紅家營排土場(chǎng)堆排設(shè)計(jì)及邊坡穩(wěn)定性分析

盧邦飛，盧俊華，穆順要

（天津華勘老撾礦業(yè)有限公司，天津 300170）

1 工程地質(zhì)概況

紅家營鉛鋅礦礦排土場(chǎng)位于云南省個(gè)舊市大屯鎮(zhèn)。排土場(chǎng)作為礦山接納廢土石的場(chǎng)所，是礦山組織生產(chǎn)中不可缺少的一項(xiàng)永久性工程建筑[1]。排土場(chǎng)在礦山生產(chǎn)和閉坑后能否持續(xù)穩(wěn)定，其堆存方法及穩(wěn)定性是必須考慮的重大問題。

根據(jù)工程資料，結(jié)合鉆探結(jié)果，堆場(chǎng)地層主要是第四系人工堆積石渣、第四系坡殘積黏土及三疊系中統(tǒng)個(gè)舊組灰?guī)r，各層的具體情況如下。

（1）第四系人工堆積層（Qml）。第①層石渣：灰色～深灰色、灰白色夾淺肉紅色，由碎石組成，稍密為主，局部松散或中密，稍濕。碎石成分主要為強(qiáng)～中風(fēng)化的石灰?guī)r、大理巖及花崗巖，少量為矽卡巖、泥巖等巖類碎屑，粒徑1～5cm為主，最大可達(dá)30cm左右。厚度2.00～33.50m，分布于整個(gè)場(chǎng)地。

（2）第四系坡殘積層（Qdl+el）。第②層黏土：棕褐色～褐黃色，夾黑灰色，硬塑～堅(jiān)硬狀態(tài)，稍濕，局部含少量強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r。主要分布坡腳一帶，厚度0.90～21.50m。

（3）三疊系中統(tǒng)個(gè)舊組（T2g）基巖。第③層石灰?guī)r：淺灰色，灰色，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，中風(fēng)化為主，部分強(qiáng)風(fēng)化。裂隙較發(fā)育，沿裂隙偶見溶蝕現(xiàn)象，裂隙被黏土充填。巖芯呈短柱狀或碎塊狀，所有鉆孔均揭露此層，揭示厚度2.40～8.60m。

各巖體物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表

2 排土場(chǎng)地形特征

紅家營排土場(chǎng)為山谷+坡地型排土場(chǎng)，山溝走向由東至西，南、北高中間低，南、北部有山脊，形成天然的分水嶺。排土場(chǎng)東高西低，鄉(xiāng)村公路由西至東從排土場(chǎng)南側(cè)通過，排土場(chǎng)西部下游有天然的山溝，可作為截洪溝排泄通道，排土場(chǎng)排水條件較好。

3 排土場(chǎng)堆排設(shè)計(jì)

（1）廢石堆置總高：60m（標(biāo)高2010.00～2070.00m）。

（2）堆置臺(tái)階高度：20m、20m、20m，分成3個(gè)堆置平臺(tái)堆存。具體如圖1所示。

圖1 排土場(chǎng)邊坡主溝剖面圖

（3）分段安全平臺(tái)寬度：15m、15m，平臺(tái)設(shè)返坡i=2%。

（4）設(shè)計(jì)臺(tái)階坡面角34°（自然安息角）。

（5）邊坡整體坡面角：26.21°。

（6）紅家營排土場(chǎng)設(shè)計(jì)容量V=200萬m3，為四等庫容。

（7）土工藝：采用汽車運(yùn)輸，推土機(jī)輔助堆排，平地式排土和臺(tái)階式排土相結(jié)合。

（8）防洪：防洪擬定按20年一遇設(shè)防，場(chǎng)地周邊設(shè)置有漿砌毛石截洪溝，為防止雨水對(duì)外坡沖刷，在安全平臺(tái)內(nèi)側(cè)設(shè)置排水溝，排土臺(tái)階邊坡的雨水匯集到排水溝后匯入場(chǎng)外截水溝。

（9）坡腳防護(hù)：2025排土場(chǎng)西側(cè)下游設(shè)置格賓石籠碾壓石壩，南側(cè)與鄉(xiāng)村公路毗鄰段設(shè)置漿砌毛石擋渣墻坡腳防護(hù)。通常采用硬質(zhì)石塊做墊層以形成排水滲流通道，以便排土場(chǎng)頂部、平臺(tái)滲水能順利排出。碾壓石壩（攔渣壩）幾何尺寸：①壩頂中軸線長度：124.00m；②壩體高度：Δh=10.00m；③壩頂標(biāo)高：2100.00m；④壩頂寬度：5.00m；⑤壩體面坡坡比1∶2.0；壩體背坡坡比1∶2.0；⑥基底處理方案：擬建碾壓石渣壩壩址素填土①層（即石渣）厚度1.50～3.20m，該層均勻性較差，該層下伏有性質(zhì)一般的黏土②層，厚度較小，揭示厚度3.30～3.60m?；谶@些因素考慮，碾壓石渣壩的壩體不宜落于石渣填土①層和黏土②層。建議壩基清至③層灰?guī)r，再在其上進(jìn)行分層碾壓。因此攔渣壩施工前，應(yīng)先清除基底的石渣填土層和黏土層，至③層灰?guī)r后方能開始筑壩。

（10）排土場(chǎng)頂面處理：頂面采用0.25～0.3m厚的紅黏土隔水，壓實(shí)度不小于93%，向內(nèi)設(shè)排水反坡。

4 邊坡穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)

紅家營排土場(chǎng)工程主要利用兩岸坡之間的溝谷進(jìn)行堆存，溝谷地形較陡，總體地形有利于石渣堆存。排土場(chǎng)下游關(guān)系較簡單，庫容量不太大，但是邊坡高度較高，根據(jù)《有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50421-2007），擬定該排土場(chǎng)安全等級(jí)為三級(jí)，邊坡安全系數(shù)：天然工況Fs≥1.20；地震工況Fs≥1.10；降雨工況Fs≥1.10[2-5]。

5 基于極限平衡理論的理正巖土邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算

采用基于極限平衡理論的邊坡穩(wěn)定計(jì)算軟件理正巖土對(duì)排土場(chǎng)邊坡建立了仿真模型與系統(tǒng)計(jì)算和分析。根據(jù)國家《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2001）附錄A的規(guī)定，該工程抗震設(shè)防烈度為7。本次穩(wěn)定性計(jì)算和分析考慮天然、地震、降雨3種工況，采用理正巖土軟件對(duì)建立的模型進(jìn)行計(jì)算，得到最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的安全系數(shù)如表2所示，主溝斷面變形破壞滑動(dòng)面圖如圖2所示。

表2 排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)（極限平衡）

圖2 主溝斷面變形破壞滑動(dòng)面圖

6 基于有限差分法的FLAC2D邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算

連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日法（FLAC）是基于有限差分法的數(shù)值分析方法，它適用于大變形。運(yùn)用FLAC2D7.0計(jì)算和分析了3種不同工況下邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡變形潛在滑坡破壞面的位置，其分布云圖如圖3所示，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

7 結(jié)論與建議

圖3 主溝斷面滑動(dòng)面分布云圖

表3 排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)（FLCA2D）

滑坡的風(fēng)險(xiǎn)來源于上部堆積體以及堆積體與基底的接觸面，一般接觸面巖性較軟弱，雨水侵蝕后力學(xué)指標(biāo)易降低，在一定的地形坡度下，容易誘發(fā)滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，通過上文兩種模擬方法進(jìn)行邊坡整體穩(wěn)定性分析，得到結(jié)論：

（1）紅家營排土場(chǎng)在現(xiàn)最終設(shè)計(jì)堆存狀態(tài)下，其潛在滑動(dòng)面先穿過堆積體而后沿著基底穿出，其潛在的滑面在自然工況和降雨工況下均達(dá)到安全等級(jí)三級(jí)的要求，能夠消除沿基底面滑動(dòng)，證明該排土場(chǎng)堆存方案是可行和合理的，為后期土石堆排提供了指導(dǎo)依據(jù)。

（2）通過模擬計(jì)算得出：最終堆高在考慮7°地震工況下能夠滿足安全等級(jí)三級(jí)的要求，說明該排土場(chǎng)邊坡在目前堆存方案下具有一定的抗擾動(dòng)能力。

（3）從圖2和圖3可以看出：潛在滑動(dòng)面先通過堆積體最后由基底面穿出，說明滑坡的風(fēng)險(xiǎn)來源于堆體與基底接觸面。

（4）為使排土場(chǎng)滿足相長期穩(wěn)定的要求，建議排廢采用自下而上，由近而遠(yuǎn)，由里向外的堆放工藝；采用汽車在排土平臺(tái)上順序卸載，然后將靠近邊坡臨空處的堆積體按每30cm由推土機(jī)推平和壓實(shí)，如此循環(huán)，排土臺(tái)階逐漸加高；遠(yuǎn)離邊坡以外的堆積體無需碾壓，靠其自重慢慢固結(jié)壓實(shí)。