韩城滑坡的先期位移机制及其治理措施

韩城滑坡的先期位移机制及其治理措施李田福党林才中国陕西西安，西北水电工程顾问中国北京，中国水电工程合作顾问摘要：由于地下煤炭开采，山体边坡的变形导致韩城发电厂的主体结构位移过大，一度达到使电厂停产的程度，已经制定了应急疏散预案。这是一个受附近煤矿的开采而影响电厂正常运行的典型例子。本文分析了韩城滑坡的机制，介绍了处理措施，并根据监测数据来评估治理效果。1 韩城滑坡治理概述1.1 滑坡的成因韩城电厂位于韩城市在沮水河左岸的二级阶地。阶地的台面平坦，其后为高约250m的南北走向的横山，斜坡上分布有多级阶地。电厂的主要结构按南北向布置在距横山东部山脚100-120m的位置。韩城电厂南邻象山煤矿，装机容量为380兆瓦（图1）。横山的底部和各级阶地是由二叠系的砂岩、泥岩互层组成的，其下为碳质砂岩、砂质泥岩以及煤层。岩层向坡外倾斜，倾角4-12，近电厂处平坦，山体附近陡峭。在电厂和横山的地表下180-280m内有三层可开采的煤层，即，二叠系岩层底部附近1.7m厚的3号煤床，石炭系内5m厚的5号煤床和11号煤床。韩城电厂始建于1972年，并于1979年落成。与此同时，从1974年到1985年4月，由于采用爆破的方法对象山3号煤床进行从东向西开采，导致了顶板塌落，采空区达0.8km2。采空区与电厂的主厂房最近水平投影距离约为180m，离坡脚的浓缩池仅有50m。5号煤床的开采从1979年七月开始到1995年三月停止。其采空区的水平投影离主厂房约500m，离浓缩池约300m。1982年，在斜坡上观察到了一些裂缝，主厂房东侧的干煤棚柱体开始倾斜，柱体的基础也开始上升。同年十二月，开始对电厂内的建筑物进行上升和位移的监测。从1985年起，主厂房的建筑物上开始出现一些裂缝，烟囱也开始倾斜。横山的山坡开始朝SW250-260方向运动，主厂区开始出现北东方向的隆起带。1985年六月，水利水电部派专家到电厂进行现场调查。专家将这个斜坡的位移定义为滑坡，从那时起这个斜坡就被命名为“韩城滑坡”。1.2 初次治理韩城滑坡的初次治理是在1985年到1989年。设计师认为韩城电厂的基础遭受到了严重的位移和破坏是由于电厂东部的横山滑坡，不仅是整体的滑坡还包括表层的滑坡，因此，要确保电厂不受挤压变形，必须消除滑坡对电厂的水平推力。为此，采取了以下措施：1. 斜坡顶部削坡减载0.9百万m；2. 沿坡脚设置73根钢筋混凝土（主要利用废旧钢轨配筋）抗滑桩。把部分桩截面为3m5m，埋深35m-38m，达到预计的滑面以下；3. 在抗滑桩顶上部坡体建造了4面挡土墙；4. 在坡体表面开挖截排水沟。治理工程花了5年的时间，并在治理的过程中建立并完善了监测系统。图 1韩城电厂和滑坡的布局在1988年十二月桩基础开挖的时候，就观察到基坑内每个滑带都处于饱水状态。根据承包方的施工记录的数据，当基坑开挖到地表15m以下时才观测到地下水。承包方试用下吸式潜水泵来排水。两个泵都在25m深度以下试用。抽水后，地下水位在南部的桩基础降低了10m，在中部和北部的桩基础下降了20m-30m。与此同时，山体前缘的位移速率降低到1mm-1.2mm/月，这被认为是设计师当时山顶削坡减载的结果。然而，在1989年3月，就在几十个紧急抗滑桩完成之前，桩顶的位移速率突然增加至5.7mm/月。因此，滑动速率降低的主要原因是由于桩基础开挖过程中的抽取地下水；当抗滑桩浇筑完成以后地下水向河谷的渗流界面减少了3/8，这导致了地下水压力快速升高最终使滑动速率增加。由于抗滑桩开始承受荷载和水压力同时地质条件趋于稳定，1989年下半年至1994年五月，抗滑桩的位移速率已将下降到1mm-1.8mm/月。然而，测量显示康华章内加强筋的最大拉应力为60MPa-97MPa远低于设计值（280MPa）。这意味着滑面位于桩基础以下，抗滑桩根本没起到作用，这就解释了为什么蠕滑从未停止。1.3 韩城滑坡的快速滑动从1994年的五月到十月，红旗隧道（一个由明渠和暗渠组成的对韩城的引水工程，位于标记区域的北部和东部，由于表格的限制在图1中没有表示出来）穿越北部山区和横山时发生了严重的泄露，导致了象山煤矿的280m水平隧道里水流量从87m/h增加到485m/h。同时，抗滑桩的平均位移速率增加到3.82mm/月，主厂房的梁、柱系统发生了严重的变形甚至出现裂缝。在这样的情况下，制定了紧急疏散计划，以确保在工厂操作人员的安全。1994年十一月，红旗隧道的巷道进行了阻水治理，使得涌水量降低至210m/h。根据1995年三月的测量数据，红旗隧道的渗漏量为300m/h，分析认为120m/h进入矿井，180m/h流入了坡体。1995年3月，电力部召开了紧急处理会议，做出应该把韩城滑坡的治理工程签署给NWH的决定。1.4 第二次治理NWH通过地址调查和初步的机理分析，得出结论，韩城滑坡是一个有多个滑面的蠕滑变形体。由于横山的煤矿开采和顶板的塌落形成了天然的拱形洞穴。电厂的基础是顺着山体的临空面的，水平方向的拱推力使坡体沿倾向坡外的缓倾层间软弱带发生蠕滑，因此电厂基础下的SN方向隆起带的上升导致了电厂厂房的结构严重变形。在雨季，以及短时间内地下水位因为地表水的下渗和红旗隧道的渗漏而上升，会导致蠕滑的加速。因此，治理方案确定为以排水为主的综合治理。首先进行第一阶段的紧急治理，如果有必要的话，还将实施包括卸压拱推力在内的第二阶段治理。第一阶段采取的治理措施如下：1. 暂停已关闭很长时间的3号煤床范围的煤矿开采，1995年四月关闭5号煤床；2. 红旗隧道暂停使用，进行堵漏工作。在1995年六月进行了检查，并与童年十一月恢复供水；3. 1995年七月完成对斜坡表面裂缝的封闭工作，并在密封过程中改善地面排水系统；4. 在山体前缘的抗滑桩内侧用纵向排水隧道和排水孔组成地下排水系统（图1-2）。图 2 滑坡体和排水系统截面总长795m截面为2.5m2.5m的纵向排水隧洞布置在斜坡的前缘，埋深40m；洞顶90范围内设置3行辐射的排水孔，单个孔深20-25m，孔的总数为500个。从地表向排水隧道钻了23个直径为120mm的竖向排水孔。在施工期内，这些辐射排水孔的水流常常是喷射状态，这说明了地下水压力相当高。由于水平段出入口处的排水隧道的挖掘，排水系统在1995年十一月表现出一些初步的效果，在1996年八月之前，隧道中的水流量通常保持在13-20m/h的范围内。排水系统完工后，厂区地面位移速率降低调历史最低值以下，有效地减缓了了厂房地基的位移。厂房在加固后变形逐渐稳定，满足多年安全生产的要求，至今为止不需要更多的治理。2 韩城滑坡的机理分析2.1 地质条件概述2.1.1 地形地貌厂房东侧的横山山顶高程为672m。山坡被数个冲沟所切割，形成了NE-NEE方向的沟脊相间的地形，其中北部大沟是一个悬浮沟，北边的山脊叫做“北脊”，南边的山脊叫做“横山脊”。浓缩池和火星水泵房就位于北脊的山脚下。主厂房和大部分的配套设施位于横山脊的山前平原。斜坡基岩的坡度通常在30-35，山脊顶部黄土坡的坡度通常为10-20。山前的二级阶地平坦呈长凳状。厂房附近的阶地高程为431m。举水河围绕着厂区流动，河床高程420m。2.1.2 岩性和构造横山顶部被第四系黄土和阶地的砂砾石层所覆盖。斜坡和山谷两侧裸露的基岩为上二叠系岩层，从顶到底分为9层，即P21-9-P21-1，上标为奇数是砂岩；上标为偶数的事泥岩、砂泥岩或砂岩泥岩互层。中下部的P21-6及其下方的岩层埋在地表以下。上二叠系岩层的下面是下二叠系的泥岩，包含3号可开发煤层（1.6m-1.7m厚）。再往下是上石炭系的砂岩、砂泥岩夹石灰岩和煤层，包括5号和11号煤层（每层厚约5m）。厂区内的地质构造很简单，岩层为走向NE10-20的单斜构造，倾向NW，倾角4-12。斜坡的基岩缓倾坡外，形成了一个顺层斜坡。岩层内发育短而陡立的节理。根据第二次治理时在横山脊和北脊挖掘的两个250m长的观察硐室，在滑坡后缘没有陡峭的不连续面来形成滑面。厂房的基础下是连续的砂砾石冲积层，顶面标高427m-428m，层厚1.1m-5.3m。从顶到底，与电厂基础有关的岩层是：砂质泥岩夹泥岩（P21-6），底面标高约410m；砂岩（P21-5），底面标高395-403m；砂质泥岩夹泥岩（P21-4），底面标高396-397m；砂岩（P21-3），底面标高382-385m。在砂质泥岩、泥岩层里，夹层很薄，大部分取药小于5cm，但在坡脚出超过了10cm，属于碎屑夹杂泥，其中J6-1和J4-1贯穿整个厂区，通过分别在（P21-6）和（P21-4）层钻孔放入倾斜仪测量，他们输主要的蠕滑滑动面，控制着抗滑桩修建前后电厂基础的稳定性。在厂区有一个平缓的背着褶皱。钻孔表明其轴线方向接近NW350，有2到4的倾角，两翼基本对称，宽度200m。拱弧的高度1.0m-2.5m。项目的主要区域正要位于背斜圆弧的顶部，这是诱发厂区隆起位移的内在因素。2.1.3 水文地质特征1） 厂区砂卵石层内的潜水勘探挖掘发现，在砂砾石层中存在一个425-426m的潜水位。由于后来在举水河上上游建造雪峰水库，下游水位下降，导致地下水减少。目前，只在4号水潭附近发现地下水，形式为毛细水，水位时425.61m。分析表明，这水与相邻的管道泄漏有关。2） 基岩内的裂隙水这个地区的基岩是由砂岩所谓含水层以及泥岩作为隔水层组成的。层与层之间以裂隙水的形式存在地下水。山区的山谷内曾经有一口泉，在煤矿开采后就消失了。第二次治理前没有可靠的地下水资料。排水隧道建成后，地下水的观测表明，主厂房和西部地区的基岩裂隙水水位在420m-422m，只比河流水位（420m）高出一点。这样，沿山脚的排水隧道形成了一个条状排水漏斗，其影响了西面40-50m的范围和电厂东部100-150m的山体。几个钻孔的地下水位是相当低的，分析表明，这可能是由于煤矿采空区的形成所导致的。2.2 厂区内地应力特征为了了解地应力的特点，国家地震局下属的地壳应力学会受委托从1997年的十一月到1998年的一月对2个混凝土隧道和3个钻孔进行地应力测量。这3个孔分别在电厂北部的高地、电厂东部明显的变形区和电厂西部基本无变形的区域下钻。1）地面混凝土层的水平地应力测量在厂区的混凝土层，应力释放隧道（6m长，0.2m宽，0.5m深）分别在离电厂北墙10m远的地方WE向和电厂东墙外过道NS方向挖掘。测试的结果是，WE方向的压应力为0.66MPa，NS方向为0.23MPa。2）砂砾石层的水平地应力测量通过6.0-6.4m深的钻孔对基础持力层进行测量，进WE方向（约110）的平均水平地应力为0.058MPa，NS方向（约18）为0.051MPa。这表明，地应力已经基本释放，并均匀地分布在砂砾石层。3）基岩内的水平地应力测量3个钻孔分别在14-20m深的P21-6砂质泥岩层、25-32m深的P21-5砂岩层和40-50m深的P21-3砂岩层内进行了地应力测量。每段岩块的试验次数不得小于3次，总的试验次数为32次。得出结论如下：1. 岩层的主应力方向分布在水平方向。3个钻孔的最大主应力倾角都不大于15，中间主应力倾角小于11，最小主应力倾角超过75。2. 最大主应力分布在SW-NE方向，随深度而变化。在P21-3层中的最大应力分布在SW224.9-236.4之间，而P21-3层以上的最大主应力方向在SW238.2-265.6之间，二者之间相差平均20，表明上面的岩层最大主应力方向更靠近WE方向。3. 最大主应力如表1所示。表 1 最大主应力岩层岩性最大主应力测量值（MPa）电厂东侧的ZK23电厂西侧的ZK25电厂北部阶地的ZK24P21-6砂质泥岩4.103.624.64P21-5砂岩8.216.129.17P21-3砂岩5.798.538.59根据上表，分析如下：1) 电厂西侧的最大主应力最低，随深度而增加，与一般规律相同。因此可以假定这里的主应力是原始地应力，没有受到山体推力的影响。2) 电厂北部阶地上4号水塔附近的最大主应力是最高的，最大值分布于P21-5层，这表明该地区已受到山体推力的影响，而地表隆起较小说明应力未完全释放。3) 电厂东部的地区最大主应力的最大值也分布在P21-5层。然而测量点西侧地表隆起较大，说明应力已经释放。因此，应力值低于电厂北部的阶地。4) 由于P21-3层埋藏比较深，该层为有隆起发育，而从该层传递到厂区西侧的水平地应力仍然较高。电厂东侧的低应力值可以归因于煤层顶部岩石的疏松或者测量误差。4. 在厂区测量范围内最小主应力几乎都分布在垂直方向上，在0.32-1.64MPa的范围内，接近于自重应力。2.3 位移机制的模拟分析根据地下煤炭开采中的数据、上覆地层特征、地应力和位移的监测数据，对地下煤炭开采造成的厂区冒落拱效应和隆起的现象进行有限元分析。采空区的模拟分析证明，塌落导致的采空区内，最大主应力分布在拱形处。拱形的东端是连续坚硬的山脉，不可能在韩城电厂坐落处的举水河阶地（自由面）发生破坏，因此，拱推力转化为电厂基础下持力层水平方向的地应力是必然的。在进行有限元分析厂区内基础隆起现象时，将计算的东部边界设置在抗滑桩附近的长期位移监测点上，底部边界设置在P21-3层以下12m的深度。计算结果表明，考虑到厂区内厂房结构和设备的重量，随着积累的水平位移传递到东部边界，在P21-5层以及上覆地层的背斜轴部区域发生了上升位移，这与位移的监测相似。因此，验证了对位移机制的设计判断。进一步的精确计算结果表明，厂区基础内的软质岩层、层间的淤泥质夹层以及岩层内的背斜构造是造成隆起的内部因素，煤矿开采导致的孜然崩落的拱推力、红旗渠道的渗漏以及地表水的渗透是外部因素，只是降低了层间软弱面的力学参数。韩城滑坡是在所有这些不利因素结合下形成的。如果不存在背斜，很可能在强烈的拱推力下产生更高的水平地应力，而无法确定是否会发生隆起。3 位移监测资料分析3.1 区划和监测成果分析在1995年六月之前，只有抗滑桩、厂区平地和西侧的构筑物的位移和变形在进行监测，斜坡上只有卸荷平台被考虑到了。自第二次治理以后，位移监测范围扩大到山顶上，包括地下采空区。基于地面和地下监测结果分析，监测区域可以被划分为三个区域：1） 地下采空区上的山顶山坡据1996年12月至1998年6月的监测数据，此区域内形成了一个NW-SE方向的沉降带。靠近沉降带中心附近的观测点的位移方向朝向沉降中心，其他观测点的位移方向朝向SW220-250；山前陡坡的一些点垂直位移增加，而对于其他店的垂直位移减少。沉降量和沉降率的最大值发生在沉降带中心附近。沉降发生的区域在采空区范围内。.在此区域内打了4个钻孔，每个钻孔内都发现了3-5个滑动面，其中最低高程404.2m。7号测斜孔最早在1985年下钻，1990年在62m深处被48.8mm的累积位移所剪断。这说明在抗滑桩顶之上发生了层间错动，单着并没有导致山体滑坡。在该区域的地表位移是多层滑动积累的结果，这笔山前和厂区的空置区大得多。每个时间间隔内的月平均水平位移速率如表2所示。表 2 山顶山坡区的月平均水平位移速率（单位：mm/月）区域北山脊横山脊横山南侧北山西侧横山前缘北山前缘时间位移方向（）位移方向（）位移方向（）位移方向（）位移方向（）位移方向（）1.741821.451773.101860.902620.16-3.9623695.6-96.60.922551.052221.372551.20266-0.9725196.6-96.121.741821.451773.101860.902620.162211.1825096.12-98.61.352330.792091.362330.742310.052211.16235在厂区东部横山脊的坡脚（485m）和厂区北部的北山脊坡脚（492m）分别布置了1号和2号检测硐室，在硐室里装备了激光准直和收敛计系统来监测平硐内端固定点和基准点之间的相对位移。结果显示，这种松弛变形是在斜坡上从外向内的，也就是说相对于硐内的基准点，发生了向外侧的位移和沉降。从1997年六月开始监测排水隧道的入口（北端的倾斜段，位于电厂北部西山脊山脚）和出口（南端的倾斜段，位于电厂东南部横山的山脚）相对于隧道底部的基准点的位移，发现有岩体从隧道底部向开口处自由面运动的现象。垂直位移表现为入口处的沉降和压密以及出口处的抬升，这意味着与地应力分析相符，应力集中在电厂北部的入口处。The above result shows that arch thrust force at Heng Mountain area to the east of the plant is weakening which may be related to the gradual relaxation and fall of rock mass above the goaf. This is in accordance with the phenomenon that settlement belt appears on the ground surface of the mountain top. 上述结果表明，拱推力恒山区东部的工厂正在减弱，这可能与岩体采空区上方的逐步放松和下降的。这是根据，解决带现象出现在地面的山顶。上诉结果表明，厂区东部的横山去的拱推力正在减弱，这可能与采空区上方岩体的松弛和崩落有关。这与山顶地面的沉降现象相吻合。根据上述分析，厂区内构筑物的变形发展有主见减缓的趋势。2） 山前空地区在坡脚的抗滑桩和电厂之间是一个宽50m-80m、高程445m-443m的剥蚀平地。地面监测点都布置在抗滑桩上，其位移反应了40m深的底层运动。每个时间间隔内的月平均水平位移速率如表3所示。表 3 坡脚处的月平均位移速率（单位：mm/月）监测项目水平位移速率垂直位移速率区域横山前的抗滑桩北山前的抗滑桩横山前的抗滑桩北山前的抗滑桩时间位移方向（）位移方向（）位移方向（）94.11-95.91.472331.64234-0.05-0.1595.9-96.60.872690.632530.130.0896.6-96.120.282530.302660.040.0596.12-98.60.672410.46237-0.07-0.11包括在抗滑桩东侧矮坡的测斜孔，这个区内一共有9个测斜孔，显示该区有3-7个滑动面，最低的高程384.34m，达到了P21-3层的底部，但抗滑桩根部以下具有明显错动的滑面在399m附近。测斜孔深部错动如表4所示。表 4 坡脚平地区测斜孔深部年度位移孔号滑面埋深（m）滑面高程（m）年度位移（mm/年）1997年年底的位移方向1994199519961997HoE66.5399.718.96.11.41.6256H1229.0415.51.11.00.2-D#47.0397.415.87.4-262Hn545.0399.51-1.922.21264Hn133.0410.56-0.003.26226值得注意的是，1985年下钻的横山脊5号测斜孔在1994年六月被累计达126.70mm的位移在24m深（高程460.39m）剪断。这表明桩顶以上沿层面发生过剪切滑动，但并未形成滑坡。3） 主厂房区该区的地面标高为432-439m。在4号水塔、3号和4号锅炉、2号电除尘器的脊线上，形成了一条NW-SW向的隆起带，隆起带西段平缓东段陡峭。东部区域的隆起主要是大规模的缓慢抬升，导致了锅炉房和烟囱的倾斜。西部区域的部分范围内，一些发生抬升一些发生沉降，但都是在很小的范围内，水平位移都较小。主厂房内D、C、B、A塔（从东至西）的月平均位移速率见表5。从地表隆起引起的厂房塔的倾斜位移如图3所示。.表 5 主厂区内各塔的月平均位移速率（单位：mm/月）区域塔D塔C塔B塔A时间水平方向()垂直水平方向()