某花崗巖露天礦排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析

吳翔偉 余新洲3

（1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司；2.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

礦山排土場(chǎng)是在采礦過(guò)程中剝離的表土、廢石集中堆放所形成的，堆放的廢石土屬于松散介質(zhì)，整體強(qiáng)度較低，隨著排土物料的增高、自重荷載的增加以及雨水作用等因素影響，在排土場(chǎng)薄弱區(qū)易發(fā)生沖剪破壞，從而產(chǎn)生泥石流或滑坡災(zāi)害，甚至威脅下游工業(yè)場(chǎng)地、居民的安全，因此，對(duì)排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析對(duì)礦山安全管理具有極大的指導(dǎo)意義［1-2］。

1 排土場(chǎng)地址

本排土場(chǎng)設(shè)置在露天采場(chǎng)西北側(cè)溝谷中，距離露天塹溝口1.6 km，溝谷坡向?yàn)闁|西向，北、東及南側(cè)均為丘陵斜坡，在溝谷西側(cè)僅有一個(gè)收口，地形向西側(cè)傾斜，場(chǎng)地中部為帶狀凹地。溝谷北側(cè)地形分水嶺最高標(biāo)高為152.00 m，南側(cè)分水嶺最高標(biāo)高為176.00 m，東側(cè)最高標(biāo)高為230.00 m，西側(cè)最低標(biāo)高為35.00 m，高差為165 m。溝谷兩側(cè)山體坡度為20°～35°，溝底坡度為5°～12°，岸坡植被較好，溝谷內(nèi)無(wú)常流水。將山谷作為排土場(chǎng)地址，能利用山谷的凹形，阻止排土水平位移，溝谷上寬下窄有利于排土場(chǎng)整體穩(wěn)定性。

根據(jù)《排土場(chǎng)詳細(xì)勘察報(bào)告》，排土場(chǎng)場(chǎng)地范圍內(nèi)無(wú)全新世活動(dòng)斷裂通過(guò)，在勘察范圍內(nèi)亦未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造等，巖體較完整?？辈靾?chǎng)區(qū)地形起伏大，地層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，未發(fā)現(xiàn)陡坎、滑坡、危巖和崩塌、泥石流等不良地質(zhì)作用。未見(jiàn)坡體內(nèi)存在明顯的潛在滑動(dòng)面或軟弱（夾層）結(jié)構(gòu)面，溝谷兩側(cè)自然邊坡較穩(wěn)定。排土場(chǎng)及附近均無(wú)大的地表水系通過(guò)，地表水體主要為局部沼澤、溝涌等，地表水主要受大氣降水的影響，季節(jié)性影響明顯。排土場(chǎng)所在溝谷三維模型見(jiàn)圖1。

2 外部防護(hù)距離

參考冶金礦山和有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)要求，根據(jù)排土場(chǎng)的等級(jí)及下游鐵路、公路、工業(yè)場(chǎng)地、居住區(qū)、村鎮(zhèn)等情況，確定排土場(chǎng)坡底線與下游設(shè)施之間的防護(hù)距離。

本排土場(chǎng)總堆置高度為125.0 m，為二等排土場(chǎng)，排土場(chǎng)下游距攔擋壩坡底線200 m 范圍內(nèi)無(wú)相關(guān)設(shè)施及建（構(gòu)）筑物，滿足安全距離要求；下游900 m 處為西江，西江是珠江流域第一大水系，上游發(fā)源于云南省沾益縣馬雄山，流經(jīng)黔、桂、粵等省。

3 排土場(chǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）根據(jù)本項(xiàng)目生產(chǎn)規(guī)模、地形地質(zhì)條件、剝采比及資源綜合利用情況，排土場(chǎng)主要堆放前期剝離的土層及廢石，采用30 t自卸汽車運(yùn)輸排土。露天采場(chǎng)基建期表土量為294.0 萬(wàn)m3，考慮沉降后的松散系數(shù)1.15和排土場(chǎng)富余系數(shù)1.02，設(shè)計(jì)排土場(chǎng)設(shè)計(jì)容量為344.9 萬(wàn)m3，排土場(chǎng)總堆置高度為125.0 m，為二等排土場(chǎng)。

（2）在排土場(chǎng)收口處設(shè)置一個(gè)攔擋壩，采用透水碾壓堆石壩結(jié)構(gòu)，攔擋壩頂標(biāo)高為60.0 m，壩底標(biāo)高為40.0 m，上下游坡率均為1∶2，在50.0 m 標(biāo)高處設(shè)10 m寬平臺(tái)。

（3）排土場(chǎng)臺(tái)階高度為15 m，臺(tái)階之間留10 m 寬平臺(tái)，排土場(chǎng)終了后形成8 個(gè)臺(tái)階，臺(tái)階標(biāo)高為60～165 m。

（4）降雨是排土場(chǎng)穩(wěn)定性的重要影響因素之一，尤其是高臺(tái)階排土場(chǎng)，阻止大氣降雨進(jìn)入排土場(chǎng)，場(chǎng)區(qū)不產(chǎn)生大量的匯水，能有效地阻止泥石流發(fā)生，并降低滑坡的可能性［3-4］。本項(xiàng)目排土場(chǎng)防排洪按50 a一遇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，場(chǎng)外截洪溝采用C20素混凝土結(jié)構(gòu)，梯形斷面，內(nèi)坡均為1∶0.5，沿程最小坡降均為1%。排土場(chǎng)每級(jí)臺(tái)階形成后，及時(shí)在臺(tái)階坡腳和兩側(cè)設(shè)置平臺(tái)排水溝及兩側(cè)壩肩排水溝，均采用矩形斷面，平臺(tái)排水溝由中間坡向兩側(cè)接入肩部排水溝。

（5）本次設(shè)計(jì)以不同的臺(tái)階邊坡坡率進(jìn)行排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析，模擬出穩(wěn)定性曲線，根據(jù)曲線參數(shù)選取合理的邊坡坡率，再驗(yàn)算邊坡穩(wěn)定性。排土場(chǎng)平面布置見(jiàn)圖2，沿排土場(chǎng)縱向A—A剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)

參考冶金礦山和有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)要求，排土場(chǎng)穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)要求詳見(jiàn)表1［5-6］。

表1 排土場(chǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)

該排土場(chǎng)為二等排土場(chǎng)，安全系數(shù)判別標(biāo)準(zhǔn)為天然工況Fs≥1.25，降雨工況Fs≥1.20。

4.2 分析方法

本排土場(chǎng)設(shè)置在露天采場(chǎng)西北溝谷中，在溝谷東側(cè)僅有一個(gè)收口，溝谷上寬下窄，有利于排土場(chǎng)整體穩(wěn)定性，溝底坡度在5°～12°，較為平緩，經(jīng)分析認(rèn)為，該排土場(chǎng)沿排土體—山谷接觸帶、排土場(chǎng)基礎(chǔ)薄弱面的滑坡幾率較小，沿排土體內(nèi)部近呈圓弧滑動(dòng)的幾率較大［7］。在極限平衡分析法中，選取了Bishop法、Morgenstern-Price 法、Spencer 法等常用方法進(jìn)行分析，可有效減少計(jì)算誤差對(duì)結(jié)果造成的影響。

4.3 場(chǎng)地巖土層力學(xué)參數(shù)

根據(jù)《排土場(chǎng)詳細(xì)勘察報(bào)告》，通過(guò)巖土力學(xué)試驗(yàn)，得出巖土參數(shù)建議值，詳見(jiàn)表2。

表2 巖土參數(shù)建議值

4.4 穩(wěn)定性計(jì)算

影響排土場(chǎng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)有臺(tái)階高度、平臺(tái)寬度、邊坡坡率，本次計(jì)算以A—A剖面建立模型，臺(tái)階高度15 m、平臺(tái)寬度10 m 為恒定值不變，以臺(tái)階邊坡坡率1∶1.0、1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0 分別分析計(jì)算，根據(jù)不同坡比下得到的安全穩(wěn)定性系數(shù)建立安全系數(shù)—邊坡坡率變化曲線，分析安全系數(shù)與臺(tái)階邊坡坡率之間的關(guān)系，尋找最優(yōu)的臺(tái)階邊坡坡率［8］。

本排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性分析采用極限平衡計(jì)算軟件Rocscience-Slide，該軟件能夠通過(guò)自動(dòng)尋找潛在的破壞位置或者由設(shè)計(jì)者確定位置進(jìn)行分析。

A—A剖面模型見(jiàn)圖3，本工程所在地地震基本烈度為6 度，因此，本排土場(chǎng)安全穩(wěn)定性僅校核自然工況及降雨工況。附圖僅列舉Bishop法計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)圖4～圖7。安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表3。安全系數(shù)—邊坡坡率變化曲線見(jiàn)圖8。

表3 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總

由表5 可知：3 種計(jì)算方法測(cè)得的安全系數(shù)基本相近，在臺(tái)階高度15 m、平臺(tái)寬度10 m 為恒定值不變的前提下，當(dāng)邊坡坡率為1∶1.0 時(shí)，在自然工況和降雨工況下均不能滿足安全穩(wěn)定的要求；當(dāng)邊坡坡率為1∶1.5 時(shí)，在自然工況和降雨工況下均不能滿足安全穩(wěn)定的要求；當(dāng)邊坡坡率為1∶1.75 和1∶2.0 時(shí)，2 種工況下均滿足要求且富余較多。根據(jù)安全系數(shù)曲線，當(dāng)邊坡坡率為1∶1.6 時(shí)，自然工況下Fs=1.251，降雨工況下Fs=1.207，2 種工況下的安全系數(shù)均滿足要求，且有一定的富余。因此，將排土場(chǎng)邊坡坡率調(diào)整到1∶1.6，在Slide 軟件中驗(yàn)證安全系數(shù)是否符合要求［9-11］，見(jiàn)圖9。

由圖9可知，當(dāng)邊坡坡率為1∶1.6時(shí)，自然工況下Fs=1.276，降雨工況下Fs=1.257，比安全系數(shù)—邊坡坡率變化曲線上推斷出來(lái)的安全系數(shù)略大，均能滿足安全驗(yàn)算要求。因此，將排土場(chǎng)邊坡坡率設(shè)計(jì)為1∶1.6，安全系數(shù)滿足要求。

排土場(chǎng)邊坡坡率越小，排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性越高，排土場(chǎng)有效容積就越小，土地的有效利用率就越低；排土場(chǎng)邊坡坡率越大，排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性越低，排土場(chǎng)有效容積就越大，土地的有效利用率就越高。排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析研究是在排土場(chǎng)的穩(wěn)定性與有效容積之間尋找到一個(gè)平衡點(diǎn)，在保證排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定的前提下，有效提高排土場(chǎng)容積。

5 結(jié) 論

（1）排土場(chǎng)設(shè)置在露天采場(chǎng)西北溝谷中，在溝谷東側(cè)僅有一個(gè)收口，溝谷上寬下窄，場(chǎng)內(nèi)地質(zhì)條件有利于排土場(chǎng)整體穩(wěn)定性；排土場(chǎng)下游防護(hù)距離滿足要求；截排水設(shè)計(jì)按50 a 一遇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)置場(chǎng)外截洪溝和場(chǎng)內(nèi)排水溝，降低泥石流、滑坡發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析是一個(gè)試算的過(guò)程，在邊坡高度、平臺(tái)寬度不變的前提下，計(jì)算排土場(chǎng)在不同邊坡坡率下的安全系數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制安全系數(shù)—邊坡坡率變化曲線，根據(jù)曲線，選擇合適的邊坡坡率，并進(jìn)行驗(yàn)算。

（3）通過(guò)極限平衡法對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析計(jì)算，結(jié)果表明，最危險(xiǎn)滑移面出現(xiàn)在中部邊坡，當(dāng)邊坡坡率為1∶1.6 時(shí)，自然工況下Fs=1.276，降雨工況下Fs=1.257，安全系數(shù)均能滿足安全驗(yàn)算要求，在保證排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定的前提下，有效提高了排土場(chǎng)容積。