降雨對(duì)礦山排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性影響分析

華鐵軍

（長春黃金設(shè)計(jì)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(chǎng)的生產(chǎn)規(guī)模越來越大，高度也在上升，而排土場(chǎng)的可靠性關(guān)系著礦山的穩(wěn)定生產(chǎn)，如果出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，不但會(huì)阻礙礦山的順利生產(chǎn)及經(jīng)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(dǎo)致更加嚴(yán)重的后果。由此，對(duì)降雨環(huán)境下礦山排土場(chǎng)邊坡可靠性展開分析十分重要。邊坡可靠性是個(gè)長久的探究課題，國內(nèi)外很多學(xué)者均進(jìn)行了全面的探究工作，并獲得了顯著的研究成果。下文結(jié)合礦山排土場(chǎng)基本特征，經(jīng)假設(shè)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(chǎng)邊緣的3D可靠性分析辦法。

1 排土場(chǎng)邊坡3D模型和地質(zhì)環(huán)境模型

1.1 基本假設(shè)

考量到礦山排土場(chǎng)是處在自然山體坡面上，且分臺(tái)階存在的，具有自然滑裂面，本文假設(shè)礦山排土場(chǎng)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(shè)的破裂面模式，后期分析過程的基本假設(shè)是：①初始狀態(tài)假設(shè)滑裂體并未變位；②滑塊處在極限條件下時(shí)，兩側(cè)面（ABE與CDE）遭到靜止土壓力影響，底面ADE遭主動(dòng)土壓力影響，滑裂面的損壞準(zhǔn)則符合Mohr-Coulomb標(biāo)準(zhǔn)；③滑塊側(cè)邊滑動(dòng)軌跡是AF、DG、F，其中，G是BE和CE的中點(diǎn)；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(shù)涉及三點(diǎn)，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(chǎng)項(xiàng)目的地質(zhì)環(huán)境與邊坡模型的創(chuàng)建

某礦山排土場(chǎng)包括一期與二期規(guī)劃建造。一期排土場(chǎng)在2011年完工，土場(chǎng)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(biāo)高是150m，總?cè)莘e為1887萬m3。二期排土場(chǎng)于一期前提下開展擴(kuò)容建造，擴(kuò)容后的排土場(chǎng)重點(diǎn)朝南北兩邊各增寬200m～300m，總占地范圍2286畝，二期排土場(chǎng)最后堆放標(biāo)高180m，初步規(guī)劃總?cè)萘渴?000萬m3，二期排土場(chǎng)在2017年正式投用。

排土場(chǎng)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(shì)，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(shí)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(chǎng)周圍的山坡坡度大概是20%～30%，綠化植物較為發(fā)育。

仔細(xì)研究排土場(chǎng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)信息、地勘報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目的測(cè)量調(diào)查表明，該排土場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)的巖土層，由上至下分別為：廢土石、耕種土、粉質(zhì)土層、中風(fēng)化粉砂巖。根據(jù)地下水壓力特點(diǎn)與內(nèi)部的條件，能細(xì)化排土場(chǎng)地下水，分成基巖內(nèi)空隙潛水、第四系疏散層空隙潛水；而空隙潛水常存于風(fēng)化基巖中；而空隙潛水則存于第四系沖洪積層中。相關(guān)排土場(chǎng)邊坡和常見地質(zhì)剖面如圖2所示。

依據(jù)排土場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境，創(chuàng)建有關(guān)排土場(chǎng)邊坡運(yùn)算模型，其中，模型系統(tǒng)共6073個(gè)，節(jié)點(diǎn)為5947個(gè)。

圖2 排土場(chǎng)邊坡和常見地質(zhì)剖面（單位/米）

2 研究排土場(chǎng)項(xiàng)目邊坡的穩(wěn)固性與時(shí)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(chǎng)項(xiàng)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(zhì)飽和條件下的滲水張量；kr（h）p表示介質(zhì)相對(duì)滲水的闡述；飽和區(qū)的數(shù)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(guān)系為：h=hp+z；Q為源匯項(xiàng)。C（h）p表示容水度，具體飽和區(qū)的數(shù)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(chǎn)量，0是非飽和區(qū)，1是飽和區(qū)系數(shù)）。

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

2.2 明確降水的邊界

重點(diǎn)是對(duì)排土場(chǎng)瞬間滲水分析，提出以下假設(shè)：

第一，排土場(chǎng)邊坡表層受到降雨影響，并以降雨滲透為邊界，當(dāng)流量邊界的降水強(qiáng)度低于土體滲水性能時(shí)，測(cè)定水頭邊界的降水強(qiáng)度就大于土體滲水性能，這時(shí)，假設(shè)超滲透產(chǎn)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(diǎn)按照初始的地下水高度進(jìn)行確定；

第三，邊坡模型下底假設(shè)僅產(chǎn)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(chǎng)的可靠性探究

3.1 失穩(wěn)形式

參考礦區(qū)項(xiàng)目的地質(zhì)調(diào)研表，該排土場(chǎng)邊坡有三種失穩(wěn)形式：

其一，順基底下臥層總體的滑動(dòng)，重點(diǎn)是因?yàn)槎逊e的臺(tái)階增多和滯水的作用導(dǎo)致，這次滑動(dòng)失穩(wěn)形式的危害性很大，但難以出現(xiàn)，所以，此處不進(jìn)行考慮。

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

其三，臺(tái)階坡度較為陡峭，從而導(dǎo)致每個(gè)平臺(tái)邊坡局域的滑動(dòng)，這次滑動(dòng)的損害極易出現(xiàn)，所以文章將進(jìn)行詳細(xì)探究。經(jīng)對(duì)本排土場(chǎng)邊坡每個(gè)平臺(tái)形態(tài)穩(wěn)定時(shí)程計(jì)量，得到三種失穩(wěn)形式安全指標(biāo)時(shí)的變曲線。

3.2 整體分析

（1）比較研究三個(gè)平臺(tái)安全指標(biāo)的變化程度，四種降水下565平臺(tái)的安全指標(biāo)和時(shí)間是正相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)?65平臺(tái)偏低，如果出現(xiàn)降雨，則水流可以迅速排出到最小的平臺(tái)，且難以再次被排出，所以產(chǎn)生了滯水情況；此外，兩個(gè)平臺(tái)就是因?yàn)楦邔酉鄬?duì)偏高，難以受到降水的匯流。通過上述分析得知，若565平臺(tái)連續(xù)推高，則出現(xiàn)失穩(wěn)的機(jī)率很大。

（2）比較研究Ⅰ雨型和Ⅱ雨型，針對(duì)本排土場(chǎng)區(qū)域安全系數(shù)對(duì)時(shí)間的影響，能夠從中知道，Ⅰ雨型上的565平臺(tái)安全系數(shù)從1.148下降到1.105；Ⅱ雨型安全系數(shù)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(yán)重到排土場(chǎng)的可靠性。這是因?yàn)榕磐翀?chǎng)滲水指標(biāo)較大導(dǎo)致，且和其他土質(zhì)邊坡在根本上存在明顯區(qū)別；當(dāng)降強(qiáng)偏小時(shí)，排土場(chǎng)滲水的水平＞降雨強(qiáng)度，則降雨會(huì)直接滲入排土場(chǎng)邊坡中，從而導(dǎo)致地下水水位升高，從地表直接排出，所以僅有大暴雨會(huì)極大影響到排土場(chǎng)的可靠性。

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

4 結(jié)語

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

其次，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的排土場(chǎng)分散物料強(qiáng)度和含水量間的聯(lián)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(jié)論得知，降雨滲透加大的土體含水量，下降了其抗剪強(qiáng)度性能，邊坡可靠性也將下降。為此，為保證排土場(chǎng)的安全，排土場(chǎng)應(yīng)建可靠的截（排）水設(shè)施：為了上游匯水和底部滲流及時(shí)排出，可采用大石鋪底、底部設(shè)排水盲溝、上游設(shè)截水壩、倒洪硐（渠）等措施；為減少排土場(chǎng)匯集雨水量，可在排土場(chǎng)周圍設(shè)截（排）水溝，并在安全平臺(tái)和排土場(chǎng)表面設(shè)計(jì)排水溝渠等。

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