贾起超，孙 杰，郝 喆，申 城

（辽宁大学 环境学院，辽宁 沈阳 110036）

海州露天煤矿曾经是亚洲最大的露天煤矿，由于露天开采的作业方式，改变了地形、地貌及岩土体的应力应变条件，强烈地破坏了原来的地质环境，产生了一系列复杂的矿山环境问题。目前，海州露天矿重点在北帮开展了地质灾害治理和生态修复。生态修复起到了防治水土流失、净化空气和美化环境的作用，但也会对岩土边坡的稳定性产生影响。学者们运用不同方法对露天矿边坡稳定性进行大量研究。杨天鸿等[1]依据数据分析、现场模型可视化验证了三位一体边坡稳定的评价思路；黄堃[2]使用FLAC3D数值模拟软件重点剖析露天矿边坡稳定性相对较弱的地段，对露天矿边坡位移规律进行分析总结；王旭春等[3]基于有限单元法和强度折减法构建滑移区三维地质模型进而分析评价露天矿的边坡稳定性；冯德润等[4]根据赤平投影法和强度折减法，对某矿山边坡进行稳定性分析；胥孝川等[5]利用云物元模型构建了露天矿边坡稳定性的模型；曹兰柱等[6]运用FLAC3D软件模拟验算弱层群边坡滑移面比较危险的地方；侯敏[7]采用理论分析运用数值模拟对边坡的破坏形态进行了验证；DU 等[8]通过地质结构面几何形态和抗剪强度对露天矿边坡稳定性进行评价。

从露天矿边坡稳定性研究现状来看，主要限于原始边坡或加固治理后边坡，而对于生态修复后露天矿边坡的稳定性，特别是对于原始边坡、加固后边坡和生态修复后边坡稳定性的变化规律缺乏深入探讨。为此，以阜新海州露天煤矿边坡为例，对露天矿的原始边坡、加固治理后边坡、覆土栽植后边坡分别进行稳定性分析；为露天矿安全运行、边坡灾害分析和应对策略提供科学依据。

1 边坡模型

1.1 研究区域概况

露天矿位于阜新煤田中部，阜新市之南偏东的位置，海州矿开采形成了大型深凹露天矿坑，露天坑东西长3.8 km，南北宽1.8 km，深350 m。露天坑长轴走向约N70°E。北帮边坡的走向基本上与层状岩层的走向方向一致，而且岩层呈缓倾角的方式倾向坡外，其倾角与现今边坡的坡角基本一致，构成了18°～20°倾角的顺向坡。北帮边坡具有6 个弱煤层组成的弱层群，倾角与弱层倾角方向保持一致，形成了典型的弱层群顺层高边坡。

经现场勘察，露天矿岩土体主要由第四纪土层、煤层弱层、基岩层和断层组成。边坡全长范围之内，E10 大约处于中部，该剖面地层复杂，6 个弱层分布明显，且被2 个断层切割。为此，针对E10 剖面地层结构，建立计算模型，模型长约1 500 m，高约350 m。露天矿边坡剖面及地层结构如图1。

图1 露天矿边坡剖面及地层结构

1.2 模拟参数选取

根据现场岩土工程勘察报告，获得的地层岩土体主要物理力学参数取值见表1。

表1 岩土物理力学试验成果表

考虑的计算工况分为：降雨工况和非降雨工况。根据规范[9]要求，边坡上有非常重要建筑物或边坡滑落会造成严重生命财产损失的，其边坡安全系数为1.50。海州矿北帮边坡上有阜新发电厂等重要建筑，将安全系数取为1.50。

按勘察所得真实地下水位来模拟设定水位线。在饱和－非饱和渗流分析中，结合边坡现场条件，获取计算模型所需水土特征参数。采用Geo－studio 中的SEEP/W 模块进行非饱和渗流模拟。模型底部设为不透水边界，左右两侧水位线以下设为定水头边界，其余为0 流量边界；坡面设为降雨流量边界。根据本地区气象条件，将模拟降雨强度设为暴雨上限（100 mm/d）级别，并将降雨历时设定为2 d，进行相应的非饱和渗流模拟分析。

2 露天矿边坡稳定性

2.1 原始边坡

1）非降雨工况。非降雨工况下的原始边坡稳定性分析结果如图2。非降雨无植物体原始边坡的稳定性系数为1.343＜1.50，不满足规范[9]要求，经过各个弱层的安全系数结果分析对照，滑坡在4＃弱层安全系数最小最不稳定。滑体后缘位于整个边坡上部，滑体前缘位于整个滑坡的中部，滑体最深处约12 m，滑面在基岩和煤层之间顺层面滑动。因此，进一步进行压脚整形对原始边坡进行加固。

图2 非降雨下原始边坡稳定性

2）降雨工况。降雨非饱和渗流工况下的原始边坡稳定性分析结果如图3。无植物体原始边坡降雨非饱和边坡稳定性系数为1.285＜1.50，不满足规范[9]要求，滑体后缘位于整个边坡上部，滑体前缘位于整个滑坡的中部，滑面在基岩和煤层之间顺层面滑动，属于顺层滑坡。原始边坡的降雨非饱和边坡稳定性系数1.285 小于非降雨1.343，地下水位线上移，位于弱层之上距地表10 m 左右，因此需要对原始边坡采取压脚整形等治理措施。

图3 降雨非饱和渗流工况下原始边坡稳定性

2.2 压脚整形边坡

在坡脚位置处，采用矿坑内既有内排岩土开展压脚工程，以保证坡脚稳定，防止边坡滑坡。岩土逐层回填，分层厚度500 mm，压实系数为0.9，压脚最大高度为50 m，压脚区坡度约为40°。

1）非降雨工况。非降雨工况下的压脚整形边坡稳定性分析结果如图4。压脚整形边坡后的非降雨边坡稳定性系数为1.751＞1.50，满足规范要求，经过各个弱层的安全系数结果分析对照，滑坡在5＃弱层安全系数最小。压脚整形加固后可满足露天矿边坡稳定性要求，滑面位置靠中上段，滑体后缘位于整个边坡的上部，滑体前缘位于整个边坡的中部，与原始边坡对比滑面范围变大，滑体位置更深，滑面在弱层煤层之间顺层面滑动。

图4 非降雨压脚整形支护后边坡稳定性

2）降雨工况。降雨非饱和渗流工况下的压脚整形边坡稳定性分析结果如图5。压脚整形边坡的降雨非饱和边坡稳定性系数为1.721＞1.50，满足相应规范要求。边坡降雨入渗效果与岩土渗透性系数、初始边界条件有关，由于岩层的非饱和渗流作用，地下水位以上的非饱和区范围增加更为明显。压脚整形边坡的降雨非饱和边坡稳定性系数为1.721 小于非降雨边坡稳定性系数1.751，根据孔隙水压力分布和边坡分层结构特征可以推断，在强降雨工况下，边坡更容易失稳，表现为沿表层坡面的整体滑坡，而对深部滑坡稳定性的影响不大。

图5 降雨非饱和渗流工况下整形边坡稳定性

2.3 覆土植物栽植边坡

按现场露天矿边坡生态修复方案，先进行削坡整形，形成坡高15 m，平台宽3 m 的分级台阶。植物修复对于边坡稳定性的影响，主要体现在上部荷载和根对土的加筋作用。荷载增大了坡体重力，不利于边坡稳定性；根系加筋能提高土体参数，有利于边坡稳定性。现场覆土层厚度为0.8 m，灌木栽植间距为1 m。根据现场苗木生长状态，苗木高度1.5 m 左右，地径2 cm 以上，大规格苗木胸径5 cm，得灌木荷载为0.2 kN，边坡区域按灌木植物施加荷载。对于植物修复后的根际土，采用土体加筋模式确定修复后根际土的物理力学参数取值，再进行植物覆土栽植后的边坡稳定性计算。现场调查，根际土厚度按1 m选取，根际土参数依据直剪试验确定为：①密度：1.76 t/m3；②黏聚力：20 kPa；③内摩擦角：22.5°。

1）非降雨工况。非降雨工况下的覆土栽植后边坡稳定性分析结果如图6。覆土植物栽植后边坡的非降雨边坡稳定性系数为1.702＞1.50，满足规范要求，经过各个弱层的安全系数结果分析对照，由于植物栽植修复之后，安全系数在6＃弱层最小。覆土栽植后边坡安全系数小于压脚整形边坡安全系数，滑面位置向内部延伸，滑体后缘位于整个边坡的下部，滑体前缘位于整个边坡的上部，滑体位置最深处更加深，边坡更加稳定，滑面顺着煤层滑动。

图6 覆土栽植后边坡稳定性

2）降雨工况。降雨非饱和渗流工况下的覆土栽植后边坡稳定性分析结果如图7。覆土栽植边坡的降雨非饱和边坡稳定性系数为1.611＞1.50，满足规范要求。覆土栽植边坡的降雨非饱和边坡稳定性系数1.611 小于非降雨边坡稳定性系数1.702，边坡在风化和残煤自燃作用下表层岩体破碎，降水会产生较大的地表水侵蚀作用，表层冲刷和入渗会进一步加剧裂隙扩展、导致边坡表层强度降低，加剧边坡表层的局部垮塌，对边坡表层稳定性影响较大。可见，现场地下水位较深基本在40 m 以上，滑坡面高于浸润线，地下水的存在未导致安全系数和滑移面改变。但应注意到，降水会产生较大的地表水侵蚀作用，冲刷和入渗会加剧表层裂隙扩展，对边坡表层稳定性有较大影响。

图7 降雨非饱和渗流工况下覆土栽植边坡稳定性

3 结语

建立了植物修复下露天矿弱层群顺层高边坡稳定性分析模型，确定了非降雨和降雨条件2 种工况，分析了原始边坡、压脚整形边坡和植物修复边坡稳定性的变化规律。

1）从原始边坡到压脚整形边坡，边坡的滑移面从4＃弱层向下延伸到5＃弱层；从压脚整形边坡再到覆土栽植边坡，边坡的滑移面继续向下延伸到6＃弱层。滑面沿弱层群顺层滑动，但弱层群不会沿着断层面进一步滑移，滑动层位不受断层切割的影响。

2）在非降雨工况下，从原始边坡到压脚整形边坡的安全系数提高了0.408，安全系数增加比较大；压脚整形边坡到覆土植物栽植边坡的安全系数降低了0.049，安全系数降低较小。从原始边坡到覆土植物栽植边坡的安全系数提高了0.359，经过治理后露天矿边坡稳定性系数达到要求，使边坡更加稳定。

3）在降雨工况下的非饱和渗流分析中，从原始边坡到压脚整形边坡的安全系数提高了0.436，安全系数增加比较大；压脚整形边坡到覆土植物栽植边坡的安全系数降低了0.11，安全系数变化较小。从原始边坡到覆土植物栽植边坡的安全系数提高了0.326，经过治理后露天矿边坡稳定性系数达到要求，使边坡更加稳定。

4）从整体来看，对露天矿边坡采用压脚技术，有效增加边坡的稳定性，并改善和提高滑动面的抗滑性能，即使在不利的自然条件下，也能有效地保证施工和使用安全。而植物体具有提高和降低边坡稳定性的双重效果，由于植物根的作用区域有限，难以对弱层滑面产生有效的加固作用，使得从压脚整形边坡到覆土植物栽植边坡的安全系数略有降低。