近水平軟弱基底排土場(chǎng)變形破壞研究

趙立春，劉德利，王彥卓

（扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)公司，內(nèi)蒙古 扎魯特 029100）

邊坡穩(wěn)定性是影響露天煤礦安全生產(chǎn)的重要因素，由于排土場(chǎng)不能人為的自由選址，加還受排土運(yùn)距、征地困難和環(huán)境保護(hù)等條件限制，我國(guó)大多數(shù)露天煤礦排土場(chǎng)就近選址緊鄰采場(chǎng)，有的周?chē)嬖诟邏狠旊娋€、礦山公路等重要的建、構(gòu)筑物，排土場(chǎng)一旦滑坡不僅將造成重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至威脅人員的生命安全。排土場(chǎng)穩(wěn)定性[1-3]研究的難點(diǎn)是確定滑坡模式，排土場(chǎng)由剝離巖土體堆填而成，屬于類(lèi)均質(zhì)坡體結(jié)構(gòu)，受基底形態(tài)的影響其滑坡模式呈不同形式，簡(jiǎn)單基底形態(tài)排土場(chǎng)的滑坡模式相對(duì)較易確定，如逆傾基底排土場(chǎng)內(nèi)部多形成沿弧形面滑動(dòng)的旋轉(zhuǎn)型滑坡、順傾基底排土場(chǎng)多沿地層分界面形成順層滑坡。排土場(chǎng)邊坡的變形破壞多是由于基底軟弱造成的，此類(lèi)排土場(chǎng)邊坡，若能在出現(xiàn)滑坡跡象時(shí)采取適當(dāng)?shù)闹卫泶胧?，是可以避免滑坡?zāi)害的發(fā)生的[4-5]。

盡管已經(jīng)有學(xué)者對(duì)露天礦排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了一定的研究[6-9]，但對(duì)于近水平軟弱基底排土場(chǎng)的研究還很少，并且出于前期發(fā)展、經(jīng)濟(jì)考慮，排土場(chǎng)一般不做地質(zhì)勘查，這樣造成對(duì)排土場(chǎng)基底地層賦存、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體巖性、水文地質(zhì)情況等都不清楚，這大大增加了排土場(chǎng)邊坡問(wèn)題研究的難度。

1 工程地質(zhì)概況

扎哈淖爾露天煤礦北排土場(chǎng)自2013 年排棄至2018 年7 月到界，排土場(chǎng)邊坡變形復(fù)雜，到界后，排土場(chǎng)發(fā)生沉降并向南北兩側(cè)滑移，排土場(chǎng)頂部沉降最大11.2 m，平均沉降5 m，排土場(chǎng)南邊坡坡角隆起嚴(yán)重，最大隆起12.2 m，平均隆起6.5 m。

掌握邊坡工程地質(zhì)條件是邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、分析以及制定合理滑坡防治措施的前提和基礎(chǔ)。排土場(chǎng)基底下部第1 層為第四系細(xì)砂，第2 層為新近系黏土，傾角都為1°～2°為近水平軟弱基底。確定排土場(chǎng)排棄物料及基底巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，可為潛在滑坡模式的初步判定及邊坡穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)資料，排土場(chǎng)從上到下巖層分別為排棄物、第四系砂層、新近系黏土層和泥巖基底，各層巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1，典型計(jì)算模型如圖1。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 典型計(jì)算模型圖

2 排土場(chǎng)穩(wěn)定性影響因素及潛在的滑坡模式分析

排土場(chǎng)邊坡的內(nèi)部不存在結(jié)構(gòu)面，其穩(wěn)定性的主要受排土場(chǎng)基底的工程性質(zhì)、形態(tài)、排土場(chǎng)的高度及角度等因素的影響。排土場(chǎng)覆蓋范圍內(nèi)基底形態(tài)大體分為近水平、順傾、逆傾3 種形態(tài)。當(dāng)排土場(chǎng)基底面的傾向與排棄物邊坡傾向相反時(shí)邊坡穩(wěn)定性較好，相同時(shí)穩(wěn)定性差。如果基底為軟弱巖層而且力學(xué)性質(zhì)低于排棄物料的力學(xué)性質(zhì)時(shí)，軟基底在排土場(chǎng)荷載作用下必產(chǎn)生隆起，持續(xù)發(fā)展導(dǎo)致排土場(chǎng)滑坡。

邊坡穩(wěn)定性分析的前提是確定滑坡模式排土場(chǎng)邊坡是由松散的碎石土人工堆積而成，因而在本質(zhì)上可以認(rèn)為是碎石土材料，這類(lèi)邊坡的穩(wěn)定性不僅取決于材料本身的強(qiáng)度，更重要受到排土場(chǎng)基底巖土體抗剪強(qiáng)度、堆積坡度和高度、水流滲透壓力及動(dòng)水壓力等因素影響。根據(jù)扎哈淖爾露天煤礦排土場(chǎng)現(xiàn)狀和基底巖性考慮，以過(guò)主滑線位置的剖面為例，判斷其潛在的滑坡模式為推動(dòng)式的部分切層-順層-擠出性滑動(dòng)，排土場(chǎng)潛在的滑坡模式分析如圖2。

圖2 排土場(chǎng)潛在的滑坡模式分析

3 排土場(chǎng)數(shù)值模擬

結(jié)合軟弱基底排土場(chǎng)潛在滑坡模式，考慮到排土場(chǎng)潛在變形區(qū)破壞位置確定的復(fù)雜性，采用SIGMA/W 有限元軟件數(shù)值模擬對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，通過(guò)有限元法應(yīng)力－應(yīng)變位移云圖來(lái)判斷變形區(qū)的發(fā)展過(guò)程進(jìn)而確定最危險(xiǎn)的變形破壞區(qū)。

3.1 模型建立

根據(jù)排土場(chǎng)的排土現(xiàn)狀、軟弱基底形態(tài)和基巖頂板等高線等地層信息建立數(shù)值模擬模型如圖3，模型排土場(chǎng)高度為70 m、砂層厚度45 m，新近系厚度9 m，南北長(zhǎng)為1 950 m，各地層從上至下分別為：排棄物料，第四系粉土、新近系黏土，風(fēng)化泥巖帶。

圖3 數(shù)值模擬模型

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

1）排土場(chǎng)變形分析。通過(guò)SIGMA/W 有限元軟件數(shù)值模擬得到的軟弱基底排土場(chǎng)變形云圖如圖4，圖4 為排棄高度70 m 下對(duì)應(yīng)的排土場(chǎng)最大變形云圖。受第四系、新近系軟弱基底影響，排棄物料在自身自重的影響變形以沉降、滑移為主。其中模型最大滑移量為24.3 m，坡頂滑移區(qū)影響范圍0～350 m，坡底滑移區(qū)影響范圍0～320 m；最大沉降為12.4 m，隆起平均4.3 m 坡頂沉降區(qū)影響范圍0～730 m，坡底滑移區(qū)影響范圍0～200 m。邊坡上部以沉降變形為主，邊坡中部以滑移為主，坡底處以隆起為主。在排土場(chǎng)邊坡上部的推動(dòng)作用下，中、下部土體出現(xiàn)變形，受軟弱基底的影響，形成類(lèi)橢球形的變形區(qū)，其中排土場(chǎng)邊坡中部的變形區(qū)滑移量大于沉降量，其坡底位位于第四系、新近系的軟弱基底層位，由于其力學(xué)參數(shù)、力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較小，加上排土場(chǎng)載荷作用的影響，在接近坡底的臨空面位置，軟弱基底產(chǎn)生相應(yīng)擠出的變形破壞變化，在邊坡坡底位置處產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象，同時(shí)排土場(chǎng)坡底發(fā)生明顯沉降。

圖4 軟弱基底排土場(chǎng)變形云圖

2）排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析。由于前期通過(guò)擴(kuò)大產(chǎn)能、發(fā)展建設(shè)速度和經(jīng)濟(jì)原因考慮，排土場(chǎng)基底一般不做水文地質(zhì)和工程地質(zhì)勘查，這就造成對(duì)排土場(chǎng)基底地層賦存、軟弱基底結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和巖性指標(biāo)等情況不了解，增加了軟弱基底排土場(chǎng)邊坡問(wèn)題研究的難度。通過(guò)SIGMA/W 有限元軟件得到的軟弱基底排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖如圖5，在現(xiàn)階段排棄高度下，通過(guò)計(jì)算得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.958，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，現(xiàn)狀邊坡變形處于初加速和均加速階段，滑坡模式為推動(dòng)式的部分切層-順層-擠出性滑動(dòng)，當(dāng)排土場(chǎng)邊坡暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、大氣降雨量與降雨強(qiáng)度及凍融影響下，易造成滑坡，在未滑動(dòng)之前建議采用坡角處壓腳、坡頂卸荷減載或者兩者方案結(jié)合實(shí)施治理工程措施。

圖5 軟弱基底排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)有限元法應(yīng)力－應(yīng)變模擬可知，排土場(chǎng)排棄設(shè)計(jì)高度時(shí)，受第四系和新近系軟弱基底影響，排土場(chǎng)變形以滑移沉降為主，其中滑移變形量大于沉降變形量。

2）通過(guò)有限元法應(yīng)力－應(yīng)變計(jì)算可知，排土場(chǎng)排棄設(shè)計(jì)高度時(shí)，受第四系和新近系軟弱基底影響，最大滑移量為26 m，坡頂滑移區(qū)影響范圍0～350 m，坡角滑移區(qū)影響范圍0～320 m；最大沉降為12.4 m，隆起平均4.3 m 坡頂沉降區(qū)影響范圍0～730 m，坡角滑移區(qū)影響范圍0～200 m。

3）通過(guò)有限元法極限平衡計(jì)算可知，排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.958，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，現(xiàn)狀邊坡變形處于初加速和均加速階段，滑坡模式為推動(dòng)式的部分切層-順層-擠出性滑動(dòng)。

4）現(xiàn)狀邊坡變形處于初加速和均加速階段，當(dāng)排土場(chǎng)邊坡暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、大氣降雨量與降雨強(qiáng)度及凍融影響下，易造成滑坡，在未滑動(dòng)之前建議采用坡角處壓腳、坡頂卸荷減載或者兩者方案結(jié)合實(shí)施治理工程措施。