等厚土層排土場在飽水地震狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析及治理措施

郝勇浙，劉躍忠，張飛，王昊，田睿

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院， 內(nèi)蒙古 包頭市 014010；2.內(nèi)蒙古豐沃工程技術(shù)咨詢有限公司， 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010000)

礦山排土場易形成泥石流、滑坡等災(zāi)害[1]，隨著露天礦山的開采向深部發(fā)展，排土場的堆排高度和容積越來越大，發(fā)生災(zāi)害的概率和嚴重度也隨之增加[2]。排土場的滑動破壞，會嚴重威脅到邊坡上部及下部采礦作業(yè)及安全生產(chǎn)的安全，還可能會造成巨大的經(jīng)濟損失及人員傷亡[3]。因此，無論從經(jīng)濟效益角度還是從安全生產(chǎn)角度，對露天礦排土場穩(wěn)定性給予精確的評價并提出合理的治理措施顯得異常重要[4]。對于露天礦而言，保證露天礦山的安全生產(chǎn)首先應(yīng)保證其排土場在服役期間的安全穩(wěn)定。本文考慮一個典型剖面在是否飽水和地震的幾種工況下，采用GeoStudio巖土工程軟件傳統(tǒng)的極限平衡法對邊坡穩(wěn)定性進行了分析，分別采用Bishop法和Morgenstern-Price法對排土場現(xiàn)狀進行了研究；在對現(xiàn)狀排土場進行分析后，提出了分臺階允許局部滑坡的治理方案，提高了排土場的穩(wěn)定性。目前對于排土場治理措施的研究方法主要為在排土場現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上進行數(shù)值分析，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，提出針對性的治理措施[5]。

1 排土場邊坡現(xiàn)狀

目前該礦每年排巖量約360萬m2，排土場每5年高度增長約18 m。近10年排土位置處于排土場南部，最高標高1724 m，廢石最大厚度約為74 m。

現(xiàn)階段，排土場分為東西2個，2個堆場一路之隔。西排土場原地表北部標高約1679 m，南部標高約1650 m。西排土場分為1681，1692，1707，1724 四個平臺。1666 m～1681 m 坡角為 55°～65°，1681 m～1692 m 坡角為 46°～56°，1692 m～1707 m坡角為 43°～53°，1707 m～1724 m 坡角為 43°～53°。未做坡面工程；東排土場原地表北部標高約1661 m，南部標高約1649 m。分為 1661，1668，1680，1706，1715，1720 六個平臺。1661 m～1668 m坡角為 43°～53°，1668 m～1680 m 坡角為 38°～45°，1680 m～1706 m 坡角為 43°～53°，1706 m～1715 m坡角為32°～40°，1715 m～1720 m坡角為32°～40°。北坡坡面工程覆土厚度為20 cm～50 cm，南坡未做坡面工程。為滿足礦山安全生產(chǎn)的需要，石寶鐵礦對排土場北坡進行了削坡處理，處理后的排土場北邊坡與采坑南幫邊坡連成整體，排土場北坡東部坡腳偏大，且安全平臺寬度偏小。

排土場剖面地層巖性按成因及巖性的不同分為3層：

（1）碎石（Q4ml）：碎石土，直徑為0.1 cm至30 cm的碎石塊為混砂土，近5年堆填，稍濕，呈松散—稍密狀態(tài)。其層厚約7 m，層底標高為1702.37m～1711.09 m。

（2）碎石（Q4ml）：碎石土，直徑為0.1 cm至30 cm的碎石塊為混砂土，5～10年前堆填，稍濕，呈中密狀態(tài)。其層厚約18 m，層底標高為1684.37 m～1693.09 m。

（3）碎石（Q4ml）：碎石土，直徑為0.1 cm至30 cm碎石塊為混砂土，近10年前堆填，稍濕，中密～密實狀態(tài)。其層厚約35 m，層底標高為1650.05 m～1679.50 m。

由相關(guān)生產(chǎn)勘察報告可知，F(xiàn)12、F18斷層產(chǎn)狀及位置，因 F12、F18斷層投影到本次剖面圖后距離本次研究不利區(qū)域及地層很遠，故本次計算暫不考慮F12、F18斷層這一因素。

2 排土場防治方法

露天排土場治理方法通常有3種：第一種是削坡減載，降低坡角，通過開挖邊坡上部碎石降低邊坡角，并將塊度較大的石塊放置于坡腳處以增加邊坡的抗滑動能力；第二種是加筑人工阻擋物，如擋土墻、抗滑樁等；第三種是通過在軟弱層添加力學(xué)性質(zhì)較好的巖石的方式以此來增加其抗滑能力[6-9]。由于本排土場之前有序排土，為等厚土層，其軟弱層分布均勻，一般排土場經(jīng)過長期堆排，采用人工加固的方法不僅成本高，且施工困難[5]。因此， 石寶鐵礦排土場邊坡防治措施應(yīng)采取上部減重、增加臺階個數(shù)、減緩邊坡角、疏干排水與內(nèi)排工程相結(jié)合的綜合措施。

3 排土場邊坡穩(wěn)定性分析及治理措施

3.1 初始狀態(tài)下排土場邊坡穩(wěn)定性分析

此次分析選取排土場南部剖面，臺階上部有鱷式破碎機，一旦滑坡會造成機器損毀或人員傷亡，加之降雨對排土場的侵蝕，使得南部排土場邊坡的穩(wěn)定受到威脅，地質(zhì)模型見圖1。

圖1 地質(zhì)模型剖面

如圖1所示，剖面處臺階高度為60 m，臺階剖面角為41°，土層分為3層，從上至下土層厚度分別為7 m，18 m，35 m。

排土場堆積物以礦山生產(chǎn)剝巖的廢石為主，黃褐色～灰黑色，呈干～稍濕、稍密～中密狀態(tài)。結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、已有地質(zhì)資料以及文獻資料[10-12]，選取計算模型的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

依據(jù)項目所處排土場周邊環(huán)境和地質(zhì)條件，采用GeoStudio巖土軟件進行建模分析，計算自然條件下和飽和地震條件下的排土場穩(wěn)定性系數(shù)，研究其排土場邊坡的穩(wěn)定性變化情況。計算結(jié)果見圖2～圖3。

圖2 計算剖面自然狀態(tài)下計算結(jié)果

根據(jù)《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50191—2012），達爾罕茂明安聯(lián)合旗抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05 g。

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）確定該排土場邊坡安全等級為三級，排土場南部邊坡Fst=1.15，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）中邊坡穩(wěn)定性劃分見表2。

根據(jù)表2可知，計算剖面邊坡在正常條件下的穩(wěn)定系數(shù)高于1.15，處于穩(wěn)定狀態(tài)，在飽和地震狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)低于1.15，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生滑坡，需要進行削坡減載，降低最終邊坡角來提升邊坡穩(wěn)定性。

圖3 計算剖面飽水和地震狀態(tài)下計算結(jié)果

表2 邊坡穩(wěn)定性劃分

3.2 削坡減載后的排土場邊坡穩(wěn)定性分析

為了項目安全生產(chǎn)的需要，根據(jù)上述計算結(jié)果，需要對計算剖面邊坡進行相應(yīng)的治理。結(jié)合石寶鐵礦排土場實際情況，采用分臺階削坡減載降低邊坡角的治理方案。

考慮最小安全平臺為5 m，選擇在平臺寬度b=8 m的情況下，計算2種工況下飽和地震狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性。削坡后的地質(zhì)模型見圖4。其臺階參數(shù)H1=H2=30 m，臺階邊坡角為41°，最終邊坡角為38°。其計算結(jié)果見圖5。

圖4 削坡后地質(zhì)模型剖面

由圖5可知，在飽和地震狀態(tài)的工況條件下，其計算排土場邊坡在上部臺階存在滑坡的風(fēng)險，但其整體穩(wěn)定性良好。

圖5 計算剖面飽水和地震狀態(tài)下計算結(jié)果

3.3 治理措施

根據(jù)上述計算得知，排土場邊坡在削坡減載后的飽和地震狀態(tài)下的整體穩(wěn)定性屬于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但上部臺階存在滑坡風(fēng)險，仍需進行進一步治理，所以提出允許局部滑坡的治理措施。由于基本穩(wěn)定的上部臺階允許垮落，且其滑落體對下部臺階的邊坡穩(wěn)定性不產(chǎn)生影響，這就要求安全平臺有足夠的寬度承接上部垮落的巖石而不影響下部臺階邊坡穩(wěn)定性。

根據(jù)分析計算，上部臺階邊坡滑坡后形成的堆積體在安全平臺上堆體寬度為8 m?？紤]最小安全平臺為5 m，綜合考慮其平臺寬度為15 m，圖6為滑坡后邊坡模型圖。其計算結(jié)果及分析見圖7～圖8。

圖6 滑坡后邊坡模型

由圖7可知，允許上部臺階局部滑落后邊坡穩(wěn)定性在飽水和地震狀態(tài)下達到穩(wěn)定。

根據(jù)圖8可知，在飽水和地震狀態(tài)下的初始狀態(tài)邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)削坡減載后，安全系數(shù)有所提升，但依然存在滑坡的風(fēng)險，在保證留有5 m安全平臺的基礎(chǔ)上允許滑坡后，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)在1.15以上，滿足安全生產(chǎn)要求，并提高了邊坡穩(wěn)定性。

圖7 允許滑坡后邊坡飽水和地震狀態(tài)下計算結(jié)果

圖8 兩種方法在飽水和地震狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)

4 排土場邊坡監(jiān)測

露天排土場邊坡穩(wěn)定性十分重要，一旦邊坡失穩(wěn)破壞，將嚴重威脅工作面的人和設(shè)備安全。為及時掌握邊坡穩(wěn)定性情況，設(shè)計并建立地表監(jiān)測系統(tǒng)進行邊坡變形監(jiān)測[13]，以實時掌握剝采過程中邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)，這些對于避免滑坡災(zāi)害的發(fā)生具有重要意義。

（1）位移監(jiān)測。邊坡從受到力的作用變形到最終破壞，通常要經(jīng)歷一個相當長的演化過程。邊坡失穩(wěn)的發(fā)展過程，往往伴隨著一系列邊坡地表、地下的宏觀與微觀變形現(xiàn)象，包括邊坡地表的位移、地面裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展、地下滑動面的形成等，通過位移監(jiān)測，可實時掌握這些現(xiàn)象的發(fā)生發(fā)展過程。

（2）邊坡監(jiān)測管理措施。項目應(yīng)成立邊坡管理小組，選派技術(shù)人員或有經(jīng)驗的工人專門負責(zé)邊坡監(jiān)測和管理工作。邊坡監(jiān)測工作主要是建立邊坡監(jiān)測管理系統(tǒng)，定期進行地表、地下位移監(jiān)測，加強生產(chǎn)現(xiàn)場管理，加強工作面水的管理，如發(fā)現(xiàn)不按設(shè)計施工或違反規(guī)定以及出現(xiàn)滑坡險情時，應(yīng)及時處理。邊坡監(jiān)測或現(xiàn)場檢查有重大滑坡征兆等緊急情況時，邊坡管理人員有權(quán)停止有滑坡險情或險情危及區(qū)域的生產(chǎn)或施工作業(yè)，并向礦山負責(zé)人報告，以保證生產(chǎn)安全。

5 結(jié)語

本文通過對包頭市某露天礦排土場南部邊坡的穩(wěn)定性進行研究，得出以下結(jié)論：

（1）依據(jù)項目所處排土場周邊環(huán)境和地質(zhì)條件，根據(jù)計算結(jié)果得出，計算剖面邊坡在正常條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在飽水狀態(tài)和地震狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；

（2）在建模分析之后，由于在飽水和地震狀態(tài)下的排土場邊坡存在安全隱患，并在削坡減載后采取允許滑坡的邊坡治理手段，為其他類似邊坡提供參考；

（3）在進行安全分析計算的同時，還應(yīng)加強對該邊坡的實時監(jiān)測，及時掌控邊坡的位移變形數(shù)據(jù)，以確保排土場邊坡的穩(wěn)定安全。