡稳定性计算结果（见图3、图4）与实际情况基本吻合。

图3 东区1 号不稳定斜坡（工况Ⅰ）稳定性计算成果图

图4 东区1 号不稳定斜坡（工况Ⅱ）稳定性计算成果图

6 结语

地质灾害防治工程应主要考虑地灾隐患稳定性和灾害发生对综合防治工程安全的危害程度，结合环境影响因素和经济效益，选择合理的工程设计方案对不稳定斜坡进行综合有效的治理。本工程参数选取和稳定性分析方法为类似环境地质条件下矿区地质灾害勘查和工程治理提供了借鉴。