大型露天矿第四系高边坡渗透破坏机理及处理技术研究

龚高武

（湖南宏禹水利水电岩土工程有限公司 长沙市 410007）

深厚第四系覆盖层下的矿产露天开采，需揭露上部第四系松散盖层，形成高陡的边坡。由于第四系松散地层的地质结构与成因特征，储存运行于潜水含水层和承压含水层中的地下水对淤泥质土层、淤泥、砂卵石分布部位的边坡稳定极为不利，一旦处理不当，极易引发边坡垮塌、矿坑充水、周边地面沉陷、裂缝、地表水干枯、建筑物倾斜、倒塌等系列地质灾害。怎样治理大型露天矿第四系开挖边坡揭露后地下水排泄对边坡地层造成的渗透破坏问题，成为控制大型露天矿山高边坡开挖和矿山经济效益正常发挥的关键。

1 第四系地层的水文、工程地质条件特征

形成深厚覆盖层沉积的地域多处在江河流域的中、下游，沉积物多为松散的淤泥、淤泥质土、粉质粘土、砂、砂卵砾石层等，主要特征为：

（1）不同物质、不同颗粒沉积堆积，成分复杂。

（2）结构松散、力学性质差、强度低。

（3）土层交错沉积、相互迭置、分布规律差。

（4）孔隙率大小不等，含、透水程度不一，透水性相差悬殊。

（5）含水层、隔水层交错分布、相互迭置、易形成孔隙度大的承压含水层。

（6）力学性质差别大，土层C、φ值极不均一。

2 第四系地层高边坡开挖易引发的地质灾害

由于第四系土层特有的水文、工程地质条件，大型露天矿山在采矿过程中形成的高边坡，破坏了原始土层的稳定及地下水运移、储存的条件，形成边坡后，边坡土层须达到新的稳定平衡，赋存于松散土层孔隙中地下水在新排泄途径上不断外泄，由此而带来诸多新的工程问题，在矿山及其周边引发地质灾害。

（1）边坡垮塌。渗透变形和地表水冲刷，造成边坡垮塌。

（2）滑坡。地下水的长期排泄、淘蚀，引起土层渗透变形，改变土层内应力分布，发生剪切变形破坏、形成连续滑移破坏面，导致土层滑坡。

（3）矿坑充水。边坡开挖揭露含水层，给含水层以排泄空间，水体迅速外排，尤其是承压水头作用下，排泄快、水量大，一旦矿坑内排水设施不够，矿坑内迅速将会被水淹没，形成充水矿坑。

（4）周边地质灾害。边坡垮塌、滑坡可能引起的边坡上部的建筑物破坏，大量排水导致周边地面沉陷、建筑物沉降、开裂、倾斜、甚至倒塌、地表水体干涸、地面开裂等系列问题，从而引发工、农业生产瘫痪，人民生命财产无法保障等社会问题。

3 第四系地层内高边坡失稳的机理分析

3.1 影响第四系边坡稳定的主要因素

露天矿开采后，造成第四系高边坡稳定问题的主要因素有：

（1）开挖形成的边坡坡角过陡，即开挖坡角大于边坡内相应土层的自然稳定休止角。

（2）边坡排水不畅和大量地表水冲刷。

（3）大量排水造成土层渗透破坏，带出细颗粒，形成流土或管涌。

（4）矿山开挖爆破振动，造成沙土液化。

上述影响因素中，边坡角、排水和爆破等不利因素，可通过边坡开挖设计得到合理解决。而渗透破坏影响范围广，处理难度大，长期困扰露天矿山覆盖层压伏矿体的开采，系急需解决的技术难题。

3.2 渗透破坏导致边坡失稳的机理分析

3.2.1 边坡失稳破坏的发生机理

露天采矿揭露形成的高边坡使地下水排泄有了临空面，即含、透水层被人为截断，含、透水层内的水体在水头作用下（尤其是承压水头作用下）向基坑内直接排泄。大量的排泄水沿着透水性好的层次径流排泄，带走近临空面处的细颗粒，使土层发生渗透破坏。渗透破坏的不断发生，加大水力梯度，造成粗颗粒架空，增加土颗粒的有效应力，当土体颗粒承担的有效应力超过其允许承载能力时，则发生剪切破坏。这种由近至远不断破坏的过程，导致土层整体出现剪切破坏，形成边坡垮塌、滑坡、地面塌陷、裂缝等。

3.2.2 渗透破坏引发地质灾害的类型

（1）陡立的土层边坡。渗透破坏发生后，水体不断带走细小颗粒，首先临近边坡发生小规模流土或坍塌破坏；当土体能够阻止边坡继续变形破坏时，小范围的破坏可能被终止，并导致在阻水性能较好的粘土层，粉质粘土层形成直立的陡坎。这在很多边坡上经常看到某些粘土层悬挂于边坡之上，即可验证。

（2）边坡垮塌、滑坡。若渗透破坏治理不及时，任其渗透破坏发展延伸，一旦超过土层抗剪能力时，上部土体也将随之被剪切破坏，形成边坡垮塌、滑坡。

（3）地面沉陷。含水层（或承压含水层）水体被排泄，细小颗粒被带走，当由水体承担的上覆土体的重力转为土体颗粒承担后，有效应力增加，使土层压缩，出现地面沉陷。

（4）地面开裂、地表水体干涸、建筑物破坏。排泄水体沿透水层发生渗透破坏，一旦与上部土层或地表发生连通，导致地面开裂、地表水体干涸或大范围地面变形。

4 边坡内承压含水层渗透稳定问题的处理技术研究

露天矿山开采第四系内高边坡开挖形成后，揭露的第四系地层内由于其沉积形成的基本特性决定，表部多为潜水含水层，深部则多因粘土层或粉质土层的阻隔形成承压含水层，不同含水层内产生的渗透破坏，常与土层的性质密切有关，处理时，必须根据具体情况加以区别对待。一般而言，浅部潜水含水层的渗透破坏采用常规的边坡治理措施和含水层止水方案即可达到理想的处理效果，但深部承压含水层的渗流破坏治理相对难度则大得多。由于文章篇幅所限，仅介绍承压含水层渗透破坏的处理技术。

4.1 承压含水层渗透破坏处理的主要意图

（1）阻断边坡内、外的含水层的水力联系，设置防渗帷幕。

（2）防止细小颗粒被带出，设置固脚压渗。

（3）有效排出边坡至帷幕体之间的地下水，提高边坡自稳能力。

（4）顺利排走地表水体，在坡面设置好有效排水沟，防止冲刷。

上述意图中，后三者可通过开设排水沟，设置排水孔、坡脚反滤排水棱体等方法即可达到目的，设置防渗帷幕则因水文、工程地质条件复杂，方法选择十分关键。

4.2 承压水截水帷幕设置方案研究

在承压含水层中设置截水帷幕，主要目的阻断含水层内的水体向边坡外排泄，保持边坡承压含水层的水力平衡，防止渗透破坏发生。可供帷幕设置的方法有：高压喷射灌浆；混凝土防渗墙；常规帷幕灌浆；双液可控灌浆。

4.2.1 防渗帷幕设置方法对承压含水层的适宜性

由于承压含水层特殊的水力性质，帷幕实施时，水头会不同程度地对幕体发生水力破坏，各种方法分别具有各自成幕的特点，造成帷幕的连续性受到制约。

（1）高压喷射灌浆。在钻孔内利用高压水或高压浆流对土体进行切割，并用水泥浆液与切割后的土体充分拌合形成水泥土混合体，各灌孔桩墙相互搭接起到整体防渗作用。

高喷防渗墙整体形成受下列因素控制：钻孔斜度、孔深、切割水压力、浆体的凝结速度与承压水头的淘蚀作用、墙体的连续性。其中尤其是承压水水头的作用最不利墙体连续形成整体，即当水头较高时，由于高喷时孔口敞开，喷入的浆土混合液在水流作用下，从薄弱部位被孔内承压水流带走，造成墙体不连续，导致整体防渗效果差。因此高喷灌浆很难在承压含水层内形成高喷连续墙体，不适宜用于在承压水条件下防渗施工。

（2）混凝土防渗墙。用相应机械先开挖成槽，再往槽段内浇筑混凝土，使之形成连续的混凝土防渗墙，以阻止水体外泄与渗漏。这种方法在承压含水层内，槽体开挖需要一定的时间，槽段形成后，含水层内水体在水头作用下会立即向槽段内排溢，极易造成槽墙垮塌，成槽难度极大，此外，混凝土浇筑过程中，还会受到承压水头的顶托，混凝土浇筑不密实。该方法不适宜承压水含水层内的防渗施工。

（3）常规帷幕灌浆。采用钻孔利用水泥浆或粘土水泥浆用泵送入灌段，充填土层中的孔隙，然后成排连续形成帷幕，阻止水体外泄，这种方法在透水性好的承压含水层内，受灌范围广，浆材耗量大，浆液会在透水性强的层次扩散远，很难在垂直方向形成连续幕体，施工成本高，防渗效果差，很难适宜于承压含水层内帷幕的施工。

（4）双液可控灌浆。采用在钻孔内逐段灌入特定的快速凝结的水泥——水玻璃浆液，利用浆液快速凝结特性，控制浆液有效扩散范围，此法既能保证充填透水孔隙，又不易被水流冲蚀带走，使之快速形成连续幕体，防渗效果较好。对于承压含水层内帷幕灌浆施工是一种经济可行的施工方法。

4.2.2 双液可控帷幕灌浆施工主要技术要点

（1）可控制扩散范围的双液浆液。配合比、通常选择1∶1～0.7∶1的单一水灰比，水泥浆液掺加3%～15%速凝剂组成（视不同情况选定不同掺加比例）。

（2）适宜的灌浆压力。既能保证浆液顺利进入灌段，又能在孔段内扩散到需要范围。选择压力要充分考虑浆液的粘滞阻力、管路的长度、钻孔的深度等，同时又不能抬动上部的土体。直接作用于灌段上的压力以（1.0～2.0）MPa为宜。

（3）灌段结束标准。分段灌浆时，以灌段压力达到设计要求，注入率小于5L/min或累计灌入量达到充填相应半径范围内孔隙的需浆量后，再上提灌注至全孔结束。涌水位于孔口以下的孔，对未灌注段可采用粘土球或双液浆封孔；孔口有涌水者应注意屏浆，采用埋管者宜灌注至浆液受承压水顶托不流动为止。

（4）质量检查。施工部位完成14天后，在帷幕中心线上布置5%左右的检查孔直接进行取芯检查，查明帷幕线上灌段孔隙充填情况，量测孔内的地下水位，进行注水试验，评价灌浆效果与帷幕质量。

4.3 工程实例处理效果

马钢集团姑山矿露天采场西扩工程边坡中存在于边坡下50m左右的承压含水层帷幕灌浆即采用双液可控灌浆方法施工的，全线900余m长的边坡开挖线，帷幕灌浆完成后半个月即实施了含水层试验揭露和一个月后大范围的砂卵砾石层揭露，帷幕止水效果良好，漏水量仅30 L/s左右，满足设计和开挖要求，已正常外扩采矿，充分显示出工程效益和经济效益。

5 结 语

第四系土层由于具有特有物理力学性质和水理性质，大型露天矿高边坡开挖易引发系列地质灾害，其中渗透破坏是引起第四系内高边坡变形破坏和系列地质灾害的主要原因。要有效防止含水层在高边坡上出现渗漏破坏，截住含水层水体的外泄，形成有效止水帷幕。目前已有的帷幕施工方法中，双液可控灌浆是行之有效的施工方法。实践证明，它能有效形成帷幕，截住渗透水流，防止出现边坡变形破坏等主要功能，为诸多下伏于深厚覆盖层下的富水矿山开采提供了一条有效的处理途径。