降雨對礦山排土場邊坡穩(wěn)定性影響分析

華鐵軍

（長春黃金設計院有限公司，吉林 長春 130000）

伴隨采礦行業(yè)的不斷發(fā)展，礦山排土場的生產規(guī)模越來越大，高度也在上升，而排土場的可靠性關系著礦山的穩(wěn)定生產，如果出現失穩(wěn)現象，不但會阻礙礦山的順利生產及經營，還可能引起人員傷亡事件，尤其是遇到連續(xù)降雨環(huán)境，可能引發(fā)大范圍的泥石流，導致更加嚴重的后果。由此，對降雨環(huán)境下礦山排土場邊坡可靠性展開分析十分重要。邊坡可靠性是個長久的探究課題，國內外很多學者均進行了全面的探究工作，并獲得了顯著的研究成果。下文結合礦山排土場基本特征，經假設四棱錐型的碎裂面模式，并給予極限平衡理論，得出了礦山排土場邊緣的3D可靠性分析辦法。

1 排土場邊坡3D模型和地質環(huán)境模型

1.1 基本假設

考量到礦山排土場是處在自然山體坡面上，且分臺階存在的，具有自然滑裂面，本文假設礦山排土場坡體失穩(wěn)模式見圖1所示，邊坡失穩(wěn)模式是四棱錐體（ABCD），破裂面于底面（ADE）。

圖1 邊坡失穩(wěn)模式示意圖

按照本文假設的破裂面模式，后期分析過程的基本假設是：①初始狀態(tài)假設滑裂體并未變位；②滑塊處在極限條件下時，兩側面（ABE與CDE）遭到靜止土壓力影響，底面ADE遭主動土壓力影響，滑裂面的損壞準則符合Mohr-Coulomb標準；③滑塊側邊滑動軌跡是AF、DG、F，其中，G是BE和CE的中點；④地表可能具有的超載處在BCE的形心；⑤坡體失穩(wěn)滑裂面的改變參數涉及三點，即坡面大小BC為a（米），深度ME為b（米），土體滑裂面（ADE）傾角是θ。

1.2 排土場項目的地質環(huán)境與邊坡模型的創(chuàng)建

某礦山排土場包括一期與二期規(guī)劃建造。一期排土場在2011年完工，土場東西長度為1250m，南北寬度為370m～570m，占地范圍為903畝，最高排土堆放標高是150m，總容積為1887萬m3。二期排土場于一期前提下開展擴容建造，擴容后的排土場重點朝南北兩邊各增寬200m～300m，總占地范圍2286畝，二期排土場最后堆放標高180m，初步規(guī)劃總容量是9000萬m3，二期排土場在2017年正式投用。

排土場是丘陵地貌，存在侵蝕-剝蝕性；地形條件是：兩條溝谷，為南北走勢，溝谷上游較為窄小，所以溝谷形態(tài)是“V”型；溝谷下游就是兩條山溝的集中處，比較開闊，同時谷底的長度大概是1km，寬度大概是450m；縱坡降大概是10%。排土場周圍的山坡坡度大概是20%～30%，綠化植物較為發(fā)育。

仔細研究排土場項目的設計信息、地勘報告和現場項目的測量調查表明，該排土場現場的巖土層，由上至下分別為：廢土石、耕種土、粉質土層、中風化粉砂巖。根據地下水壓力特點與內部的條件，能細化排土場地下水，分成基巖內空隙潛水、第四系疏散層空隙潛水；而空隙潛水常存于風化基巖中；而空隙潛水則存于第四系沖洪積層中。相關排土場邊坡和常見地質剖面如圖2所示。

依據排土場地質環(huán)境，創(chuàng)建有關排土場邊坡運算模型，其中，模型系統共6073個，節(jié)點為5947個。

圖2 排土場邊坡和常見地質剖面（單位/米）

2 研究排土場項目邊坡的穩(wěn)固性與時變

2.1 飽和以及非飽和的滲水理論管理微分方程

降雨環(huán)境下的排土場項目邊坡滲水穩(wěn)固性研究是飽和以及非飽和的失穩(wěn)滲水分析，具體管理偏微分式子為：

其中，kq表示介質飽和條件下的滲水張量；kr（h）p表示介質相對滲水的闡述；飽和區(qū)的數值為1，非飽和區(qū)就處在0～1之間。

hp表示壓力水頭；z表示位置水頭；h為總水頭，它們之間的關系為：h=hp+z；Q為源匯項。C（h）p表示容水度，具體飽和區(qū)的數值為1，非飽和區(qū)就為?θ/?hp（θ代表體積含水率，β為選取的產量，0是非飽和區(qū)，1是飽和區(qū)系數）。

SS表示飽和系統的貯水值，飽和區(qū)為常數，非飽和區(qū)的值為0；t為時間變量；xi為坐標。

2.2 明確降水的邊界

重點是對排土場瞬間滲水分析，提出以下假設：

第一，排土場邊坡表層受到降雨影響，并以降雨滲透為邊界，當流量邊界的降水強度低于土體滲水性能時，測定水頭邊界的降水強度就大于土體滲水性能，這時，假設超滲透產生徑流之后迅速排泄，沒有積水，則水頭值為地面的高程，而邊界水壓為0；

第二，飽和區(qū)用作定水頭邊界，重點按照初始的地下水高度進行確定；

第三，邊坡模型下底假設僅產生水平的滲水，是不滲透的邊界。

3 不同雨型環(huán)境下排土場的可靠性探究

3.1 失穩(wěn)形式

參考礦區(qū)項目的地質調研表，該排土場邊坡有三種失穩(wěn)形式：

其一，順基底下臥層總體的滑動，重點是因為堆積的臺階增多和滯水的作用導致，這次滑動失穩(wěn)形式的危害性很大，但難以出現，所以，此處不進行考慮。

其二，總體圓弧的滑動，常產生在近似圓弧狀的廢石土中，而這次滑動失穩(wěn)形式也難以出現，所以，本文不予以考量。

其三，臺階坡度較為陡峭，從而導致每個平臺邊坡局域的滑動，這次滑動的損害極易出現，所以文章將進行詳細探究。經對本排土場邊坡每個平臺形態(tài)穩(wěn)定時程計量，得到三種失穩(wěn)形式安全指標時的變曲線。

3.2 整體分析

（1）比較研究三個平臺安全指標的變化程度，四種降水下565平臺的安全指標和時間是正相關關系，這是因為565平臺偏低，如果出現降雨，則水流可以迅速排出到最小的平臺，且難以再次被排出，所以產生了滯水情況；此外，兩個平臺就是因為高層相對偏高，難以受到降水的匯流。通過上述分析得知，若565平臺連續(xù)推高，則出現失穩(wěn)的機率很大。

（2）比較研究Ⅰ雨型和Ⅱ雨型，針對本排土場區(qū)域安全系數對時間的影響，能夠從中知道，Ⅰ雨型上的565平臺安全系數從1.148下降到1.105；Ⅱ雨型安全系數就是從原本的1.148下降到1.075；比較兩種雨型，可以得知，總雨量相等環(huán)境下，短期大暴雨將極大嚴重到排土場的可靠性。這是因為排土場滲水指標較大導致，且和其他土質邊坡在根本上存在明顯區(qū)別；當降強偏小時，排土場滲水的水平＞降雨強度，則降雨會直接滲入排土場邊坡中，從而導致地下水水位升高，從地表直接排出，所以僅有大暴雨會極大影響到排土場的可靠性。

（3）比較研究Ⅲ雨型和Ⅳ雨型對該排土場邊坡安全性能的影響，可以從中得知，Ⅲ雨型降水結束后的安全指標呈降低趨勢，而且滯后效應非常明顯；Ⅳ雨型降水完成后的安全系數不斷回升，且沒有滯后效應。比較結果表明，Ⅲ雨型影響下，該排土場降雨結束以后的安全系數降低幅度很大。

4 結語

首先，針對極限平衡理論，研究了礦山排土場坡度四棱椎滑坡體的3D可靠性判斷方式。以某排土場邊坡為研究主體，提出邊坡模型和地質模型的建立條件。

其次，根據實驗得出的排土場分散物料強度和含水量間的聯系，利用提供的邊坡3D可靠性判斷方式，比較研究了降雨滲入前后邊坡的可靠性。由分析結論得知，降雨滲透加大的土體含水量，下降了其抗剪強度性能，邊坡可靠性也將下降。為此，為保證排土場的安全，排土場應建可靠的截（排）水設施：為了上游匯水和底部滲流及時排出，可采用大石鋪底、底部設排水盲溝、上游設截水壩、倒洪硐（渠）等措施；為減少排土場匯集雨水量，可在排土場周圍設截（排）水溝，并在安全平臺和排土場表面設計排水溝渠等。

綜述：降雨是排土場邊坡失穩(wěn)的重要因素之一，無論何種形式的降雨都將對排土場邊坡的穩(wěn)定帶來不利的影響，為此，排土場應建有可靠的截（排）水設施，盡量避免（較少）降雨對排土場邊坡穩(wěn)定的影響，保證排土場的安全。