边坡稳定性的影响因素
1引言
小龙潭露天煤矿随着采矿工程的不断延拓、降深，已形成高达120m的高边坡。高边坡的变形问题日益严重，特别是1999年以来沿该矿北帮边坡地表外缘50多米的范围内业已形成了 2.9km 长的裂缝，严重危及到该矿胶带运输系统及部分建筑物的安全。本文以现场调查、地表裂缝实测资料为基础，结合边坡工程地质条件、地表及地下岩体位移监测资料，对边坡岩体变形机制进行了探讨，并对研究区边坡的稳定性进行了分析评价。
2边坡工程地质概况
2.1地层岩性
小龙潭露天的地层由新至老依次为：第四系地层、上第三系小龙潭煤组、三迭系地层。第四系地层主要由第四系人工填土、第四系残坡积粘性土、第四系冲湖积层和冲积层组成。层厚0— 20m 左右。上第三系小龙潭煤组由泥灰岩、主煤层、薄层煤及粘土岩组成。三迭系地层由泥岩、灰岩组成。
2.2水文地质条件
露天采场境界以外主要为第四系孔隙水和风化裂隙水，接受大气降水和地表水等渗入补给，排泄点集中在南帮；孔隙水和风化裂隙水均为潜水，总体上具统一地下水位，地下水位埋深0.5— 8m 。露天采场境界以内的主煤层、薄煤层中的裂隙水主要接受大气降水、地表水及上部孔隙水补给，向坑底径流，在坑底以裂隙状散流方式排泄至坑底水塘；在边坡地带为潜水，在坑底具微承压性，总体上具统一地下水位，地下水位埋深0— 18m 。
2.3软弱夹层赋存条件及膨胀土分布
小龙潭盆地煤系地层为水成地层，呈半成岩状。在沉积过程中具周期性、韵律性，因此存在与煤系地层成份不同的泥质含量较大的薄夹层（炭质粘土岩等）。这些薄夹层呈单层及交替的薄层互层层状，局部地段成为密集分布带，单层厚度一般为1— 7cm 。天然条件下多为坚硬状态，粘土岩层的产状多与岩层一致，但透水性与岩层有较大的差异，由于该层透水性差，在这些部位较易形成饱水带；在水的作用下，粘土岩易于软化，呈软塑—可塑状，具滑腻感，其抗剪强度大幅降低，随着软化带的扩展，最终可演变成控制边坡失稳的软弱夹层。在钻探过程中，炭质粘土岩段常缩径强烈，导致埋钻等事故；而岩芯呈短柱状或稀泥状，可塑或硬塑状，干燥后变硬并开裂。勘探表明，软弱夹层主要分布于主煤层的中、下段和薄煤层的上段，这些部位分布密集，延伸性、连续性较好。
研究区膨胀土主要分布层位是第四系残积坡积层、上第三系粘土岩及三迭系地层泥岩。地表露头特征为地形坡度平缓，无明显自然陡坎，地层内裂隙密集，断口光滑并具擦痕。钻孔岩芯特征为多呈坚硬、硬塑状，结构致密，断口光滑并可见擦痕。据矿物试验分析，膨胀土的化学组份以硅、铅为主，粘粒主要由高岭石、伊利石等粘性矿物组成。具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形的特点，在季节性干湿气候变化条件下，常导致低层砖石结构的建筑物开裂损坏。
综上所述，小龙潭露天边坡类型按岩层结构分可归结为层状结构边坡，即是由相互平行的一组结构面构成（结构体为层状）的边坡；按岩层倾向与坡向的关系分则可归结为顺向边坡，即岩层走向与坡向垂直，倾向与坡向一致。因此，综合考虑可定义为顺层边坡，见典型地质剖面，如图1所示。
3边坡岩体变形特征
3.1地表裂缝分布特征
据调查，小龙潭露天煤矿在1985年前西北帮四大队的房屋及附近输煤皮带廊和地表就有不同程度的开裂变形。地裂缝集中分布在北帮、西北帮坡缘地带，如图2所示，总体展布呈带状环绕矿坑分布，带宽80— 180m ，总长约 2900m 。从形成时期上分两阶段：1993年1月至1994年4月，形成的地裂缝为地裂带外侧地裂缝；1998年4月至1999年5月，形成的地裂缝为地裂带内侧的地裂缝。据现场测绘及槽探工程揭露，前期地裂缝近直立，并稍向矿坑倾斜，地下1.5— 2.0m 处逐渐闭合，裂缝两侧土体有错位现象，主裂缝附近有数条牵引小裂缝。主干地裂缝水平位移一般为30— 50cm ，垂直位移一般为20— 70cm ，位移方向均指向矿坑。后期主干地裂缝水平位移一般为10— 40cm ，垂直位移一般为10— 50cm ，位移方向通常指向矿坑。地裂缝通过地段的构筑物均有不同程度的变形破坏，而且地裂缝已成为地表水入渗坡体的主要通道。此外，坑底老抽水站近年来，持续发生开裂、倾斜、隆起等变形破坏现象，1998年初以来，地坪最大隆起达 1m 左右。
3.2边坡岩体变形特征
小龙潭露天边坡北帮布设了地表位移观测点，建立了较系统的监测网，并于1998年2月开始监测，取得了大量可靠的第一手数据，见图2小龙潭露天矿边坡变形位移矢量图及图3所示的P06-2观测点位移历时曲线。与P06-2观测点相似，各观测点位移特征具有共同性、一致性。结合剖面，在边坡底部的观测点的位移量不仅在X向、Y向很大，而且H向位移量也较大，位移矢量向上，位移是呈持续的递增性变大。在边坡中、上部的观测点的监测结果表明，其位移矢量方向基本一致，均指向坑底，倾向同滑面倾向也较一致；位移同样是呈持续的递增性变大。
此区域边坡属于顺层剪切变形破坏，位移量大，最大位移量接近 500mm ，同一剖面上的监测孔的位移量值相当接近，如G3—G3´剖面两个监测孔（G303、G6-3）位移量分别为 250mm 和 200mm 左右； G6—G6´剖面两个监测孔（G6-2、G6-3）位移量均在 200mm 以内；而G7—G7´剖面三个监测孔（G7-2、G7-3、G7-4）位移量最大，均大于 150mm ，其中边坡中上部的两个孔位移量更在 400mm 以上。这些特征充分说明了边坡变形的中心位置在北帮G7—G7´剖面一带，与地表位移观测结果一致。从监测孔变形－深度曲线（如图4所示）和钻孔柱状图与变形对照图上可发现。地下位移主要以剪切变形为主，而且是多层剪切，即存在着浅层（ 20m 左右）、深层（ 40m 左右）两个明显滑移面。剪切变形带或滑移面基本位于各钻孔的软弱夹层处，岩芯描述均为炭质粘土岩发育的位置。而在边坡底部的监测孔，尤以G7-4最为明显。表现为监测孔中部位移量大于上部和下部位移量，说明边坡在中上部岩体的作用下，已在G7-4监测孔一带的岩体中发生挤压隆起变形，随着该段剪应力不断增大，岩体将渐进变形、破坏，一旦滑移面贯通，将导致整体边坡以滑坡方式失稳破坏。
图3 P06-2观测点位移历时曲线 图 4 G 7-3监测孔变形-深度曲线
4稳定性分析
从边坡工程地质条件可知，其稳定性主要取决于，结构面的性质及其空间的组合，其中露天边坡赋存有软弱结构面，结构面物质软弱破碎，为粘土岩，水理性质不良，在水的作用下，抗剪强度低，且延展性较好，对边坡的稳定性影响最大。此外，地表水及浅部煤层因自燃而需灭火的常用水，大量汇入坡体，不但长期冲刷边坡，使其节理裂隙发育扩大，破坏边坡的完整性，而且软化岩层中的粘土岩，使其抗剪强度进一步降低形成软弱夹层，同时增大了边坡地下水水压力，对边坡稳定起到不利的作用。结合地表裂缝发育扩展情况、地表位移观测成果及地下岩移监测成果，将小龙潭露天边坡的变形破坏模式归结为顺层滑移变形，即边坡岩体受炭质粘土岩软弱面控制，中上部沿软弱面滑移(如图1典型剖面所示)，下部发生挤压隆起变形而渐趋破坏。
综上，选取了有地下岩移监测孔控制的，并具代表性的G3—G3´、G6—G6´、G7—G7´、G8—G8´、J10—J10´等剖面进行边坡稳定性分析。具体成果见表1所示。从计算结果可以看出，各剖面的稳定系数均偏低，处于极限平衡状态，对应于边坡的宏观岩移表象，G7—G7´剖面地表位移、地下岩移变形最大，稳定系数最小。当雨季来临，考虑地下水的作用时，边坡的各剖面稳定系数将降低，G7—G7´及其G3—G3´、G6—G6´、J10—J10´线控制的地段将呈不稳定状态。经计算，若边坡上部实施削坡减重措施，则边坡稳定性系数将达到1.28以上，从而满足采矿作业的安全性。这点在露天矿的生产实践中得到了验证。
从上述三个剖面还可看出,以地表观测点P05一线为中心，东西各至G7—G7´及G3—G3´一带，后缘位于环状地表裂缝处，前缘位于坑底，标高 980m 左右的变形体区域较明显。具体表现为变形体的滑动深度（浅层、深层）接近，坡表位移矢量指向相近，地下位移监测的滑移面比较清楚，皆位于炭质粘土岩软弱面处，更为主要的是所示滑移面后缘都处于地表裂缝区，浅层变形体对应于环状地裂缝带内侧地裂缝，深层变形体则对应于环状地裂缝带外侧地裂缝。这样就较好地勾画出变形体的形态特征，结合边坡工程地质分析，便能够客观地反映出边坡变形破坏规律、机理，为下一步工程措施及决策提供可靠依据。可见，在进行边坡稳定性分析评价时，必须在较为详实的地质资料的基础上，充分综合考虑地表位移、地下岩移的监测成果，特别是滑移面的确定方面，地下岩移成果显得尤为重要和必要。
表1 边坡稳定性计算成果表
剖面编号 滑面位置 稳定系数
推力法 Sarma法 J10—J10´ 浅层 1.11 1.15
G3—G3´ 浅层 1.09 1.14 深层 1.17 1.22
G7—G7´ 浅层 1.02 1.15 深层 1.22 1.24
5 结语
小龙潭露天边坡为高大顺层岩质边坡，边坡工程地质条件较为复杂，地裂缝、边坡变形失稳等地质灾害时有发生，并越来越成为影响采矿工程的主要因素。在综合小龙潭露天边坡工程地质条件、地表位移特征、边坡地下岩体位移特征及其分析成果的基础上，对典型剖面进行了稳定性分析。分析结果表明，现存边坡稳定系数偏低，处于极限平衡状态。变形体的区域也较明显。
需指出的是，地下水对边坡的稳定性影响较大。对地表水、灭火用水要进行全面有效的管理；对地表裂缝进行回填、开裂段防洪沟进行防渗处理，以尽量减少地表水的入渗。可采取更为积极有效的边坡地下水疏干措施。另外，可采取采矿工程协调，尽量减小采矿工程对边坡稳定造成的不利影响，并促使其向好的方面发展。
参 考 文 献
1 张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理[M].北京：地质出版社，1994
2 煤炭科学研究总院抚顺分院.小龙潭露天边坡地下位移监测及分析研究[R].抚顺：煤炭科学研究总院抚顺分院，2001
