矿山安全工程学：不稳定边坡治理

第四节　不稳定边坡的治理措施

一、边坡治理措施的分类

不稳定边坡会给露天矿的生产带来极大的危害，因此矿山生产应十分重视不稳定边坡的监控，并及时采取合理的工程技术措施，防止滑坡的发生，从而确保生产人员和设备的安全。

我国自20世纪50年代末期开始研究不稳定边坡的治理，特别是从20世纪80年代以来，各种新的工程技术治理方法得到了有力的推广，获得了良好的效益。不稳定边坡的治理措施大体可分为以下四类。

（1）对地表水和地下水的治理。生产实践和现场研究表明，对那些确因地表水大量渗入和地下水运动影响而不稳定的边坡，采用疏干的方法治理效果较好。对地表水和地下水治理的一般措施有:地表排水、水平疏干孔、垂直疏干井、地下疏干巷道。

（2）采取减小滑体下滑力和增大抗滑力措施。具体方法有缓坡清理法与减重压脚法。

（3）采用增大边坡岩体强度和人工加固露天边坡工程技术。普遍使用的方法有:挡土墙、抗滑桩、金属锚杆、钢绳锚索以及压力灌浆、喷射混凝土护坡和注浆防渗加固等。

（4）周边爆破。爆破振动可能损坏距爆源一定距离的采场边坡和建筑物。对采场边坡和台阶比较普遍的爆破破坏形式是后冲爆破、顶部龟裂、坡面岩石松动。周边爆破技术就是通过降低炸药能量在采场周边的集中和控制爆破的能量在边坡上的集中，从而达到限制爆破对最终采场边坡和台阶破坏的目的。具体的周边爆破技术有减振爆破、缓冲爆破、预裂爆破等。

二、边坡治理的注意事项

滑坡应立足于防，而治次之。要防止露天矿场边坡滑坡，必须抓好以下三个环节。

（1）露天矿的地质勘探阶段的工程地质、水文地质资料的收集和整理，是露天矿场边坡设计工程的基础工作。在资料不足或不确切的情况下设计的边坡在稳定性上是没有依据的，这会给露天矿的生产阶段带来滑坡的隐患。实践证明，在露天矿的勘探阶段进行有关的工程地质、水文地质的勘探工作，是研究露天矿边坡稳定性的基础。因此，要求地质说明书论及边坡稳定问题，并应提出地质部门的意见。在审议地质报告时，应有专门从事边坡稳定性的人员参加。

（2）露天矿的设计阶段应对边坡稳定性做出恰当估计。设计部门应配备从事边坡设计的人员，与采矿设计人员合作，分析地质资料，科学地选用岩体力学指标。用各种稳定计算方法对边坡的各重要区段做出稳定性评价。经过经济比较后，确定是否进行边坡加固。在设计中还应根据具体情况考虑疏干排水、爆破减振等措施。为验证边坡稳定设计，在设计中还应考虑设计长期观测网以及其他监测手段，以预防滑坡的产生。

（3）露天矿进入生产阶段后，要求对边坡稳定性问题进行一系列研究和管理工作。在生产阶段，岩层逐渐被揭露，因此，进一步进行工程地质、水文地质勘探工作十分重要。在此基础上对各区段边坡稳定性做重新评估，对那些滑坡危险区段及时采取防治措施。

三、治理顺序

不稳定边坡的治理工作应按一定程序进行，它反映了各治理措施的轻重缓急次序。不稳定边坡治理工程的顺序如下:

（1）截住并排出流入不稳定边坡区的地表水。

（2）尽量采取疏干措施降低地下水位。

（3）采取削坡减载措施。

（4）采取人工加固工程。

四、边坡治理的措施

（一）疏干排水法

1.地表排水

一般是在边坡岩体外面修筑排水沟，防止地表水流进边坡岩体表面裂隙中。排水沟要求有一定的坡度，一般为5‰；断面大小应满足最大雨水时的排水需要；沟底不能漏水；要经常维护好水沟，防止水沟堵塞。

边坡顶面也应有一定的坡度，使边坡顶部不致积水。在具有较大张开裂隙的边坡，该地降雨量又多，在这种情况下，除了开沟引水外，还必须对裂隙进行必要的堵塞，深部宜用砾石或碎石充填，裂隙口宜用黏土密封。

2.地下水疏干

地下水是指潜水面以下即饱和带中的水。对于地下水可采取疏干或降低水位，减少地下水的危害，这样既可提高现有边坡的稳定性，又可使边坡在保持同样稳定程度的情况下加大边坡角。地下水的疏干应在边坡不稳定变化之前进行，必须详细收集有关边坡岩体的地下水特性及其分布规律的资料。

防治地表水和地下水的原则是:防止地表水进入边坡的裂隙中；采取各种有效的排水疏干措施，将地下水面降到滑动面以下；排水疏干工程的布置，一般只限于待疏干边坡附近的地下水，没有必要疏干更大范围的地下水。

地下水的疏干有天然疏干和人工疏干两种。当露天开采切穿天然地下水面时，地下水便向采场渗流。这样，采场就要排水，边坡内的水位降低造成天然疏干。由于岩体中的裂隙不通达边坡表面，因而仅依赖于天然疏干是不够的，还必须配合人工疏干，才能达到预期的目的。疏干系统的规模与欲疏干边坡的规模有关，其效率与它穿过的岩体不连续面的数量有关。具体的疏干方法要依据总体边坡高度、边坡岩体的渗透性以及经济条件、作业情况等因素确定。

（1）水平疏干孔。从边坡打入水平或接近水平的疏干孔，对于降低裂隙底部或潜在破坏面附近的水压是有效的。水平疏干孔的位置和间距取决于边坡的几何形状和岩体中结构面的分布情况。在坚硬岩石边坡中，水一般沿节理流动，如果水平孔能穿过这些节理，则疏干效果会很好。

水平疏干孔的主要优点是施工比较迅速，安装简便，靠重力疏干，几乎不需要维护，布设灵活，能适应地质条件的变化。缺点是疏干影响范围有限，而且只有在边坡形成后才能安装。

（2）垂直疏干孔。在边坡顶部钻凿竖直小井，井中配装深井泵或潜水泵，排除边坡岩体裂隙中的地下水，是边坡疏干的有效方法之一。在岩质边坡中疏干井必须垂直于有水的结构面，以利于提高疏干效果。在坚硬岩体中，大部分水是通过构造断裂流动的。

垂直疏干井与水平疏干孔相比，其主要优点是它们可以在边坡开挖前安装并开始疏干。而且，不论何时安装，这种装置均不与采矿作业相互干扰。采矿前疏干有较大好处，因为在某些情况下，疏干井抽水费用可能由于爆破及运输费用的降低而得到弥补。抽出的水常常是清洁的，可用于选矿厂或其他方面。

（3）地下疏干巷道。在坡面之后的岩石中开挖疏干水源巷道作为大型边坡的疏干措施，往往在经济上是合理的。对于大型边坡，由于钻孔的疏干能力有限，很可能需要打大量的孔洞。一个给定的边坡，通常只需要一个或两个水源疏干巷道。

（二）机械加固法

机械加固边坡是通过增大岩石强度来改善边坡的稳定性。采用任何加固方法都要进行工程与经济分析，以论证加固的可行性和经济性。只有当稳固边坡的其他方法，如放缓边坡角或排水等都不可行或代价更高时，才考虑机械加固法。

1.采用锚杆（索）加固边坡

用锚杆（索）加固边坡是一种比较理想的加固方法，可用于具有明显弱面的加固。锚杆是一种高强度的钢杆，锚索则是一种高强度的钢索或钢绳。锚杆（索）的长度从几米到几百米。

锚杆（索）一般由锚头、拉伸段及锚固段三部分组成。锚头在锚杆（索）的外面，它的作用是给锚杆（索）施加作用力。拉伸段在孔内，其作用是将锚杆（索）获得的预应力（拉应力）均匀地传给锚杆孔的围岩，增大弱面上的法向应力（正应力），从而提高抗滑力。对于坚硬而又较破碎的岩石，锚杆的预应力可使锚杆孔围岩产生压应力，从而增大破碎岩块间的摩擦阻力，提高围岩的抗剪强度。对于非预应力锚杆，只在安装完后锚杆受拉时，将应力均匀地传给围岩。锚固段在锚杆（索）孔的孔底，它的作用是提供锚固力。

锚杆在安装时，由于孔与弱面之间的夹角不同，锚杆所起的作用也不同，因此应该寻求一个最合理的位置，让锚杆发挥最大的作用。锚杆与弱面间的关系如图8-6所示。它有三种不同的锚固方向，从图8-6（a）中可看出，当锚杆垂直于弱面时，锚杆仅给弱面提供一个摩擦阻力p。如图8-6（b）、（c）所示，β＜90°，此时锚杆的锚固力不仅给弱面提供一个摩擦阻力p_v，而且还提供向上抗滑力p_h，图8-6（c）所提供的抗滑力较图8-6（b）所提供的抗滑力更大。按照极限平衡理论，γ应为一负角，即锚杆向上与水平面间的夹角为5°～10°最理想。图8-6（d）中，β＞90°，此时锚杆的锚固力不仅产生一个有利于边坡稳定的摩擦阻力p_v，还将产生一个助滑力p_h。综上所述，图8-6（a）、（b）、（d）的锚固方向不可取。(www.chuimin.cn)

图8-6　锚杆的几种锚固方向

α.弱面倾角；β.锚杆与弱面间的夹角；γ.锚杆与水平面间的夹角；p.锚固力；p_v.法向分力；p_h.平行于弱面的分力

锚杆的长度应穿过滑动面，在有弱面存在的稳定岩层中，普通锚杆的长度为1.0～1.5m，预应力锚杆长为2.5～3m。预应力锚索的长度可达到数十米乃至近百米，因而适用于加固大型边坡。

为保证锚杆（索）加固边坡的效果，在每两根锚杆（索）之间布设钢筋混凝土横梁，并在锚头和横梁上挂设钢丝网，然后在钢丝网上喷上水泥浆，以防止边坡碎石滚落和风化，并使边坡岩石构成一个与锚杆（索）加固的完整系统，加强边坡的稳定性。

2.采用喷射混凝土加固边坡

喷射混凝土是作为边坡的表面处理。它可以及时封闭边坡表层的岩石，免受风化、潮解和剥落，同时又可以加固岩石，提高岩石的强度。喷射混凝土可单独用来加固边坡，也可以和锚杆配合使用。对边坡喷射混凝土时，其回弹量的大小主要取决于喷射手的技术和是否加速凝剂。喷层的厚度一般约为10cm。为了提高喷射混凝土的强度，特别是提高抗拉强度和可塑性，可加设钢筋网。有时也可以在喷射混凝土干料中加入钢丝或玻璃纤维以提高其抗拉强度，这种混凝土叫钢丝纤维补强混凝土。

如果因为边坡有了喷层而将地下水封闭在边坡岩体内，此时地下水的静水压力会导致有裂隙的边坡更加不稳定，为此，应该自喷混凝土的表面打入排水管，接通到有裂隙水的弱面或含水层，以便排除地下水，减轻边坡的失稳程度。

喷混凝土前必须注意以下几点:

（1）边坡面上松动岩石应该事先消除，以保证其加固效果。

（2）为了保证喷混凝土能与边坡岩层紧密黏结在一起，喷射前应在边坡表面洒一层水。

（3）为了提高喷混凝土的抗弯和抗拉性能，必须在喷射前铺钢丝网时，应使钢丝网离开边坡表面一段距离，尽量使钢丝网接近混凝土的表层。

（4）喷混凝土仍需用水养护。

3.采用抗滑桩加固边坡

用抗滑桩加固边坡的方法已在国内外广泛应用。抗滑桩的种类很多，按其刚度的大小可分为弹性桩和刚性桩；按其材料不同可分为木材、钢材和钢筋混凝土，钢材可采用钢轨或钢管。一般多用钢筋混凝土桩加固边坡，其中又分为大断面混凝土桩和小断面混凝土桩。前者一般用于破碎、散体结构边坡的加固，而后者一般用于块状、层状结构边坡的加固。露天矿边坡加固是在边坡平台上钻孔，在孔中放入钢轨、钢管或钢筋等，然后浇灌混凝土将钻孔的空隙填满或用压力灌浆。桩径、桩的间距和插入滑动面的深度，大多按照经验进行选取。

用抗滑桩加固边坡时，抗滑桩的位置至关重要，当桩位选得不好时，就会使抗滑起不了多大的作用。当桩位设于滑坡体的前缘，即桩位偏低，滑体有可能从桩顶滑下，当桩位设在滑体的后缘，即桩位偏高，桩下则可能出现新的裂隙，桩下部岩体仍有可能发生滑动。以上两种情况下的抗滑桩均未能起到应有的作用。最合理的桩位应是在滑体几何中心稍偏下，如图8-7中“3”所示位置。

图8-7　桩位示意图

1.桩位偏低；2.桩位偏高；3.最合理的桩位

抗滑桩加固边坡的优点较多，如布置灵活、施工不影响滑体的稳定性、施工工艺简单、速度快、工效高、可与其他治理的加固措施联合使用、承载力较大等。因此，该方法在国内外露天矿边坡加固工程中被广泛的应用。

4.采用挡土墙加固边坡

挡土墙是一种阻止松散材料的人工构筑物，它既可单一地用作小型滑坡的阻挡物，又可作为治理大型滑坡的综合措施之一。挡土墙的作用原理是依靠本身的重量及其结构的强度来抵抗坡体的下滑力和倾倒。因此，为了确保其抗滑的效果，应注意挡土墙的位置，一般情况下，挡土墙多设在不稳定边坡的前缘或坡脚部位。在设计与施工中，必须将墙的基础深入到稳固的基岩内，使其深度保持有足够的抗滑力，确保滑体移动时挡土墙不致产生侧向移动和倾覆。有时，开挖挡土墙基础要破坏部分滑体，因而会造成滑体的滑动，这就要求边挖边砌，分段挖砌，加快施工速度。

用挡土墙防止滑坡的优点是可就地取材，施工方便，有一定的抗滑能力；但挡土墙本身重量大，对于滑体下部台阶又增加了附加的载荷，这对下部边坡的稳定不利，再加上可能破坏滑体的前缘，挖砌挡土墙的工作量大等因素，在露天矿的防滑治理中不常采用。

常用的挡土墙可用混凝土、钢筋混凝土、砌片石及木支架做成，图8-8列举了三种类型的挡土墙。

图8-8　挡土墙的几种类型

（a）钢筋混凝土；（b）钢板桩加回填料；（c）木支架1.钢筋混凝土挡土墙；2.排水管；3.粒状回填料；4.钢板桩；5.回填料；6.木支架

5.采用注浆法加固边坡

它是在一定的压力作用下通过注浆管使浆液进入边坡岩体裂隙中。一方面用浆液使裂隙和破碎岩体固结，将破碎岩石粘结为一个整体，成为破碎岩石中的稳定固架，提高了围岩的强度；另一方面堵塞了地下水的通道，减小了水对边坡的危害。要使注浆能达到预期效果，注浆前必须准确了解边坡变形破坏的主滑面的深度及形状，以便使注浆管下到滑面以下有利的位置。注浆管可安装在注浆钻孔中，也可直接打入。注浆压力可根据孔的深度和岩体发育程度等因素确定。

（三）周边爆破法

目前矿山广泛采用高台阶、大直径炮孔和高威力炸药进行爆破，有效地降低了采矿成本。但这些措施也造成了爆破区能量集中，以致出现最终边坡的严重后冲破裂问题。如果对后冲破裂不加以控制，最终势必会降低采场边坡角，造成剥采比增加的不良经济效果。此外，还将产生更多的坡面松动岩石，使设计的安全平台变窄、失效或并段，使工作条件恶化。虽然可以采取一些补救措施，如大面积地撬浮石，使用钢丝网或其他人工加固措施，但价格昂贵，且难以实现。应当考虑大型爆破节省的资金与维护边坡质量花费的资金之间的平衡，最好的解决方法是控制爆破的影响即采用控制爆破技术，以达到不损坏边坡岩石的固有强度的目的。

露天矿山通常采用的控制爆破方法有减振爆破、缓冲爆破、预裂爆破和线状排孔。这些方法的设计目的是使露天矿周边边坡每平方米面积上产生低的爆炸能集中，同时控制生产爆破的能量集中，以便不破坏最终边坡。通过采用低威力炸药、不耦合装药与间隔装药、减小炮孔直径、改变抵抗线和孔距等方法，可以实现最终边坡上的低能量集中。

1.减振爆破

减振爆破是一种最简单的控制爆破方法。这种方法通常与其他控制爆破技术联合使用，如预裂爆破等。减振爆破是控制爆破中最经济的一种，因为它缩小了爆破孔距。减振孔排的抵抗线应当为邻近的生产爆破孔排的0.5～0.8倍。减振爆破服从的一般法则是抵抗线不超过孔距，通常采用抵抗线与孔距之比为0.8。如果比值过大，就可能产生爆破大块，并在爆破孔周围形成爆破漏斗。如果药包受到过分的约束，就不能破碎到自由面。如果孔距过大，每对爆破孔之间可能保留凸状岩块在坡面上。

减振爆破只有在岩层相当坚硬时才单独使用。它可能产生较小的顶部龟裂或后冲破裂，但其破坏程度较之根本不采用控制爆破的主生产爆破产生的破坏要低。

2.缓冲爆破

缓冲爆破是沿着预先设计的挖掘界限爆裂，但在主生产爆破孔爆破之后起爆这些缓冲爆破孔。缓冲爆破的目的是从边帮上削平或修整多余的岩石，以提高边坡的稳定性。

为了取得最佳的缓冲效果，全部缓冲爆破孔应该同时起爆。在坚硬岩石中，抵抗线与孔距之比应为0.8～1.25；在非常破碎或软弱的岩石中，该比值应为0.5～0.8。沿预先设计的挖掘线呈线状穿，少量装药并起爆，削掉多余的岩石。爆破孔直径一般为10～18cm，孔距为1.6～2.4m，可以通过低密度散装药达到装药量的降低，从而相应地改善了这种方法的经济效果。缓冲爆破得到与预裂爆破相类似的结果。在坚硬岩石中，爆破后暴露的边坡面平滑整洁，且残留孔痕明显可见。

3.预裂爆破

预裂爆破是最成功、应用最广泛的一种控制爆破方法。在生产爆破之前起爆一排少量装药的密间距的爆破孔，使之沿设计挖掘界限形成一条连续的张开裂缝，以便散逸生产爆破所产生的膨胀气体。减振爆破孔排可用来使预裂线免受生产爆破的影响。预裂爆破的目的是对特定岩石和孔距，通过特殊的方式装药，使孔壁压力能爆裂岩石，但仍不超过它们原位的动态抗压强度，以及使爆破孔周围岩石不发生压碎。因为大多数岩石的爆压均大于6.8×10⁸Pa。而大多数岩石的抗压强度都不大于4.1×10⁸Pa，所以必须降低爆压。降低爆压可通过采用不耦合装药、间隔装药或低密度炸药来实现。