地震和降雨作用的礦山排土場穩(wěn)定性分析

羅成彥

(中鋼集團武漢安全環(huán)保研究院有限公司 武漢 430081)

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地震和降雨作用的礦山排土場穩(wěn)定性分析

羅成彥

(中鋼集團武漢安全環(huán)保研究院有限公司 武漢 430081)

為了研究不同工況對礦山排土場邊坡穩(wěn)定性的影響，在調(diào)查分析排土場工程地質(zhì)特征、散體和地基土物理力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征和穩(wěn)定性影響因素的基礎(chǔ)上，運用極限平衡法對排土場在正常運行、地震、連續(xù)降雨3種工況下的穩(wěn)定性進行了分析。研究表明：3種工況下排土場均處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在地震條件下排土場邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)儲備較低，可能發(fā)生淺層滑坡，對坡腳下部的高壓線鐵塔和鐵路線構(gòu)成威脅，提出了修筑防滾石擋墻，做好排土場安全監(jiān)測、排水、日常安全管理工作等對策措施。

排土場 地震 降雨 穩(wěn)定性

0 引言

武鋼烏龍泉礦山北排土場分為山北東、山北中、山北西3個區(qū)段，設(shè)計堆存量941萬t，其中山北東排土場占總堆存量近50%。山北東排土場頂部已復(fù)墾植樹，東臨京廣鐵路線，東面邊坡下部坡段修建有高壓鐵塔，且周邊村民時常在排土場掏采石料，造成排土場坡面形態(tài)局部劣化，形成潛在的安全隱患。山北東排土場的穩(wěn)定性至關(guān)重要，不僅會影響到礦山生產(chǎn)安全，而且會危機坡面下的高壓輸電線鐵塔和臨近的京廣鐵路線運行安全。因此，本文對山北東排土場穩(wěn)定性展開分析與預(yù)測，并提出了相應(yīng)的治理建議。

1 排土場工程地質(zhì)、氣象條件

烏龍泉礦山北東排土場位于湖北省武漢市江夏區(qū)烏龍泉鎮(zhèn)境內(nèi)，區(qū)內(nèi)地形屬丘陵地貌，區(qū)域地質(zhì)屬東西向構(gòu)造帶鄂南之東段，即南淮陽斷裂帶之西南，洪湖-武漢一線以東的單斜構(gòu)造。山北東排土場長約880 m；坡頂標(biāo)高79.0 m左右，坡腳標(biāo)高31.9～39.8 m；坡頂至坡腳最大高差為47 m。山北東排土場分兩級臺階，階段高度為12～20 m，總堆置高度為32 m，安全平臺寬度為10 m，階段坡角為7°～36°，總邊坡角為13°。排土場地基地層巖性以下二疊系頁片狀粘土巖和灰?guī)r為主；第四系坡積+洪積層、殘積+坡積層覆蓋其上，厚度為0.0～5.9 m；人工填積層包括碎石土和素填土。排土場平面圖如圖1所示。

圖1 排土場平面圖

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)，烏龍泉地區(qū)的建筑抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計基本加速度值為0.05g，所屬地震分組為第一組；場地按抗震有利和不利地段劃分，屬于“抗震不利場地段”。

根據(jù)氣象觀測資料，烏龍泉礦區(qū)降雨量由于受季風(fēng)影響，全年分配不均，年降雨量一般在950.2～1 862.6 mm之間，平均年降雨量為1 282.23 mm，每年四至八月份為雨季，雨季降雨量平均為780.67 mm，占平均年降雨量60.88%，日最大降雨量為211.5 mm。最長連續(xù)降雨天數(shù)為14 d，其降雨量為136.9 mm；連續(xù)最大降雨量為457 mm，其天數(shù)為8 d。由于雨量集中，對排土場穩(wěn)定性有直接影響。

山北東排土場地下水有上部滯水和基巖裂隙水兩種類型。上部滯水賦存于碎石土和素填土層中，無自由水面，水位受周邊環(huán)境影響而變化；基巖裂隙水賦存于基巖裂隙中，總體上水量不大且不均勻。

2 地震和降雨作用的排土場穩(wěn)定性分析

2.1 排土場結(jié)構(gòu)特征及穩(wěn)定性影響因素

2.1.1 排土場結(jié)構(gòu)特征

排土場是露天開采剝離物集中排棄堆存的場地，包括排棄物本身及其基底兩部分。

排棄物分為土、巖石或土和巖的混合物料，基底有土層或巖層。堆積體屬于松散巖土物料組成的結(jié)構(gòu)體，不同巖性、不同強度的巖土排棄在排土場內(nèi)形成不同結(jié)構(gòu)，而且松散巖石沿排土場邊坡面排放后運動形成自然分級，產(chǎn)生自上而下的巖石塊度結(jié)構(gòu)的變化。

排土場地基是所排棄廢石的承載體，不同的排土場地，因場地工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及地貌特征變化影響，尤其是山坡型排土場，在排土場推進過程中可能要經(jīng)歷陡緩不同坡度地形、或由堅硬巖石、或強風(fēng)化層、第四系表土軟巖等構(gòu)成的地基。

2.1.2 排土場滑坡形式

排土場的災(zāi)害形式因地質(zhì)、地理、氣候等自然條件不同而異，按其排土場破壞表現(xiàn)形式，主要分為排土場滑坡和泥石流。

排土場滑坡是排土場災(zāi)害中最為普遍、發(fā)生頻率最高的一種，按其產(chǎn)生滑坡的位置和深度可分為排土場與基底接觸面滑坡、排土場沿基底軟弱層滑坡和排土場內(nèi)部滑坡3種類型[1]。

2.1.3 排土場穩(wěn)定性影響因素

因排土場處在自然環(huán)境條件下，堆積物一方面在重力作用下逐漸沉積壓實固結(jié)，結(jié)構(gòu)強度增加；另一方面在長期經(jīng)受自然界風(fēng)、雨水、高溫寒冷、地震等環(huán)境應(yīng)力的作用下，也面臨侵蝕風(fēng)化的影響，其穩(wěn)定性是動態(tài)變化的，二者的綜合作用將決定排土場穩(wěn)定性發(fā)展趨勢。

影響排土場邊坡穩(wěn)定性的主要因素有：排棄巖土石料的性質(zhì)、排土場基地工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、氣象條件、堆置高度及坡度等，其中排棄巖土石的性質(zhì)和排土場地基及水的影響最為顯著[2]。

若排土場堆積體存在軟弱夾層，或含粘性礦物的軟巖，在超規(guī)模堆積、降雨或地下水位上升時，使基底沼澤化、土砂吸水后軟化呈塑性狀態(tài)，則排土場穩(wěn)定性較差，如風(fēng)化巖或表土層巖土混排時，堆體中形成集中的土體軟弱帶，特別是沿排土臺階形成的整齊的軟弱層，將極大削弱排土場的穩(wěn)定性。

大氣降雨及降雨量的多少是排土場是否穩(wěn)定的重要條件，尤其對土、軟巖性質(zhì)的堆積體更為明顯，大量的降水形成的堆積體孔隙水及下滲將產(chǎn)生靜水壓力和滲透壓力，同時增加了土體自重荷載，浸透濕潤同時減弱了堆體的抗剪強度，并在排棄物料中或與地基接觸帶形成軟弱層從而導(dǎo)致滑坡，大面積浸泡或逕流沖刷堆體坡腳也將削弱排土場的穩(wěn)定性。

基底傾斜或緩傾斜的排土場，易發(fā)生滑坡，有關(guān)研究成果和生產(chǎn)實踐表明，當(dāng)基底坡度大于24°時，不利于堆集體的穩(wěn)定?；纂m平緩，若排放不合理，或總堆置高度超高，超過土層承載力，也可能誘發(fā)滑坡；由中硬、硬巖及其風(fēng)化碎塊構(gòu)成平緩基底的排土場不易發(fā)生滑坡。

排土場堆置要素配置是否合理也影響其穩(wěn)定性，若排土場堆置臺階過高、坡面過陡，超量堆放，或表層土等粘性料的集中成片排放等都可能引起排土場產(chǎn)生滑坡變形。因此，不適當(dāng)?shù)母淖兣磐翀龆阎脳l件和堆置要素將嚴(yán)重危害排土場的穩(wěn)定性，如在排土場坡腳進行采挖，人為加大坡面坡度等活動必然引起排土場變形、滑坡，并可能誘發(fā)坡面石塊向下滑動、滾落。

山北東排土場原地形地貌為平緩的丘陵坡地，坡度4°～13°，局部24°。總體而言場地地形條件比較好，排土場原地形局部還有反坡，更增加了排土場整體穩(wěn)定性。同時因堆積總量較大，堆積體料大多為露天采礦剝離的基巖等，堆積體中巖石比例相對較高，滲透條件較好。排土場坡腳下部局部修建有排水溝，但疏于管理，多處存在堵塞，對排土場穩(wěn)定性未起到應(yīng)有作用。排土場邊坡設(shè)有沉降觀測點等安全監(jiān)測設(shè)施，礦方對排土場邊坡進行不定期監(jiān)測。

2.2 排棄物及原始場地基礎(chǔ)巖土層物理力學(xué)性質(zhì)

對山北東排土場的勘察探明其巖土分層情況從上到下為：3層排棄碎石土，3層第四系表土，3層場地基礎(chǔ)巖層。通過對各巖、土層的物理力學(xué)性質(zhì)試驗，獲得穩(wěn)定性計算綜合參數(shù)取值見表1。

表1 穩(wěn)定性計算參數(shù)

注：空白項表示相應(yīng)巖、土層未測出相應(yīng)指標(biāo)。

2.3 排土場穩(wěn)定性分析方法選取及穩(wěn)定性計算工況確定

本文采用土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析軟件STAB對山北東排土場進行穩(wěn)定性分析。由于排土場邊坡為人工堆積高邊坡，排棄物內(nèi)沒有明顯的破壞面存在，在分析排土堆的穩(wěn)定性時，需要對多個可能的滑面進行穩(wěn)定性分析，從中尋找安全系數(shù)最小者，進而確定最危險的滑動面[2]。由于排土場堆料為散體結(jié)構(gòu)，所以堆積體內(nèi)最易發(fā)生圓弧型滑坡，而對于沿堆體與基底接觸面或地基中的滑坡破壞形式，其滑動面基本為非圓弧滑面。本文對各滑面采用了Spencer法進行搜索并確定最危險滑動面。

排土場廢石順坡自下而上分臺階堆放，因廢石全部為露天礦剝離礦巖，材料來源相對穩(wěn)定單一，各堆積層堆放的礦巖基本為同一時期的剝離礦巖，其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和堆置條件也基本相同。本次穩(wěn)定性計算對山北東排土場沿走向選擇有代表性以及坡面較陡剖面A-A′和B-B′分別進行計算(見圖1)，綜合分析排土場的整體穩(wěn)定狀況，剖面示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 A-A′剖面

圖3 B-B′剖面

排土場內(nèi)部的人工填積層1-1,1-2,1-3地層滲透系數(shù)均很大，降雨時較難在其內(nèi)部形成孔隙水壓力，因此在排土場內(nèi)部滑動的局部破壞穩(wěn)定性分析中直接將降水荷載等效為上部土層的容重進行降雨作用的考慮；而對于深部的地基第四系粘土層2-1,3-1,3-2滲透系數(shù)較小或為相對隔水層，在連續(xù)降雨時，存在降水入滲到這些地層的可能性，故在沿排土場與基底接觸面滑動破壞和沿第四系表土發(fā)生滑動的整體破壞穩(wěn)定性分析中，對上部滲透系數(shù)大的碎石土將降水荷載等效為土層的容重，在第四系土層中通過孔隙水壓力系數(shù)考慮降水影響。

山北東排土場場地屬于“抗震不利場地段”。故在本次穩(wěn)定性分析中考慮了烈度6度地震發(fā)生時的情況。具體通過地震加速度值考慮地震作用的影響，按規(guī)范烏龍泉礦區(qū)域設(shè)計地震加速度為0.05g，本次穩(wěn)定性計算中按通常的折減系數(shù)0.25進行折減[3]。

排土場部分區(qū)域是在原地形基礎(chǔ)上經(jīng)過開挖剝離后再排棄物料(其穩(wěn)定性分析剖面B-B′具該代表性)，在開挖剝離過程中已將第四系粘土層清理干凈，其地基基礎(chǔ)為強度指標(biāo)較高的灰?guī)r，該區(qū)域堆積體內(nèi)部土層也均是滲透系數(shù)較高的土層1-1，1-2和1-3，故排土場B-B′剖面沿地基發(fā)生滑動破壞情況概率很小，沿接觸面滑坡破壞方式中降雨時亦較難在其內(nèi)部形成孔隙水壓力，所以排土場B-B′剖面在穩(wěn)定性分析中不必考慮沿地基發(fā)生滑動破壞形式，沿接觸面滑坡破壞穩(wěn)定性分析中無需考慮降雨工況下的孔隙水壓力。

綜上，對排土場堆積體穩(wěn)定性情況分別在正常運行、地震兩種工況下計算分析；對排土場沿排土場堆積體與基底接觸面滑動情況分別在正常運行、連續(xù)降雨(排土場B-B′剖面除外)、地震3種工況下進行穩(wěn)定性計算分析；對排土場沿第四系表土發(fā)生整體滑動情況(排土場B-B′剖面除外)在正常運行、連續(xù)降雨、地震3種工況下進行穩(wěn)定性分析。這些潛在滑面及其相應(yīng)的運行工況包括了排土場可能存在的滑動破壞情況及形式，其穩(wěn)定性分析能客觀全面地反映排土場穩(wěn)定性情況。

2.4 排土場穩(wěn)定性分析

通過計算，穩(wěn)定性分析中選取的兩個剖面各滑坡破壞模式下不同工況安全系數(shù)見表2。

表2 排土場穩(wěn)定性分析結(jié)果

注：空白項表示相應(yīng)區(qū)域相應(yīng)工況經(jīng)論證破壞概率很低而未進行計算。

排土場堆積體內(nèi)部滑坡類型、沿堆積體與基底接觸面滑動破壞類型、潛在滑動面穿過第四系土發(fā)生整體滑動破壞模式最危險滑動面位置示例分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 堆積體內(nèi)滑坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

示例(A-A′剖面，正常運行)

圖5 沿基底接觸面滑坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

示例(B-B′剖面，地震)

圖6 沿地基整體滑坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

示例(A-A′剖面，連續(xù)降雨)

通過穩(wěn)定性計算，排土場堆積體在正常運行和烈度6度地震工況下最小穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為1.192及1.160，均位于B-B′剖面區(qū)域，不存在排土場內(nèi)部滑坡破壞的危險，但在烈度6度地震工況下安全儲備較?。慌磐翀雠c基底接觸面在正常運行、烈度6度地震和連續(xù)降雨工況下穩(wěn)定性安全系數(shù)最小分別為1.448，1.402和2.832，有一定安全儲備，該種滑坡破壞的風(fēng)險較低；排土場潛在滑面通過第四系表土?xí)r計算分析所得在正常運行、烈度6度地震和連續(xù)降雨工況下最小穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于2，

安全儲備較高，符合規(guī)范要求，整體穩(wěn)定性較好。

3 結(jié)論與建議

(1)烏龍泉礦山北東排土場產(chǎn)生沿排棄物與基底接觸面、穿過地基深層大規(guī)模整體失穩(wěn)破壞的可能性很小。

(2)當(dāng)發(fā)生烈度6度地震時，排土場堆積體內(nèi)淺層穩(wěn)定性安全系數(shù)儲備較小，由于地震震動影響，可能造成坡面滾石危害坡腳附近的高壓輸電線路鐵塔和京九鐵路線的運行安全。

(3)降雨工況下，排土場穩(wěn)定性安全儲備較高，發(fā)生滑坡破壞的可能性很小。

(4)建議在高壓輸電線路鐵塔附近修筑防滾石擋墻，在該區(qū)段坡頂附近修建截水溝，且加強坡面浮石清理，設(shè)置安全警示。

(5)建議加強、完善排土場邊坡的安全監(jiān)測工作，優(yōu)化現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)，定期進行監(jiān)測，并視情況合理調(diào)整監(jiān)測頻度。今后隨著排土場的推進，視情況增加相應(yīng)的監(jiān)測點。

(6)建議礦方加強管理，禁止沿坡腳的采挖活動，防止形成陡立坡面，破壞和劣化排土場安全條件，及時清理坡面浮石，定期對截水溝進行疏通；設(shè)立必要的警示標(biāo)識，防止人員、車輛誤入不安全區(qū)域。

[1]徐燕,佴磊,丁黃平.南芬鐵礦大東溝排土場穩(wěn)定性分析與治理對策[J].金屬礦山,2007(4):19-22.

[2]陳鵬,陳鵬飛.露天礦排土場邊坡穩(wěn)定性分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,29(6):1028-1031.

[3]陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析-原理·方法·程序[M].北京:中國水利水電出版社,2003:192.

Stability of Mine Waste Dump Considering Earthquake and Rainfall

LUO Chengyan

(SinosteelWuhanSafety&EnvironmentalProtectionResearchInstituteCo.,Ltd.Wuhan430081)

In order to study the effects of different working conditions on the stability of mine waste dump, surveys of engineering geology characteristic, mechanical property of soil layers, structural characters and factors affecting stability of the waste dump are done. Then stability analyses are carried out using limit equilibrium method to obtain the safety factors of the waste dump slope respectively considering normal condition, earthquake and rainfall. The results show that the waste dump slope is stable in the three different working conditions. Yet the safety factor of the waste dump slope is relatively low and surface landslide is likely to appear while earthquake happens. As surface landslide is a great threat to the iron tower and railway near the slope toe, some measures are presented to prevent the damage, like building retaining wall to keep off rockfall, enhancing safety monitoring, water draining and daily safety management against the waste dump.

waste dump earthquake rainfall stability

羅成彥，男，1983年生，工程師，主要從事礦山安全技術(shù)及邊坡安全方面的研究工作。

2016-06-13)