寨崖底煤矿高山水池黄土高边坡失稳破坏模式与防治

刘文元,任 杰,朱清华,孙自强,焦 姗

(1.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024;2.中国冶金地质总局第三地质勘查院,太原 03002)

山西地处黄土高原地区,黄土型崩塌、滑坡等地质灾害频发,对人民的生命和财产产生了巨大的影响和威胁,研究黄土型地质灾害特性和提出经济有效的治理措施有重要意义[1]。

山西寨崖底发生的黄土高边坡滑塌对坡顶的高位水池、坡脚的雷管库和炸药库以及边坡下方的寨崖底煤矿洗煤厂的安全形成巨大的威胁。分析寨崖底高边坡滑塌成因以及采取治理措施非常重要。

1 工程概况

山西寨崖底某黄土高边坡的顶部有一高位水池,水池边界距离该边坡的最短距离仅为2 m左右。除此之外,寨崖底煤矿的雷管库和炸药库位于该边坡的坡脚处。该边坡于2016年发生自然滑塌,虽然没有发生人员及财产安全损失,但对坡顶的高位水池、坡脚的雷管库和炸药库以及边坡下方的寨崖底洗煤厂的安全形成巨大的威胁。

2 工程地质条件

1) 地形地貌。属晋西黄土高原区,地貌类型以侵蚀的黄土梁、黄土峁为主,其次为黄土沟谷地貌中的冲沟。区内地势南高北低,地形切割强烈。

2) 地层岩性。区域周边地表部分被第三系上新统(N2)和第四系上更新统(Q3)、全新统(Q4)所覆盖,基岩仅在勘查区周边的沟谷中出露。井田内发育的地层由下至上有奥陶系中统峰峰组;石炭系中统本溪组、上统太原组;二叠系下统山西组、下石盒子组,上统上石盒子组;新生界上第三系上新统,第四系上更新统和全新统的地层。

3) 地质构造。研究区地层总体上为一单斜构造,走向为北西-南东向,倾向南西,地层倾角平缓,一般为3°～7°,区内未发现有断层及陷落柱等构造,构造简单。

3 滑塌体的基本形态特征

滑塌高边坡沿着走向延伸方向约为140 m,垂直走向的方向该边坡的宽度约为130 m;该边坡的高度不等,最高处约为90 m,一般为75 m左右,属于高边坡;边坡坡度较陡,坡角一般为45°～65°之间,边坡整体坡度在50°左右,边坡坡面并非平直,坡面上发育有一系列的小冲沟,小冲沟的存在造成局部坡度较大,可达65°,见图1。

图1 高边坡的形态特征Fig.1 Morphology of high slope

滑塌黄土高边坡的下部地层为粉质粘土,上部地层为粉土。

通过野外调查发现,位于边坡顶部的粉土层中,垂直节理较为发育,节理面宽度不等,多为1mm～30mm之间,见图2、图3。高边坡受垂直节理面控制,已经发生多处黄土崩塌,崩塌体沿着坡面下滑导致滑塌灾害。

图2 高边坡的破坏特征Fig.2 High slope failure characteristics

4 滑塌体成因分析

黄土具有较好的直立性,在天然状况下,能够以较大的坡度保持稳定状态。同时,黄土又具有垂直节理裂隙,裂隙面往往从地表贯通至一定深度,形成潜在滑塌体,在天然状况下,潜在滑塌体根部的抗剪力大于剪切力,能够保持稳定,处于稳定状态或基本稳定状态;在降雨条件下,雨水顺着节理裂隙面入渗进入坡体内部,甚至达到潜在滑塌体根部,根部黄土的抗剪强度降低,抗剪力不足以抵抗剪切力,在根部发生拉裂错断式滑塌[2]。拉裂错断式滑塌的示意图见图4。

图3 高边坡的破坏特征Fig.3 High slope failure characteristics

图4 拉裂错断式黄土滑塌破坏模式示意图Fig.4 Failure Mechanism of tensile crack type and offset type loess slump

5 滑塌高边坡的治理设计

结合高边坡特性以及边坡设计要求,边坡治理采用削坡、锚杆(索)格构梁、加筋土挡墙和挡土坝进行加固,并且同时进行挂网喷锚、截排水和植物工程的设计方案,具体设计方案图示见图5。

图5 滑塌高边坡设计治理示意图Fig.5 Control design for high slope slump

1)削坡:将边坡开挖整平,单级坡率为1:0.5、1:1.5、1:2.0三种,坡高3.1 m～8.0 m不等,单级边坡间设置平台宽2.0 m～6.4 m,并且平台横坡上设置采用1%的自然倾斜角。

2)锚杆:锚杆设计孔径均为130 mm,锚杆钢筋均采用Φ25 mm的HRB400螺纹钢,注浆材料采用M30的水泥砂浆,注浆压力为0.20 MPa～0.50 MPa。锚索设计孔径均为150 mm,锚索采用3根Φ15.2 mm钢绞线,1860级无粘结钢绞线,锚具用OVM15-6型。

3)格构梁:格构梁垂直间距与水平间距为2 m×2 m,截面尺寸为400 mm×400 mm,采用C25混凝土。

4)挂网喷锚:挂网喷锚布置在顶部高位水池四周坡面之上及顶部第一级坡面,防止雨水入渗坡面。锚钉间距为2 m(高)×2 m(宽),锚钉成孔直径为100 mm,杆体钢筋为Φ25 mm,框条采用Φ8 mm圆钢筋(HPB235),钢丝网采用Φ2 mm普通镀锌钢丝,绑扎钢丝采用Φ0.5 mm～1.0 mm普通钢丝。喷浆护坡采用的砂浆强度不应低于M25,混凝土强度不应低于C20。砂应采用纯净的中粗砂,细度模数大于2.5,含土量不超过5%,含水率以4%～6%为宜。

5)截排水设计:水对边坡稳定性的影响极大,因此截排水设计很有必要。因此在边坡坡顶、平台及边坡两侧设置排水沟,沿自然坡率修筑;坡顶排水沟修筑距顶部2 m处,坡底排水沟距坡底1 m处,平台上则距单级边坡坡底0.5 m处。材料选用C30混凝土。

6)拦挡坝:挡土坝内侧为三合土(黄土:石灰:水泥,7:2:1)压实土坝,外侧采用浆砌石挡墙,采用M10浆砌石砌筑,设置于炸药库上部,利用自身坝体土体侧压力,可有效防止顶部边坡滑塌,并起到拦挡松散堆积物作用。墙外边坡坡率1:0.5,内边坡1:0.5,坝体顶宽2 m,底宽8 m,坝高6 m,基础埋深2.5 m。拦挡坝坝体设泄水孔,材料选用孔径110 mm的PVC管,外斜5%,最下排泄水孔距地面0.1 m,泄水孔竖向间距为1.5 m,水平间距3.0 m,上下左右交错成梅花状布置。每隔10 m设一道变形缝,缝宽20 mm～30 mm,缝中填沥青麻筋、沥青木板或其它有弹性的防水材料。使用1:3水泥砂浆勾缝。

7)植物措施:生物植被工程措施主要起到覆盖地表、稳定边坡、控制水土流失、美化环境的作用。本次生物工程措施选择的总体原则是以适应当地生长的苜蓿草为主,以迅速恢复植被。主要布置在坡底处,削坡坡面上。

6 结束语

本文在对山西寨崖底某黄土滑塌高边坡进行调查的基础上,结合工程地质条件和现场勘查结果分析了滑塌的成因机制,主要原因是由于降雨作用沿着黄土裂隙渗透,导致滑坡临空面方向强度降低较快,最终蠕变变形累积形成滑塌,在此基础上,根据滑坡稳定性设计要求,提出了合理有效的治理方案,为类似滑塌高边坡的治理设计措施提供了依据和指导。

[1] 董震,巨玉文.山西黄土地质灾害的特性及治理研究[J].科学技术与工程,2015,15(7):138-141. DONG Zhen,JU Yuwen.Characteristics of Geological Disasters in Shanxi Loess and Governance[J].Science Technology and Engineering, 2015,15(7):138-141.

[2] 谭建德.浅析黄土地区高路堑边坡滑塌成因及防治方法[J].甘肃科技纵横,2012,41(3):106-124.