賈起超，孫 杰，郝 喆，申 城

（遼寧大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110036）

海州露天煤礦曾經(jīng)是亞洲最大的露天煤礦，由于露天開(kāi)采的作業(yè)方式，改變了地形、地貌及巖土體的應(yīng)力應(yīng)變條件，強(qiáng)烈地破壞了原來(lái)的地質(zhì)環(huán)境，產(chǎn)生了一系列復(fù)雜的礦山環(huán)境問(wèn)題。目前，海州露天礦重點(diǎn)在北幫開(kāi)展了地質(zhì)災(zāi)害治理和生態(tài)修復(fù)。生態(tài)修復(fù)起到了防治水土流失、凈化空氣和美化環(huán)境的作用，但也會(huì)對(duì)巖土邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。學(xué)者們運(yùn)用不同方法對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行大量研究。楊天鴻等[1]依據(jù)數(shù)據(jù)分析、現(xiàn)場(chǎng)模型可視化驗(yàn)證了三位一體邊坡穩(wěn)定的評(píng)價(jià)思路；黃堃[2]使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件重點(diǎn)剖析露天礦邊坡穩(wěn)定性相對(duì)較弱的地段，對(duì)露天礦邊坡位移規(guī)律進(jìn)行分析總結(jié)；王旭春等[3]基于有限單元法和強(qiáng)度折減法構(gòu)建滑移區(qū)三維地質(zhì)模型進(jìn)而分析評(píng)價(jià)露天礦的邊坡穩(wěn)定性；馮德潤(rùn)等[4]根據(jù)赤平投影法和強(qiáng)度折減法，對(duì)某礦山邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析；胥孝川等[5]利用云物元模型構(gòu)建了露天礦邊坡穩(wěn)定性的模型；曹蘭柱等[6]運(yùn)用FLAC3D軟件模擬驗(yàn)算弱層群邊坡滑移面比較危險(xiǎn)的地方；侯敏[7]采用理論分析運(yùn)用數(shù)值模擬對(duì)邊坡的破壞形態(tài)進(jìn)行了驗(yàn)證；DU 等[8]通過(guò)地質(zhì)結(jié)構(gòu)面幾何形態(tài)和抗剪強(qiáng)度對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

從露天礦邊坡穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀來(lái)看，主要限于原始邊坡或加固治理后邊坡，而對(duì)于生態(tài)修復(fù)后露天礦邊坡的穩(wěn)定性，特別是對(duì)于原始邊坡、加固后邊坡和生態(tài)修復(fù)后邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律缺乏深入探討。為此，以阜新海州露天煤礦邊坡為例，對(duì)露天礦的原始邊坡、加固治理后邊坡、覆土栽植后邊坡分別進(jìn)行穩(wěn)定性分析；為露天礦安全運(yùn)行、邊坡災(zāi)害分析和應(yīng)對(duì)策略提供科學(xué)依據(jù)。

1 邊坡模型

1.1 研究區(qū)域概況

露天礦位于阜新煤田中部，阜新市之南偏東的位置，海州礦開(kāi)采形成了大型深凹露天礦坑，露天坑?xùn)|西長(zhǎng)3.8 km，南北寬1.8 km，深350 m。露天坑長(zhǎng)軸走向約N70°E。北幫邊坡的走向基本上與層狀巖層的走向方向一致，而且?guī)r層呈緩傾角的方式傾向坡外，其傾角與現(xiàn)今邊坡的坡角基本一致，構(gòu)成了18°～20°傾角的順向坡。北幫邊坡具有6 個(gè)弱煤層組成的弱層群，傾角與弱層傾角方向保持一致，形成了典型的弱層群順層高邊坡。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，露天礦巖土體主要由第四紀(jì)土層、煤層弱層、基巖層和斷層組成。邊坡全長(zhǎng)范圍之內(nèi)，E10 大約處于中部，該剖面地層復(fù)雜，6 個(gè)弱層分布明顯，且被2 個(gè)斷層切割。為此，針對(duì)E10 剖面地層結(jié)構(gòu)，建立計(jì)算模型，模型長(zhǎng)約1 500 m，高約350 m。露天礦邊坡剖面及地層結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 露天礦邊坡剖面及地層結(jié)構(gòu)

1.2 模擬參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖土工程勘察報(bào)告，獲得的地層巖土體主要物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 巖土物理力學(xué)試驗(yàn)成果表

考慮的計(jì)算工況分為：降雨工況和非降雨工況。根據(jù)規(guī)范[9]要求，邊坡上有非常重要建筑物或邊坡滑落會(huì)造成嚴(yán)重生命財(cái)產(chǎn)損失的，其邊坡安全系數(shù)為1.50。海州礦北幫邊坡上有阜新發(fā)電廠(chǎng)等重要建筑，將安全系數(shù)取為1.50。

按勘察所得真實(shí)地下水位來(lái)模擬設(shè)定水位線(xiàn)。在飽和－非飽和滲流分析中，結(jié)合邊坡現(xiàn)場(chǎng)條件，獲取計(jì)算模型所需水土特征參數(shù)。采用Geo－studio 中的SEEP/W 模塊進(jìn)行非飽和滲流模擬。模型底部設(shè)為不透水邊界，左右兩側(cè)水位線(xiàn)以下設(shè)為定水頭邊界，其余為0 流量邊界；坡面設(shè)為降雨流量邊界。根據(jù)本地區(qū)氣象條件，將模擬降雨強(qiáng)度設(shè)為暴雨上限（100 mm/d）級(jí)別，并將降雨歷時(shí)設(shè)定為2 d，進(jìn)行相應(yīng)的非飽和滲流模擬分析。

2 露天礦邊坡穩(wěn)定性

2.1 原始邊坡

1）非降雨工況。非降雨工況下的原始邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖2。非降雨無(wú)植物體原始邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.343＜1.50，不滿(mǎn)足規(guī)范[9]要求，經(jīng)過(guò)各個(gè)弱層的安全系數(shù)結(jié)果分析對(duì)照，滑坡在4＃弱層安全系數(shù)最小最不穩(wěn)定?；w后緣位于整個(gè)邊坡上部，滑體前緣位于整個(gè)滑坡的中部，滑體最深處約12 m，滑面在基巖和煤層之間順層面滑動(dòng)。因此，進(jìn)一步進(jìn)行壓腳整形對(duì)原始邊坡進(jìn)行加固。

圖2 非降雨下原始邊坡穩(wěn)定性

2）降雨工況。降雨非飽和滲流工況下的原始邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖3。無(wú)植物體原始邊坡降雨非飽和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.285＜1.50，不滿(mǎn)足規(guī)范[9]要求，滑體后緣位于整個(gè)邊坡上部，滑體前緣位于整個(gè)滑坡的中部，滑面在基巖和煤層之間順層面滑動(dòng)，屬于順層滑坡。原始邊坡的降雨非飽和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.285 小于非降雨1.343，地下水位線(xiàn)上移，位于弱層之上距地表10 m 左右，因此需要對(duì)原始邊坡采取壓腳整形等治理措施。

圖3 降雨非飽和滲流工況下原始邊坡穩(wěn)定性

2.2 壓腳整形邊坡

在坡腳位置處，采用礦坑內(nèi)既有內(nèi)排巖土開(kāi)展壓腳工程，以保證坡腳穩(wěn)定，防止邊坡滑坡。巖土逐層回填，分層厚度500 mm，壓實(shí)系數(shù)為0.9，壓腳最大高度為50 m，壓腳區(qū)坡度約為40°。

1）非降雨工況。非降雨工況下的壓腳整形邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖4。壓腳整形邊坡后的非降雨邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.751＞1.50，滿(mǎn)足規(guī)范要求，經(jīng)過(guò)各個(gè)弱層的安全系數(shù)結(jié)果分析對(duì)照，滑坡在5＃弱層安全系數(shù)最小。壓腳整形加固后可滿(mǎn)足露天礦邊坡穩(wěn)定性要求，滑面位置靠中上段，滑體后緣位于整個(gè)邊坡的上部，滑體前緣位于整個(gè)邊坡的中部，與原始邊坡對(duì)比滑面范圍變大，滑體位置更深，滑面在弱層煤層之間順層面滑動(dòng)。

圖4 非降雨壓腳整形支護(hù)后邊坡穩(wěn)定性

2）降雨工況。降雨非飽和滲流工況下的壓腳整形邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖5。壓腳整形邊坡的降雨非飽和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.721＞1.50，滿(mǎn)足相應(yīng)規(guī)范要求。邊坡降雨入滲效果與巖土滲透性系數(shù)、初始邊界條件有關(guān)，由于巖層的非飽和滲流作用，地下水位以上的非飽和區(qū)范圍增加更為明顯。壓腳整形邊坡的降雨非飽和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.721 小于非降雨邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.751，根據(jù)孔隙水壓力分布和邊坡分層結(jié)構(gòu)特征可以推斷，在強(qiáng)降雨工況下，邊坡更容易失穩(wěn)，表現(xiàn)為沿表層坡面的整體滑坡，而對(duì)深部滑坡穩(wěn)定性的影響不大。

圖5 降雨非飽和滲流工況下整形邊坡穩(wěn)定性

2.3 覆土植物栽植邊坡

按現(xiàn)場(chǎng)露天礦邊坡生態(tài)修復(fù)方案，先進(jìn)行削坡整形，形成坡高15 m，平臺(tái)寬3 m 的分級(jí)臺(tái)階。植物修復(fù)對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響，主要體現(xiàn)在上部荷載和根對(duì)土的加筋作用。荷載增大了坡體重力，不利于邊坡穩(wěn)定性；根系加筋能提高土體參數(shù)，有利于邊坡穩(wěn)定性。現(xiàn)場(chǎng)覆土層厚度為0.8 m，灌木栽植間距為1 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)苗木生長(zhǎng)狀態(tài)，苗木高度1.5 m 左右，地徑2 cm 以上，大規(guī)格苗木胸徑5 cm，得灌木荷載為0.2 kN，邊坡區(qū)域按灌木植物施加荷載。對(duì)于植物修復(fù)后的根際土，采用土體加筋模式確定修復(fù)后根際土的物理力學(xué)參數(shù)取值，再進(jìn)行植物覆土栽植后的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，根際土厚度按1 m選取，根際土參數(shù)依據(jù)直剪試驗(yàn)確定為：①密度：1.76 t/m3；②黏聚力：20 kPa；③內(nèi)摩擦角：22.5°。

1）非降雨工況。非降雨工況下的覆土栽植后邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖6。覆土植物栽植后邊坡的非降雨邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.702＞1.50，滿(mǎn)足規(guī)范要求，經(jīng)過(guò)各個(gè)弱層的安全系數(shù)結(jié)果分析對(duì)照，由于植物栽植修復(fù)之后，安全系數(shù)在6＃弱層最小。覆土栽植后邊坡安全系數(shù)小于壓腳整形邊坡安全系數(shù)，滑面位置向內(nèi)部延伸，滑體后緣位于整個(gè)邊坡的下部，滑體前緣位于整個(gè)邊坡的上部，滑體位置最深處更加深，邊坡更加穩(wěn)定，滑面順著煤層滑動(dòng)。

圖6 覆土栽植后邊坡穩(wěn)定性

2）降雨工況。降雨非飽和滲流工況下的覆土栽植后邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖7。覆土栽植邊坡的降雨非飽和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.611＞1.50，滿(mǎn)足規(guī)范要求。覆土栽植邊坡的降雨非飽和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.611 小于非降雨邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.702，邊坡在風(fēng)化和殘煤自燃作用下表層巖體破碎，降水會(huì)產(chǎn)生較大的地表水侵蝕作用，表層沖刷和入滲會(huì)進(jìn)一步加劇裂隙擴(kuò)展、導(dǎo)致邊坡表層強(qiáng)度降低，加劇邊坡表層的局部垮塌，對(duì)邊坡表層穩(wěn)定性影響較大?？梢?jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)地下水位較深基本在40 m 以上，滑坡面高于浸潤(rùn)線(xiàn)，地下水的存在未導(dǎo)致安全系數(shù)和滑移面改變。但應(yīng)注意到，降水會(huì)產(chǎn)生較大的地表水侵蝕作用，沖刷和入滲會(huì)加劇表層裂隙擴(kuò)展，對(duì)邊坡表層穩(wěn)定性有較大影響。

圖7 降雨非飽和滲流工況下覆土栽植邊坡穩(wěn)定性

3 結(jié)語(yǔ)

建立了植物修復(fù)下露天礦弱層群順層高邊坡穩(wěn)定性分析模型，確定了非降雨和降雨條件2 種工況，分析了原始邊坡、壓腳整形邊坡和植物修復(fù)邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。

1）從原始邊坡到壓腳整形邊坡，邊坡的滑移面從4＃弱層向下延伸到5＃弱層；從壓腳整形邊坡再到覆土栽植邊坡，邊坡的滑移面繼續(xù)向下延伸到6＃弱層。滑面沿弱層群順層滑動(dòng)，但弱層群不會(huì)沿著斷層面進(jìn)一步滑移，滑動(dòng)層位不受斷層切割的影響。

2）在非降雨工況下，從原始邊坡到壓腳整形邊坡的安全系數(shù)提高了0.408，安全系數(shù)增加比較大；壓腳整形邊坡到覆土植物栽植邊坡的安全系數(shù)降低了0.049，安全系數(shù)降低較小。從原始邊坡到覆土植物栽植邊坡的安全系數(shù)提高了0.359，經(jīng)過(guò)治理后露天礦邊坡穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到要求，使邊坡更加穩(wěn)定。

3）在降雨工況下的非飽和滲流分析中，從原始邊坡到壓腳整形邊坡的安全系數(shù)提高了0.436，安全系數(shù)增加比較大；壓腳整形邊坡到覆土植物栽植邊坡的安全系數(shù)降低了0.11，安全系數(shù)變化較小。從原始邊坡到覆土植物栽植邊坡的安全系數(shù)提高了0.326，經(jīng)過(guò)治理后露天礦邊坡穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到要求，使邊坡更加穩(wěn)定。

4）從整體來(lái)看，對(duì)露天礦邊坡采用壓腳技術(shù)，有效增加邊坡的穩(wěn)定性，并改善和提高滑動(dòng)面的抗滑性能，即使在不利的自然條件下，也能有效地保證施工和使用安全。而植物體具有提高和降低邊坡穩(wěn)定性的雙重效果，由于植物根的作用區(qū)域有限，難以對(duì)弱層滑面產(chǎn)生有效的加固作用，使得從壓腳整形邊坡到覆土植物栽植邊坡的安全系數(shù)略有降低。