排土場(chǎng)邊坡區(qū)域穩(wěn)定性及整體安全度分析研究

甘海闊 周漢民 崔 旋

（1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京102628；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102628）

露天礦排土場(chǎng)剝離廢石總量大，占地面積大。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)排土場(chǎng)、矸石山等的占地面積已達(dá)（1.4～2.0）×104km2，而國(guó)力只能支撐6%復(fù)墾率［1］。近些年來，隨著我國(guó)礦山企業(yè)新建排土場(chǎng)所面臨的征地、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等方面的壓力增大，在確保安全的前提下盡可能提高原有排土場(chǎng)排棄高度、增大廢石堆排量成了礦山的追逐目標(biāo)。如海南礦排土場(chǎng)計(jì)劃堆排高度為200 m，南芬礦廟兒溝排土場(chǎng)設(shè)計(jì)高度280 m，廠壩七架溝則計(jì)劃建設(shè)約400 m的超高排土場(chǎng)等［2-3］。但現(xiàn)實(shí)條件下我國(guó)大多已建排土場(chǎng)所面臨的現(xiàn)狀為：受先天選址條件制約（排土場(chǎng)的復(fù)雜地形、地質(zhì)條件、不規(guī)則邊界條件）以及后天排土條件影響（特定排土工藝、堆置方式、不均勻的排土物料特性），排土場(chǎng)的穩(wěn)定性成為關(guān)注的重點(diǎn)［4］，隨著排土場(chǎng)進(jìn)一步向高堆排，無疑將造成排土場(chǎng)的安全問題更加突顯。

作為大量土石混合料經(jīng)搬運(yùn)至特定場(chǎng)地按照一定堆排方式堆積所形成的大體積人工土石邊坡，排土場(chǎng)的穩(wěn)定性呈現(xiàn)出多區(qū)域多因素影響的空間效應(yīng)。表現(xiàn)為：①由于排土場(chǎng)往往占地面積較大，處在同一排土場(chǎng)的不同區(qū)域由于場(chǎng)地地形及地質(zhì)條件差異性大，造成其穩(wěn)定性存在差別；②排土場(chǎng)的不同區(qū)域由于堆置方式以及排土質(zhì)量控制有所差別，使得各區(qū)域排土體排土段高、坡度等條件差別較大并由此造成排土物料力學(xué)特性空間變異性較大［5-7］，從而影響各區(qū)域邊坡穩(wěn)定性；③受制于不均排土邊界條件下的排土場(chǎng)邊坡形成極不規(guī)則的空間排土體形態(tài)，使得排土場(chǎng)在空間上表現(xiàn)為凹形夾持和凸形發(fā)散效應(yīng)［8］，表現(xiàn)為凹形區(qū)域、凸形區(qū)域和較規(guī)則區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性存在一定差異性；④根據(jù)工程實(shí)例記錄所得的各典型排土場(chǎng)的滑坡失穩(wěn)均呈現(xiàn)出明顯的空間滑移體形態(tài)［9］。因此準(zhǔn)確反映排土場(chǎng)多區(qū)域多因素影響下的空間效應(yīng)，分析排土場(chǎng)邊坡的空間破壞過程，并合理評(píng)價(jià)排土場(chǎng)整體安全度，對(duì)于保證排土場(chǎng)的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。

本文將針對(duì)當(dāng)前我國(guó)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性研究的上述問題，以國(guó)內(nèi)某復(fù)雜條件下大型高排土場(chǎng)邊坡為例，依據(jù)該排土場(chǎng)特定的幾何邊界條件、地形地質(zhì)條件、排土現(xiàn)狀等，將排土場(chǎng)劃分多個(gè)區(qū)域建立三維模型，開展多區(qū)域下的空間穩(wěn)定性分析研究。基于邊坡穩(wěn)定性強(qiáng)度折減系數(shù)法評(píng)價(jià)其安全度，通過對(duì)邊坡開展逐步的強(qiáng)度折減研究排土場(chǎng)邊坡漸進(jìn)破壞失穩(wěn)過程及失穩(wěn)機(jī)制。并通過對(duì)三維空間穩(wěn)定性與平面結(jié)果開展對(duì)比分析，研究不規(guī)則地形、邊界及排土體空間效應(yīng)對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性的影響狀況，揭示平面分析和空間分析穩(wěn)定性結(jié)果存在差異的原因，建立排土場(chǎng)整體安全度控制指標(biāo)。通過該項(xiàng)研究獲得許多有益結(jié)論，并可為相關(guān)類似工程的評(píng)價(jià)、研究等提供參考。

1 工程背景

受礦區(qū)場(chǎng)地及選址條件限制，某排土場(chǎng)坐落于中低山區(qū)溝谷地形中。場(chǎng)地原始地形標(biāo)高+75～ +173 m，溝谷坡度10°～30°，區(qū)域地形起伏變化較大。排土場(chǎng)基底表層為厚0～24.93 m的第四系殘坡積土，平均深度約8 m；下伏地層為厚大堅(jiān)實(shí)的太古界強(qiáng)（中）風(fēng)化黑云混合片麻巖組，排土場(chǎng)合計(jì)占地面積約3.5 km2。排土場(chǎng)北側(cè)區(qū)域分+160 m、+195 m、+240 m、+285 m、+330 m共5個(gè)臺(tái)階進(jìn)行堆排；南側(cè)區(qū)域由于區(qū)域狹窄，劃分+160 m、+195 m、+240 m、+285 m共4個(gè)臺(tái)階堆排，排土場(chǎng)設(shè)計(jì)最大堆積高度265 m，最大堆土方量約3.60億m3，屬國(guó)內(nèi)超大型排土場(chǎng)。

目前，該排土場(chǎng)采用“膠帶+排巖機(jī)”方式排土作業(yè)，但由于受制于地形條件、征地界線及周邊建筑物最小安全距離等限制，形成了極不規(guī)則的空間形態(tài)，如圖1所示。同時(shí)該排土場(chǎng)周邊存在著村落、學(xué)校以及選廠車間等設(shè)施，生產(chǎn)生活設(shè)施距離排土場(chǎng)的距離較近。目前排土場(chǎng)已堆排至約+200 m標(biāo)高，隨著該排土場(chǎng)后期堆排物的逐步增加、堆排高度進(jìn)一步增大，無疑將加大周邊構(gòu)筑物的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，基于該排土場(chǎng)特定的地形、邊界、排土條件，將排土場(chǎng)劃分多個(gè)區(qū)域開展全面的空間穩(wěn)定性分析研究顯得尤為必要。

2 多區(qū)域空間安全度分析

2.1 數(shù)值模型與材料參數(shù)

本次空間穩(wěn)定性研究選擇排土場(chǎng)在空間形態(tài)、地形、地質(zhì)及邊界差異性較大的4個(gè)區(qū)域作為研究對(duì)象，各區(qū)域劃定的研究范圍如圖2所示，所建立的多區(qū)域三維空間數(shù)值分析模型如圖3所示。由于該排土場(chǎng)一直采用膠帶運(yùn)轉(zhuǎn)排巖機(jī)堆排剝離的廢石土料且采取了較為嚴(yán)格的分臺(tái)階控制措施，多組取樣所得出的各區(qū)域排土料粒徑分級(jí)差異性較小，排土物料及其他各分區(qū)材料力學(xué)參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

2.2 空間穩(wěn)定性分析

本文將基于所建立數(shù)值分析模型和試驗(yàn)獲取的各分區(qū)力學(xué)參數(shù)，采用邊坡穩(wěn)定性分析的強(qiáng)度折減系數(shù)法，對(duì)排土場(chǎng)各區(qū)域空間穩(wěn)定性開展研究。

邊坡穩(wěn)定性強(qiáng)度折減系數(shù)法是指通過降低排土場(chǎng)物料力學(xué)參數(shù)的黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ，直至邊坡發(fā)生破壞失穩(wěn)，以此來評(píng)價(jià)邊坡的安全度。具體降強(qiáng)度方法如式（1）所示。

?

式中，Cf，φf分別對(duì)應(yīng)強(qiáng)度折減后的黏聚力和內(nèi)摩擦角，Kfos為安全度系數(shù)值。

圖4為強(qiáng)度折減的最終階段各區(qū)域排土場(chǎng)的剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D及其對(duì)應(yīng)安全系數(shù)，經(jīng)分析可得：

（1）排土場(chǎng)各滑坡體區(qū)域均呈現(xiàn)出明顯的三維空間滑移體形態(tài)。結(jié)合典型切面下剪切應(yīng)變?cè)隽克俣仁噶繄D5可得：各區(qū)域排土場(chǎng)滑坡失穩(wěn)時(shí)，表現(xiàn)為排土體頂部下滑、中間部位沿坡面?zhèn)认蛳蛳禄?，坡腳區(qū)域水平剪出，呈現(xiàn)出自頂部外緣沿坡面至坡腳滑出的趨勢(shì)；對(duì)應(yīng)于排土場(chǎng)邊坡實(shí)際破壞現(xiàn)狀往往為頂部下滑產(chǎn)生拉裂縫，坡腳底鼓錯(cuò)動(dòng)；數(shù)值模擬分析的破壞現(xiàn)象符合排土場(chǎng)邊坡滑坡失穩(wěn)的一般規(guī)律。

（2）排土場(chǎng)4個(gè)區(qū)域的空間安全度分別為Kfos=1.867、1.929、1.975、1.844。依據(jù)GB50421-2007《有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》可得：排土場(chǎng)各區(qū)域安全度Kfos≥1.30～1.50，排土場(chǎng)各區(qū)域均較為穩(wěn)定。

（3）通過各區(qū)域結(jié)果的對(duì)比分析，區(qū)域D與區(qū)域A（或區(qū)域B）相比，雖降低了45 m高的堆載高度（+330 m堆載平臺(tái)），但排土場(chǎng)區(qū)域D的空間安全度為各研究區(qū)域中最小。結(jié)果表明，排土場(chǎng)各區(qū)域穩(wěn)定性規(guī)律不僅受堆排高度單因子的影響，是受地形、邊界、排土條件等因素綜合影響的結(jié)果。

2.3 空間滑坡破壞過程分析

在計(jì)算各區(qū)域排土場(chǎng)邊坡安全度的基礎(chǔ)上，通過對(duì)排土場(chǎng)開展逐步的強(qiáng)度折減，并沿排土場(chǎng)各區(qū)域坡腳位置分散設(shè)置1組位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄在整個(gè)強(qiáng)度折減過程中排土場(chǎng)坡腳水平向位移變化情況，以研究排土場(chǎng)各區(qū)域失穩(wěn)破壞過程。圖6為不同強(qiáng)度折減過程中排土場(chǎng)典型剖面塑性區(qū)演化；圖7則為強(qiáng)度折減過程中對(duì)應(yīng)坡腳特征點(diǎn)位移演化曲線。各區(qū)域演化規(guī)律基本相似，限于篇幅本文只列出區(qū)域A下計(jì)算結(jié)果。結(jié)合區(qū)域A下計(jì)算結(jié)果，經(jīng)分析可得：

（1）在未進(jìn)行強(qiáng)度折減時(shí)（Kf=1.0），排土場(chǎng)塑性破壞區(qū)范圍較小，僅表現(xiàn)為基礎(chǔ)殘坡積層區(qū)域小范圍的破壞，排土場(chǎng)邊坡整體較為穩(wěn)定。

（2）隨著強(qiáng)度折減的逐步進(jìn)行（Kf=1.10～1.40），排土場(chǎng)邊坡塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，主要表現(xiàn)為基礎(chǔ)殘坡積層首先破壞，內(nèi)部排土體塑性區(qū)范圍逐步增大，且呈現(xiàn)自坡腳至坡頂逐步貫通趨勢(shì)。

（3）特征剖面塑性區(qū)范圍自坡腳貫通至坡頂位置貫通之后（Kf＞1.40時(shí)），塑性區(qū)貫通范圍進(jìn)一步由特征剖面向整個(gè)排土體延伸，形成空間大范圍的塑性破壞區(qū)直至滑坡失穩(wěn)。

（4）在整個(gè)強(qiáng)度折減過程中（Kf=1.0～Kfos），隨著邊坡塑性區(qū)范圍的不斷增大，排土場(chǎng)坡腳特征點(diǎn)位移變化規(guī)律也表現(xiàn)為逐步增大趨勢(shì)；當(dāng)各區(qū)域排土場(chǎng)邊坡坡腳特征點(diǎn)位移發(fā)生規(guī)律性大規(guī)模突變時(shí)，數(shù)值迭代計(jì)算不收斂，此時(shí)可認(rèn)為排土體已發(fā)生滑坡失穩(wěn)破壞，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)即可作為排土場(chǎng)各區(qū)域的安全度。

3 與平面穩(wěn)定性結(jié)果的對(duì)比分析

為進(jìn)一步衡量評(píng)價(jià)排土場(chǎng)各區(qū)域安全度，比較平面分析結(jié)果與空間穩(wěn)定性分析下排土場(chǎng)穩(wěn)定性的差異，對(duì)上述4個(gè)空間穩(wěn)定性分析的區(qū)域選取10個(gè)典型剖面（見圖2）開展平面穩(wěn)定性計(jì)算分析。圖8為選取的多個(gè)特征剖面下排土場(chǎng)穩(wěn)定性計(jì)算剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D，表2則為空間安全度與平面安全度對(duì)比匯總表。通過和空間穩(wěn)定性結(jié)果對(duì)比分析可得：

（1）平面穩(wěn)定性分析下排土場(chǎng)的剪切應(yīng)變?cè)隽考笆噶客瑯颖憩F(xiàn)為排土體頂部下滑、中間部位沿坡面?zhèn)认蛳蛳禄?，坡腳區(qū)域水平剪出趨勢(shì)，該規(guī)律與空間穩(wěn)定性分析下排土場(chǎng)滑坡規(guī)律相同。

（2）平面穩(wěn)定性分析可反映單一平面條件下地形、地質(zhì)、邊界及排土條件的變化，但未能反映排土體的空間效應(yīng)的影響。相比而言，不同特征剖面計(jì)算出的平面安全度差異性及離散型較大，其安全度結(jié)果在1.625～2.305之間變化。

（3）平面穩(wěn)定性分析結(jié)果的代表性很大程度上依賴于特征剖面的選取。與空間破壞區(qū)域相近區(qū)域下的典型切面下的平面安全度普遍低于空間穩(wěn)定性分析結(jié)果0.10～0.20左右；而與空間破壞區(qū)域非同側(cè)區(qū)域下的典型切面下的安全度結(jié)果差異離散較大，未能表現(xiàn)出明顯的規(guī)律相似性。

4 結(jié)論

（1）受場(chǎng)址地形及地質(zhì)條件、排土邊界形態(tài)、堆置方式及排土物料特性等因素綜合影響下的排土場(chǎng)邊坡安全度具有明顯的空間效應(yīng)；基于多區(qū)域的空間穩(wěn)定性分析及平面分析研究，該排土場(chǎng)整體安全情況受關(guān)鍵部分的局部穩(wěn)定性控制。正常情況下該排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)在1.844～1.975之間，排土場(chǎng)較為穩(wěn)定。

（2）排土場(chǎng)各區(qū)域在滑坡失穩(wěn)時(shí)呈現(xiàn)出明顯的三維空間滑移體形態(tài)及特征，表現(xiàn)為排土體頂部下滑產(chǎn)生拉裂縫，底部剪出呈坡腳底鼓現(xiàn)象。對(duì)應(yīng)于數(shù)值計(jì)算，表現(xiàn)為排土體大面積塑性區(qū)貫通，并產(chǎn)生邊坡位移發(fā)生突變。

?

（3）經(jīng)過空間與平面穩(wěn)定性結(jié)果的綜合比較分析：與空間破壞區(qū)域同側(cè)區(qū)域下的典型切面下的平面安全度結(jié)果能夠近似反映排土場(chǎng)的整體安全度，其安全度結(jié)果普遍低于空間穩(wěn)定性分析結(jié)果0.10～0.20左右。

（4）平面安全度分析的結(jié)果可靠性和代表性依賴于特征剖面的選取。對(duì)于受地形、地質(zhì)、排土邊界等空間因素影響較大的排土場(chǎng)邊坡，在開展穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，宜采取空間穩(wěn)定性和平面穩(wěn)定性2種分析手段相結(jié)合的方式，以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠。

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