研山鐵礦順傾含水巖質邊坡穩定性與生態修復技術研究*

白宇鑫,嚴加駒,趙森,夏冬,2,3,吳朝松

(1.華北理工大學 礦業工程學院,河北 唐山市 063210;2.華北理工大學 河北省礦業開發與安全技術重點實驗室,河北 唐山市 063210;3.河北省礦區生態修復產業技術研究院,河北 唐山市 063210;4.首鋼灤南馬城礦業有限責任公司,河北 唐山市 063701)

0 引言

邊坡穩定是露天礦安全有序開采的前提,順傾和地下水聯合作用對巖質邊坡的安全穩定極為不利[1],開展順傾含水巖質邊坡穩固技術研究對指導礦山安全生產具有重要的實際應用價值。同時,巖質邊坡生態修復是綠色礦山建設的重要組成部分[2]。因此,在確保順傾含水巖質邊坡安全穩定的基礎上,采取行之有效的生態修復技術,對礦山的安全生產和綠色礦山的建設具有重要的指導意義。

眾多學者在層理傾角、地下水對邊坡穩定性影響方面做了大量的研究工作,如郭明珠等[3]對強震作用下含軟弱夾層順層巖質斜坡的動力響應規律進行了試驗研究,揭示了含軟弱夾層順層巖質斜坡在強震作用下的動力響應規律;曾勝等[4]的研究成果表明,在降雨滲流及干濕循環作用下,紅砂巖順層邊坡的穩定性系數降低了約60%;邱天琦等[5]采用數值模擬的方法分析了不同坡角對應的最危險巖層傾角,結果顯示,最危險巖層傾角下的破壞均為整體順層滑移破壞;楊肖鋒等[6]對板裂結構順層巖質邊坡滑移-彎曲破壞機制進行了系統分析,提出了板裂結構順層巖質邊坡潛在彎曲破壞點的預測模型;劉新榮等[7]對頻發微小地震下順層巖質邊坡累積損傷及穩定性進行了分析;唐雨生等[8]對含軟弱夾層的順層巖質滑坡漸進破壞進行了數值模擬研究,并提出相應的加固治理措施。

上述研究成果為順層含水巖質邊坡穩定性分析與加固方案的設計奠定了基礎。在露天礦全壽命周期內,為實現綠色礦山建設的總體目標,需要對立地條件極端惡劣的巖質邊坡進行生態修復與重建[9]。當前,邊坡生態修復大多采用噴播類[10]、飄臺法[13]、植生袋法[14]、爆破燕窩法[15]、藤本護坡[16]等較為成熟的技術,這些技術的應用,對指導露天礦巖質邊坡生態修復具有重要的借鑒意義。地下水、巖體產狀對邊坡穩定性與生態修復技術方案的選取均有重要的影響。研山鐵礦東幫為順傾含水邊坡,為實現邊坡的安全穩定與生態復綠,本文在分析地下水長期作用對順傾邊坡穩定性影響規律的基礎上,采取疏干排水技術措施提高邊坡的穩定性,之后采取有針對性的生態修復技術實現邊坡復綠。

1 工程概況

研山鐵礦東幫為順傾巖質邊坡,邊坡巖體以不同風化程度的黑云變粒巖為主,巖體傾角多在40°～60°之間,與邊坡坡面角基本一致。邊坡臨近新河,該河多年平均徑流量為31 m3/s,雖在部分區域采取堵水帷幕等技術措施堵截地下水的滲流,但受新河滲流的影響,局部地區仍有地下水滲出。礦山開采現狀、局部滑坡與巖層產狀分別如圖1和圖2所示。

圖1 研山鐵礦開采現狀

圖2 局部滑坡與巖層產狀

2 順層含水邊坡穩定性分析

邊坡穩定是開展邊坡生態修復的前提,根據邊坡與新河的相對位置關系,選擇距新河較近的N24、N26和N28勘探線剖面進行長期飽水作用下的邊坡穩定性分析,因3個剖面的分析方法相同,故僅以N26勘探線剖面為例,進行邊坡穩定性計算,簡化后的N26剖面各巖體的層位關系如圖3所示。

圖3 N26剖面各巖石層位關系

2.1 巖體強度參數計算

東幫邊坡主要由第四系表土層、石英砂巖、不同風化程度的黑云變粒巖、白云母片巖和磁鐵石英巖組成,各巖體在天然狀態下的容重與抗剪強度參數見表1。

表1 研究區域巖體力學參數

研究表明,受開采擾動的巖體在地下水的長期作用下,其強度隨飽水時間的延長而降低[1]。由水文地質勘察資料可知,邊坡中黑云變粒巖、白云母片巖在礦山開采過程中可能長期處于含水或飽水狀態。為分析長期飽水對邊坡巖石抗剪強度的影響規律,對飽水時間分別為15 d、30 d、45 d、60 d、75 d和90 d的黑云變粒巖和白云母片巖進行直剪試驗,其黏聚力和內摩擦角與飽水時間關系曲線如圖4所示。

圖4 巖石黏聚力、內摩擦角與飽水時間關系曲線

由圖4可以看出,黑云變粒巖、白云母片巖的黏聚力和內摩擦角均隨飽水時間的增大而減小,上述參數的降低,將對邊坡的穩定性產生不利影響,因此,在進行邊坡生態恢復與重建工程施工之前,需要分析邊坡的穩定性。

2.3 邊坡穩定性分析

根據邊坡的實際情況,參照相關設計規范,根據對邊坡工程地質條件的認知程度,考慮服務年限和邊坡類型等因素,將1.25作為東幫邊坡的安全儲備系數。依據N26勘探線剖面的工程地質、水文地質條件,建立該剖面邊坡穩定性分析模型,并采用有限元軟件對所選剖面的邊坡穩定性進行分析,首先分析自然與疏干排水狀態下,邊坡保持穩定的最小邊坡角。所建立的自然與疏干排水狀態下的邊坡穩定性分析力學模型如圖5所示。

圖5 邊坡穩定性分析模型

根據邊坡穩定性分析模型,結合各層位巖體物理力學參數(自然狀態時黑云變粒巖、白云母片巖采用飽水時的物理力學參數,其他巖體采用天然狀態下的物理力學參數;疏干排水狀態時,各巖體均采用天然狀態下的物理力學參數)。通過計算可知,當邊坡安全系數為1.25時,天然與疏干排水狀態下邊坡的最終邊坡角分別為38.4°和41.3°。自然、疏干排水狀態下,邊坡發生滑坡的整體與局部滑動面分別如圖6和圖7所示。

圖6 自然狀態下邊坡整體與局部滑動面

圖7 疏干排水狀態下邊坡整體與局部滑動面

為分析飽水時間對邊坡角的影響規律,計算黑云變粒巖、白云母片巖飽水15 d、30 d、45 d、60 d、75 d和90 d后最終邊坡角的大小。根據計算結果可知,當邊坡巖體在飽水15 d、30 d、45 d、60 d、75 d和90 d后,邊坡在安全系數為1.25的情況下,最終邊坡角分別為37.5°、36.8°、36.1、35.7°、35.4°和35.2°,因巖體在不同飽水時間情況下,邊坡的破壞模式與巖體處于自然狀態相似,在此不全部列出。

通過上述分析可知,長期飽水是影響邊坡穩定的重要因素之一。目前,通常采用堵水帷幕、疏干排水或二者綜合應用的方式降低地下水對邊坡穩定性的影響。根據邊坡最終境界與新河的相對位置關系及后繼邊坡生態重建的需求,采用疏干排水的方式降低地下水對邊坡穩定性的影響。疏干排水采用平孔排水技術措施,其具體技術指標為:排水孔直徑為100 mm,孔內設直徑為80 mm 的濾水套管,以防孔壁坍塌堵死。

排水孔施工完畢后,需將排出的地下水匯集于蓄水池,為后期生態修復工程提供滴灌水源。在垂直方向上每隔2個平臺修筑1個蓄水池,每個蓄水池的容積不小于20 m3。在水平方向上,相鄰2個蓄水池之間的距離為80～100 m。上下兩個蓄水池之間用槽形排水溝或管道相連,如上一級蓄水池中水滿之后,水會沿排水槽或排水管道流到下一級,各蓄水池全部注滿水之后,水會沿排水槽或排水管道匯集于坑底,最后統一排出坑外。

3 邊坡生態重建技術研究

巖質邊坡因立地條件極為惡劣,而成為礦山生態修復與綠色礦山建設的重點與難點區域。研山鐵礦東幫邊坡主要由順傾黑云變粒巖組成,該邊坡的生態修復工程主要由順傾坡面和平臺兩部分組成。邊坡生態防護施工方法如圖8所示。

坡面生態修復技術:因邊坡巖體層理與臺階坡面角順傾,臺階坡面角約為60°,臺階較高、坡面較光滑,噴播類生態修復技術不適用于該類邊坡。根據邊坡的順傾特點,結合其所處的環境條件,經多方論證后,開發出適宜于順傾含水巖質邊坡生態修復技術——鉆孔-鋼管植藤生態修復技術。該技術的具體施工工藝如下。

(1) 坡面清理與噴漿。采用人工與機械相結合的方式清除坡面上的浮石、傘巖,用清水將清理完的坡面沖洗干凈后,為防止坡面巖體風化,在坡面上噴水灰比為1∶2.5的水泥漿。

(2) 鉆孔與無縫鋼管安裝。采用鉆機垂直于層理面鉆鑿直徑為200 mm 的鉆孔,鉆孔貫穿潛在滑動面的長度以不小于1 m 為宜,且孔底避免與結構面重合。鉆孔內的巖屑清理干凈后,將外徑為200 mm 的無縫鋼管嵌入到鉆孔內,鋼管的長度與孔深相同,鋼管的外壁應與鉆孔孔壁貼合緊密。鋼管長度如超過800 mm,超過部分應填入細沙,細沙頂面到孔口填入營養土,如鋼管長度未超過800 mm,則鋼管內直接填入營養土,鋼管縱橫向間距、距坡頂和坡底的間距均為2 m,呈梅花形布置,鉆孔植藤施工過程如圖9所示。

圖9 鉆孔植藤施工過程

(3) 藤本植物栽植。營養土填充完成后,在每個鉆孔中栽植一年生爬山虎1株,栽植完成后需要及時進行澆水養護,確保植株的成活率,鉆孔植藤生態修復初期效果如圖10所示。

圖10 鉆孔植藤生態修復初期效果

平臺生態修復技術:平臺為礦山開采后形成的安全平臺、清掃平臺和運輸平臺,在進行生態修復工程施工前,需要對平臺進行去浮石處理,保證平臺表面相對平整。平臺生態修復具體的技術方案如下。

(1) 修筑擋土墻。在坡腳處修筑漿砌毛石擋土墻,擋土墻底部距臺階坡腳的距離為1 m,墻高為0.8 m,擋土墻內側覆0.6 m 厚的土層,覆土后栽植爬山虎和側柏,爬山虎和側柏的栽植間距均為1 m,且在栽植時二者錯開,即在2株側柏的中間位置栽植1株爬山虎,栽植后加強澆水養護。

(2) 鋪設防滲層。在邊坡平臺上鋪設黏土防滲層,黏土層的壓實厚度不小于100 mm,防滲層鋪設應均勻,不應有巖石出露。

(3) 修筑擋土埂。在坡肩處修筑擋土埂,擋土埂斷面為底邊不小于1.2 m、頂邊不小于0.6 m、高不小于0.6 m 的梯形,擋土埂需要分層填筑、壓實,每層鋪土厚度不大于0.2 m。擋土埂頂面每隔1 m栽種1株2年生的滾地柏,其他區域覆蓋無紡布后種植多年生黑麥草。

(4) 擋土墻與擋土埂間平臺綠化。擋土墻與擋土埂間覆土后進行綠化,覆土厚度不小于300 mm,覆土層中不應含有影響后續種植植物的大石塊,覆土后應進行整平,在覆土層上撒播灌木和豆科牧草種子,以實現覆土層的快速綠化。

4 結論

(1) 長期飽水對巖石抗剪強度參數影響顯著,飽水90 d后,黑云變粒巖、白云母片巖的黏聚力由天然狀態時的221.2 kPa、92.2 kPa 分別下降到192.3 kPa和66.4 kPa,內摩擦角由38.3°、37.1°分別下降到33.2°和31.2°。

(2) 飽水時間對邊坡穩定性具有顯著影響,隨著飽水時間的增加,邊坡安全系數呈降低趨勢,當邊坡巖體飽水15 d、30 d、45 d、60 d、75 d和90 d后,邊坡安全系數為1.25 的情況下,最終邊坡角分別為37.5°、36.8°、36.1°、35.7°、35.4°和35.2°。

(3) 在巖體結構特征分析、順層含水邊坡穩定性計算的基礎上,提出一種適宜于順層含水邊坡生態修復技術——鉆孔-鋼管植藤生態修復技術。該技術在快速實現巖質邊坡復綠的同時,對順傾邊坡起到一定的加固作用。