伯方矿区黄土边坡稳定性综合分析

王 鹏

（山西兰花集团伯方煤矿，山西 高平 048411）

伯方矿位于山西省高平市城区西北约7km处，区内地形复杂，基岩出露，沟谷发育，沟谷呈树枝状展布，局部为黄土覆盖，黄土覆盖较厚，悬崖陡壁发育。研究区内由于自然作用和工程活动主要形成三类黄土边坡：即自然边坡、人工切坡、排土场堆坡，三类边坡上下均有生产活动，边坡失稳曾造成巨大经济损失，为防治黄土边坡失稳造成的灾害，亟需对其形成原因和失稳机制进行研究并指导生产活动。

1 地质背景

研究区位于太行山中南丹河段西侧，为沁水煤田高平矿区王报井田的一部分。井田面积约27.5km2，为西北高东南低的低山丘陵区，主要为第四系沉积物，植被较少，黄土覆盖较厚。井田内河流均为季节性河流，平时干涸无水，仅在雨季时有洪水流过。该区属东亚温带大陆性气候，年均气温10.2℃，年均降水量567.1mm，雨季多集中在7、8、9三个月，约占全年降水量的70%，年平均冻结天数 78.2d，一般出现在1～2月份前后，最大冻土深度54cm。煤矿采动对土地的破坏主要形式为不同长度、宽度和落差的裂缝，坡度较大的山地还可能出现塌陷，崩塌或滑坡。

2 边坡概况

研究区东南低山丘陵区多为黄土覆盖，塬、梁、峁、丘广泛分布，常形成陡崖、残柱、陷穴等微地貌，地形切割剧烈，黄土陡坎部位可见土体崩塌与裂缝现象，遇大洪水时，河谷内有轻度泥石流发生。井田内共有滑坡多处，面积小，形态不规则，多分布于沟谷两侧，滑坡属于小型类型。由于地形坡度较大，地层倾角平缓，软硬岩层呈互层状。

根据工程地质调查，黄土边坡地层自上而下依次由中上更新世黄土（Q3+Q2）组成，其野外特征及分布规律分述如下：（1）Q3黄土：为淡黄色粉土、粉砂土，厚0～20m，分布于边坡顶部，垂直节理发育，坡面有零星植被，富含植物根茎及虫孔，局部形成落水洞。（2）Q2黄土：为浅红色亚粘土，厚0～55.00m，主要分布于边坡中、低部。天然含水量6.6%～22.4%，饱和度46.2%～94.0%，孔隙少 0.648～1.041，压缩系数 0.005～0.015，湿陷系数为0.109，自重湿陷系数0.017，湿陷量一般在240～60mm之间，具湿陷性，湿陷等级为Ⅰ级，垂直节理较发育。各层土的物理力学性质试验结果见表1。

表1 数值计算所使用的土体主要力学参数

2.1 自然边坡

在矿区东南有多处黄土自然边坡，现取典型自然边坡进行分析，坡结构图见图1。此边坡位于由流水切割作用形成沟谷内，坡高30～50m，坡度70°～90°，局部形成反坡，长约300m，边坡陡立，黄土垂直节理发育,坡顶开辟为农田，坡面除有零星植物外，总体裸露，表面常形成落水洞。所在沟谷平时干涸无水，无地表径流，雨季为洪水排泄通道，据排水渠及水井观察，沟内稳定水位深度在2～5m。地下水主要受大气降水补给，局部受泉水补给，水位随季节变化幅度较大。

图1 1号边坡结构图

2.2 人工切坡

矿区人工开挖了大量的黄土边坡，高度由3～55m不等，曾多次开挖黄土边坡后失稳造成损失。现取典型2号边坡进行分析，边坡结构图见图2。此边坡坡高 50～55m，坡度 50°～70°，长约 300m，坡顶有车辆通行，坡底有排水水沟，排水沟内常年有水流动，沟内稳定水位深度在2～5m。雨季时曾因阴雨天气造成已建好的料石支挡工程坍塌，造成损毁厂房和设备。

图2 2号边坡结构图

2.3 人工堆坡

矿区由于工程建设开挖并排弃大量的土方，在3号处形成了人工堆坡，坡高约21m，坡度25°～30°，长约50m，坡顶为车辆通行道，曾因边坡失稳造成车辆侧翻和人员受伤。

3 边坡稳定计算与分析

3.1 模型建立

计算程序采用目前在岩土工程界较为成熟的FLCA2D数值分析软件进行数值模拟。根据现场调研结果，分别建立模型。

（1）自然边坡以1号边坡体为模型，该模型边界条件为长40m、高52m、坡度75°，地层从上到下有Q3黄土、S1古风化土壤、Q2黄土，分别厚约20m、0.5m、30m。

（2）人工切坡以2号边坡体为模型，该模型边界条件为长47m、高53m、坡度50°～70°，地层从上到下有Q3黄土、S1古风化土壤、Q2黄土，分别厚约22m、0.5m、30m。

（3）人工堆坡以3号边坡体为模型，该模型边界条件为长50m、高21m、坡度50°，为Q3+Q2混合黄土。

3.2 计算结果及分析

1号、2号及3号边坡的稳定性主应力分布云图分别见图3、图4及图5，箭头为速度-位移场变化，曲线为破坏变形区，底图为xy平面内的最大主应力分布。

（1）1号自然边坡计算结果显示安全系数为0.85，为不稳定边坡，在曲线标定的范围内可能会出现塑性破坏区。因此，此类型的边坡应及时采取处理措施，尤其在7～9月份，降水常以集中形式出现，而黄土具有垂直节理发育的特点，降水将会顺着节理方向形成捷径式的补给，当含水率增大时，其强度将会迅速降低，很容易出现边坡的滑动。

图3 1号自然边坡主应力分布云图

图4 2号人工切坡主应力分布云图

（2）2号人工切坡计算结果显示安全系数为1.1，处于临界状态。2号边坡因坡顶有脱硫设施等工程活动，坡底又有排水水沟，可能会侵蚀坡脚，诱发边坡向不稳定状态转化。因此，需要对此边坡采取加固措施，以增大其安全系数。

（3）3号人工堆坡计算结果显示安全系数为0.6，局部不稳定。云图显示滑动面主要位于临空面的坡顶，因此在边坡边缘进行工程活动时应采取措施。

图5 3号人工堆坡主应力分布云图

4 边坡工程治理对策

（1）自然边坡因其柱状节理发育，下部经流水侵蚀形成反坡，在浸水或冻融后发生塑性变形，对上部黄土使去支撑力，往往沿柱状节理发生倒塌。可采取人工消除危岩土体以防崩塌或片帮，必要时对坡体比较破碎、节理裂隙发育地段采用压力注浆胶结破碎坡体。

（2）对于人工切坡的要求：① 高度小于10m的，坡度应小于70°，坡比1：1退台放坡。② 高度大于10m小于40m，坡度不大于60°，除按照上述放坡原则外，在30m处退6m平台。③ 高度大于40m的边坡，坡度不大于50°，在40m处退10m平台。采用浆砌块石，配合锚杆加固，对于顶部稳定性较好的边坡，可在表面挂网锚喷防护。当边坡较高时，为减少土石方的开挖，在边坡底部增设重力式挡土墙或其他形式的挡土墙。为提高黄土地基承载力，增加挡土墙高度，减少基础被水浸湿，挡土墙基础底部（埋在路肩以下部分）应该不小于该地区的最大冻土深度。

（3）对于排土堆坡，高度较小的边坡，可将坡面削缓，并尽可能使得坡面与水平面的夹角小于原有的角度；对于较高的边坡，可将边坡分为若干小段，形成台阶状，以减少滑动的可能性。修筑挡土墙，挡土墙应筑在稳定的地层上，避免出现挡土墙和滑动体一起下滑的现象；在滑体内打入或现场灌注防滑桩，并贯入稳定地层，以防止边坡滑动。

（4）对于人工切坡和排土场堆坡应加强排水。① 在坡顶应修筑截水沟防止边坡以外的水流入坡体、渗入坡体或对坡面进行冲刷。② 在坡体内应设置必要的排水设施，使水能尽快排出坡体，如设置排渗孔、排水盲沟及排水涵洞。③ 在坡脚设置坡底排水沟，要求排水沟具有良好的防渗性能，使其能够拦截来自上方的地表水流。

5 治理效果的分析及结论

（1）高陡的自然边坡已经处于不稳定状态，在雨季很容易引起边坡滑动，放缓边坡是最简便、经济、安全可靠的方法。

（2）人工切坡虽然处于稳定状态，但在进行人工切坡时，必须考虑边坡及其支护结构在正常施工和正常使用时能承受可能出现的各种载荷作用，以及在偶然事件发生后能保持必须的整体稳定性。

（3）在人工堆坡坡顶边缘进行工程活动必须注意采取安全防护措施，因为此类边坡的滑动面具有隐蔽性的特点。实践表明，此类边坡是安全事故的多发地。