軟基排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析與工程應(yīng)對(duì)措施

林遠(yuǎn)航 熊齊歡

(1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司紫金山金銅礦；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司;3.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

排土場(chǎng)是露天采礦場(chǎng)用于堆積廢石圍巖的場(chǎng)所，由于經(jīng)濟(jì)原因，排土場(chǎng)選址應(yīng)盡量毗鄰采場(chǎng)，從而可以節(jié)省廢石運(yùn)輸成本，與此同時(shí)，所選排土場(chǎng)場(chǎng)址應(yīng)具備容納礦區(qū)廢石的空間，合理的場(chǎng)址還需考慮周邊工程與水文地質(zhì)條件、生態(tài)環(huán)境、人文景觀等因素[1]。在諸多因素的限制下，有時(shí)排土不得不面臨其他不利因素，紫金山金銅礦北口排土場(chǎng)便面臨著坡腳軟基問題。紫金山金銅礦北口排土場(chǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)高為400～820 m，單臺(tái)階高度為30 m，總設(shè)計(jì)容量高達(dá)2.8億m3，屬于國內(nèi)屈指可數(shù)的特大型排土場(chǎng)之一[2]。該排土場(chǎng)設(shè)計(jì)坡腳位于山地溝谷處，在堆排過程中，上游的雨水沖刷與侵蝕不斷帶走了采場(chǎng)中的細(xì)顆粒,并沉積在溝谷坡腳處，由于歷史原因，該區(qū)域已經(jīng)形成了厚度超過50 m的淤泥質(zhì)土，如圖1中的軟土層所示。排土場(chǎng)640 m有一個(gè)超寬平臺(tái)，將排土場(chǎng)分為上下兩部分，本文針對(duì)640 m以下的底部排土場(chǎng)進(jìn)行研究，分析坡腳軟基對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定的影響，提出合理的工程治理措施,使其穩(wěn)定性符合安全要求。

圖1 排土場(chǎng)剖面

1 排土場(chǎng)地下滲流場(chǎng)與降雨入滲

大氣降雨是地下水的主要來源，排土場(chǎng)作為人工廢石堆積體，本身也是大氣降雨的滯水蓄水體[3]。通過大氣降雨，排土場(chǎng)內(nèi)部滲流場(chǎng)不斷發(fā)生變化，邊坡體中的水儲(chǔ)量和水荷載也不斷發(fā)生變化，內(nèi)部形成了動(dòng)態(tài)飽和帶與非飽和帶，當(dāng)邊界排水條件不暢而降雨持續(xù)時(shí)間很長時(shí)，甚至引起地下浸潤線的抬升，這也是導(dǎo)致排土場(chǎng)地下滲流場(chǎng)發(fā)生季節(jié)性變化的原因[4]。

降雨形成的暫時(shí)蓄水對(duì)排土場(chǎng)內(nèi)部顆粒有2種作用形式，在飽和區(qū)域主要以正孔隙水壓的形式存在，該壓力減小了排土場(chǎng)內(nèi)部顆粒的粒間有效應(yīng)力，使得顆粒間的分離變得更加容易；在非飽和區(qū)域或飽和區(qū)域邊界處，往往形成了負(fù)孔隙水壓力，也稱為基質(zhì)吸力，根據(jù)有效應(yīng)力原理，該壓力增加了內(nèi)部顆粒的粒間有效應(yīng)力，使得顆粒間的聯(lián)系更加緊密，有利于排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定，因此，孔隙水的性質(zhì)與散體強(qiáng)度和邊坡穩(wěn)定有較大關(guān)系。

根據(jù)紫金山金銅礦所在區(qū)域的水文氣象資料，歷史上最大持續(xù)降雨時(shí)間超過10 d，最大降雨量為242 mm/d，根據(jù)該資料確定數(shù)值模擬邊界條件q=2.8×10-6m/s。

在降雨入滲分析前，應(yīng)分析原有地下滲流場(chǎng)，根據(jù)排土場(chǎng)工勘地質(zhì)資料，排土場(chǎng)內(nèi)部穩(wěn)定水頭h1=502 m，未降雨時(shí)庫區(qū)水位h2=446 m，結(jié)合各成分的滲透性系數(shù)(表1)，得到未降雨?duì)顟B(tài)下的穩(wěn)定滲流場(chǎng)(圖2)，持續(xù)降雨10 d后地下滲流場(chǎng)見圖3。

從圖2、圖3可以看出，在持續(xù)降雨時(shí)排土場(chǎng)表面形成一層飽和層，該飽和層的厚度與降雨的持續(xù)時(shí)間、降雨強(qiáng)度、排土場(chǎng)滲透性以及排滲條件有關(guān)。

表1 不同巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖2 未降雨時(shí)穩(wěn)定滲流場(chǎng)

圖3 降雨10 d后滲流場(chǎng)

在穩(wěn)定性分析時(shí)飽和層中堆排散體的容重不再是天然容重，而是飽和容重，直接增加了滑體的重力，增加了邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，這也是降雨容易誘發(fā)排土場(chǎng)失穩(wěn)的主要原因。在排土場(chǎng)坡腳塊石棱體中，穩(wěn)定水位線由原來的446 m提升至463 m，庫區(qū)水位升高使得更多堆排散體處于飽水狀態(tài)，其強(qiáng)度急劇降低，穩(wěn)定性也會(huì)發(fā)生變化。

2 排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析

在滲流分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)表1中各巖組的物理力學(xué)指標(biāo)，采用極限平衡法對(duì)排土場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，未降雨、持續(xù)降雨10 d后的穩(wěn)定性結(jié)果見圖4、圖5，持續(xù)降雨期間邊坡最小安全系數(shù)的變化情況見圖6。

圖4 未降雨時(shí)最小安全系數(shù)

圖4～圖6計(jì)算結(jié)果表明，原設(shè)計(jì)中不論什么狀態(tài)排土場(chǎng)最小安全系數(shù)均小于1，即排土場(chǎng)坡腳不穩(wěn)定。同時(shí)，隨著降雨時(shí)間的持續(xù)，邊坡最小安全系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這主要與土體中含水量有關(guān)，當(dāng)排土場(chǎng)中體積含水量較小(不飽和狀態(tài)時(shí))，堆排散體內(nèi)部形成較大的基質(zhì)吸力(圖7)。當(dāng)排土場(chǎng)的體積含水量低至殘余含水量時(shí)，基質(zhì)吸力約1 000 kPa，大大增強(qiáng)了堆積體內(nèi)部顆粒間的擠壓作用，也提高了堆積體的力學(xué)強(qiáng)度，因此，穩(wěn)定性有所增加。但是隨著飽和帶的不斷增厚，更多堆積體處于飽和狀態(tài)，散體內(nèi)部基質(zhì)吸力不斷降低，穩(wěn)定性也逐漸降低，因此，總體呈現(xiàn)了安全系數(shù)先增加后減小的趨勢(shì)。

圖5 降雨10 d后最小安全系數(shù)

圖6 最小安全系數(shù)隨持續(xù)降雨時(shí)間曲線

圖7 散體飽水狀態(tài)與基質(zhì)吸力關(guān)系曲線

3 工程應(yīng)對(duì)措施

從最危險(xiǎn)滑面形態(tài)可以看出，滑動(dòng)面底部主要位于坡腳軟基之中，即軟基是導(dǎo)致排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性欠缺的非常重要的因素，因此，必須對(duì)該軟土層進(jìn)行硬化處理。同時(shí)，滑動(dòng)面深度較大，需利用塊石棱體對(duì)軟土層進(jìn)行壓坡處理，利用塊石重力增強(qiáng)滑動(dòng)土體的抗滑力；塊石棱體質(zhì)量大、透水性強(qiáng)，容易對(duì)軟土進(jìn)行擠壓置換作用，增強(qiáng)軟土強(qiáng)度；塊石棱體中的大孔隙成為軟土的排水通道，可以促進(jìn)軟土的壓縮固結(jié)與強(qiáng)度提高。

排土場(chǎng)坡腳工勘報(bào)告顯示，當(dāng)上部堆載塊石厚度為60 m時(shí)，即1 320 kPa固結(jié)壓力時(shí)，軟土層強(qiáng)度參數(shù)有較大提升，根據(jù)固結(jié)后試樣試驗(yàn)結(jié)果，內(nèi)聚力C由固結(jié)前的11 kPa提升至80 kPa，內(nèi)摩擦角由固結(jié)前的10°提升至14.5°。

針對(duì)原設(shè)計(jì)坡腳穩(wěn)定性不足的問題，對(duì)排土場(chǎng)坡腳進(jìn)行塊石壓坡腳和軟基處理，塊石堆載標(biāo)高由原來470 m提升至500 m，同時(shí)對(duì)坡腳軟土層進(jìn)行打碎石樁預(yù)壓固結(jié)，預(yù)壓荷載為1 320 kPa，處理厚度分別為0，10，15，20，25和30 m(圖8)，在連續(xù)降雨條件下，其穩(wěn)定性結(jié)果見圖9。

圖8 工程治理剖面

在持續(xù)降雨條件下，考慮周邊爆破震動(dòng)荷載，當(dāng)坡腳處理深度不大于25 m時(shí)，其最小安全系數(shù)小于1.15，不能滿足規(guī)范要求。當(dāng)坡腳處理深度為30 m時(shí)，其最小安全系數(shù)為1.153，略高于排土場(chǎng)規(guī)范要求下限值。

不同碎石樁深度的最小安全系數(shù)曲線見圖10?？梢钥闯?，隨著碎石樁深度的提高，最小安全系數(shù)逐漸增加，增加趨勢(shì)近似直線，其直線擬合方程為

fs=0.0018h+1.099 1 ,

式中,fs為最小安全系數(shù)；h為碎石樁深度，m。

按照規(guī)范要求，最小安全系數(shù)不應(yīng)小于1.15，因此，令fs=1.15，可計(jì)算出最小基底處理深度為28.3 m，即碎石樁最小深度為28.3 m。

4 結(jié) 論

(1)長時(shí)間降雨是誘導(dǎo)排土場(chǎng)邊坡失穩(wěn)的重要外因之一。短期的降雨入滲作用會(huì)引起排土場(chǎng)散體顆粒間的負(fù)孔隙水壓力，從而增大散體顆粒間的有效應(yīng)力和強(qiáng)度，因此，排土場(chǎng)穩(wěn)定性呈增加的趨勢(shì)，但是隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加，排土場(chǎng)表層所形成的飽和層不斷增加，邊坡發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)不斷增加。

(2)軟基是導(dǎo)致原排土場(chǎng)坡腳不穩(wěn)的重要因素。紫金山金銅礦排土場(chǎng)坡腳處于軟基之上，原設(shè)計(jì)邊坡在各種降雨條件下均不能保持邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，必須進(jìn)行工程處理方可排土堆載。

(3)通過碎石樁和堆載的方法可以有效解決紫金山金銅礦北口排土場(chǎng)坡腳不穩(wěn)的情況。當(dāng)排土場(chǎng)坡腳采用塊石堆積60 m，碎石樁深度不小于28.3 m時(shí)，排土場(chǎng)在區(qū)域最大持續(xù)降雨條件下，排土場(chǎng)最小安全系數(shù)仍符合規(guī)范要求。

圖9 坡角不同處理深度時(shí)最小安全系數(shù)

圖10 不同碎石樁深度的最小安全系數(shù)曲線