厚層黃土基底排土場邊坡穩(wěn)定性研究

李芳瑋，王 東

（1.應急管理部信息研究院，北京 100029；2.遼寧工程技術大學 礦業(yè)學院，阜新 123000）

2019 年，我國露天煤炭產量為600 Mt，露天采煤量占國內煤炭產量比重為16%[1]，預計在“十三·五”末期將達到20%，而在已探明的露天煤礦可采儲量中軟巖露天礦占比將近1/3。同時，我國現(xiàn)有近20 座10 Mt/a 以上的軟巖露天煤礦，均發(fā)生過一定規(guī)模的滑坡或邊坡大變形現(xiàn)象[2]，邊坡穩(wěn)定性控制是制約軟巖露天煤礦安全生產的關鍵問題之一。

露天煤礦排土場主要包括承納廢石的基底和基底以上排棄物2 部分，排土場基底承載力直接影響排土場的穩(wěn)定程度，尤其對于基底承載力不足的情況，在剝離土石方的壓力作用下可能會產生沿基底傾斜滑移現(xiàn)象，進一步引起排土場滑塌，形成牽引式滑坡。因此，分析排土場穩(wěn)定性時應考慮基底承載力，在分別計算基底的極限承載力和容許承載力的基礎上，確定排土場的容許排高，可為排土場設計與工程實施提供依據(jù)，為解決排土場邊坡穩(wěn)定性及控制技術難題提供強有力的科技支撐，具有很好的推廣應用前景。

1 邊坡工程地質條件

勝利東二號露天煤礦南排土場水文地質條件相對簡單，地表起伏變化不大，基底為近水平基底，地表標高呈現(xiàn)由西北向東南逐漸增大的趨勢?；诪樗缮⒌牡谒南祹r層，全區(qū)分布。巖性主要由淺黃-灰黃色砂礫及粗、中、細粉砂和亞黏土、亞砂土、覆蓋土組成。全層厚1.00～128.92 m，平均厚37.01 m。其厚度變化由西南向東、東北逐漸變薄。因此，勝利東二號露天煤礦南排土場南幫為典型的厚層黃土基底排土場。

露天礦剝離物料主要是第四系黃土、第三系上新統(tǒng)棕黃色、桔黃色的黏土（巖）類，其次是灰黃、杏黃泥質膠結的砂巖、砂礫巖。在采場被剝離前，根據(jù)水文地質資料上覆巖土結構松散，強度較低，經過采動之后，剝離物料形成的排土場結構強度將進一步降低，孔隙度加大。查閱有關資料，邊坡巖土體物理力學參數(shù)與獲取方法見表1。

表1 巖土體物理力學指標選取值與獲取方法Table 1 Selection values and acquisition method of physical and mechanical indexes of rock and soil

2 排土場基底承載力

針對該礦南排土場實際條件，分析基底的變形破壞模式，研究排土場基底承載力的計算方法，確定各種排土場的容許排高。

2.1 基底的破壞過程和破壞模式

排土場基底主要是在排棄物載荷作用下發(fā)生變形和破壞的，參考建筑地基破壞過程中的荷載沉降p-s 曲線對基底破壞過程進行分析[3]，一般情況下其破壞要經歷3 個階段：①彈性變形階段即壓密階段；②彈塑性混合變形階段即剪切階段；③完全塑性變形階段即破壞階段。

建筑地基失穩(wěn)破壞是由于地基土體的剪應力達到了抗剪強度，形成了連續(xù)的滑移面而使地基失去穩(wěn)定。在實際工程施工中，現(xiàn)場工況條件多種多樣，工程施工造成的地基破壞形式也很多，參照地基破壞3 個階段也可歸納為3 種形式[4]：整體剪切破壞、局部剪切破壞、沖切破壞。

由于排棄物料剛度和基底剛度不會相差太大，因此在排土場載荷作用下，基底巖土體發(fā)生破壞只有整體剪切破壞和局部剪切破壞這2 種模式。

2.2 排土場基底承載力

在土力學的經典的理論中，常用的建筑地基極限承載力的計算公式主要有普朗特爾、太沙基、漢森的極限承載公式3 種[5]。3 種方法都是采用假定滑動面的方法并根據(jù)滑動土體的靜力平衡條件得到地基極限承載力，廣泛應用于建筑地基承載力計算，但對于排土場而言，各種方法均不能考慮三角載荷對基底承載力的影響。針對排土場基底載荷分布特點，由于原普朗特爾公式中ID 面上所受到的被動土壓力只考慮了地基面以上的超載土體重力對其施加的被動土壓力，并未考慮ID 面右側土體對該面產生的被動土壓力，而ID 面受到右側土體施加的被動土壓力會產生抗滑力矩；對普朗特爾地基承載力公式進行改進，依據(jù)朗肯被動土壓力理論，得出：

式中，△Mh為滑動力矩，N·m；△Mkh為抗滑力矩，N·m；ρ0為排棄物密度，t/m3；b 為基礎寬度，一般為6 m；H90為不考慮排土場側面三角載荷時計算得出的排土場極限排高，m；△H 為排土場高度達到H90后的高度增量，m；β 為排土場邊坡角，（°）。

2.3 基于基底極限承載力的排土場容許堆高

基底承載力主要受巖土體自身性質、基礎形狀、埋置深度及載荷條件的影響。采用改進的普朗特爾公式計算排土場基底極限承載力和容許排棄高度，并考慮排土場基底上方的三角坡體重力荷載的作用和ID 面上右側土體施加的被動土壓力，求解排土場基底的承載力及極限堆高，進而確定容許堆高。

針對勝利東二露天礦排土場的實際情況，使用改進的普朗特爾公式計算基底為第四系粉細砂條件下的極限載荷、垂直邊坡極限高度以及排土場極限排高。將c=10 kPa，z=0，φ=28°，ρ1=2.05 t/m3，ρ0=1.90 t/m3分別代入式（2）中，得基底極限承載力pu=169.59 kPa，垂直邊坡極限高度H90=8.93 m。

考慮基底為粉砂時不同邊坡角度對應的排土場極限排高如圖1。由圖1 可以看出，當邊坡角為80°時，△H 為0.48 m，即極限排高為9.41 m；當邊坡角為72.4°時，△H 為4.5 m，即極限排高約為13.43 m；當邊坡角小于72.4°時，2 條曲線無交點無解，即排土場可無限排高。

圖1 考慮基底為粉砂時不同邊坡角度對應的排土場極限排高Fig.1 Limit height of dumping site corresponding to different slope angles when the base is silty sand

3 基底處理方式對內排土場穩(wěn)定性影響

3.1 邊坡穩(wěn)定性分析方法與安全儲備系數(shù)選取

嚴格來說，滑坡的啟動與發(fā)生是一個空間力學問題，邊坡穩(wěn)定性計算應該采用三維分析方法，但三維分析方法建模過程復雜，受諸多變量影響，求解速度極為緩慢，因而在一定條件下可將相關問題簡化，采用二維分析方法能快速有效的解決邊坡穩(wěn)定性問題[6-8]：①滑體兩側有天然側界面，則通?？梢圆豢紤]對滑體的約束；②邊坡由松散體構成，則不考慮滑體兩側巖體的約束；③滑體走向長度較大時，可以不考慮滑體兩側巖土體對滑體的夾持作用。

按照GB 50197－2015《煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范》要求，排土場的安全系數(shù)綜合考慮排土場的重要性、排土場邊坡的類型、工程地質條件、排土場的服務年限以及潛在滑坡的危害程度等[9]，勝利東二號露天煤礦南排土場邊坡的安全儲備系數(shù)為1.20。

3.2 基底土體抗剪強度參數(shù)反分析

剪切強度的分析要根據(jù)現(xiàn)場施工情況來進行，初步選定垂直于南幫邊坡走向的P-3、P-9、P-10、P-11 4 個剖面來計算各項參數(shù)。計算剖面的平面位置如圖2。

圖2 計算剖面的平面位置Fig.2 Plane position of the calculated profile

東二露天礦南排土場南幫基底為第四系黃土及細砂，尚未對其進行詳細的巖石物理力學實驗，參考有關文獻資料，基底的抗剪強度指標的確定需要結合滑坡變形進行反分析后綜合研判[10]。從歷史資料可以看出，在幾個剖面中，最先出現(xiàn)裂縫的是P-11剖面1105 平盤，隨后坡腳也發(fā)生底鼓，因此選擇將此剖面作為研究對象，進行滑坡反分析。抗剪強度參數(shù)包含c 和φ 2 個指標，運用1 組剖面進行計算無法直接求解，根據(jù)經驗第四系黃土的內摩擦角φ=10°左右，因此可重點研究當內摩擦角分別為9°、10°、11°時邊坡的穩(wěn)定性，計算其對應的穩(wěn)定系數(shù)，不同基底抗剪強度條件下P-11 剖面穩(wěn)定系數(shù)計算結果見表2。

由表2 的P-11 剖面邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算結果可知，基底巖土體內摩擦角φ=9°、黏聚力在19～20 kPa之間時，P-11 剖面邊坡穩(wěn)定系數(shù)介于0.98～0.99；基底巖土體內摩擦角φ=10°、黏聚力在12～13 kPa 之間時，P-11 剖面邊坡穩(wěn)定系數(shù)介于0.98～0.99；基底巖土體內摩擦角φ=11°、黏聚力在6～7 kPa 之間時，P-11 剖面邊坡穩(wěn)定系數(shù)介于0.98～0.99。按照P-11剖面的計算方法，參考該剖面的計算結果，對其余3個剖面邊坡穩(wěn)定性進行計算，來明確基底巖土體的黏聚力指標。各計算剖面邊坡穩(wěn)定性計算結果見表3。

表2 不同基底抗剪強度條件下P-11 剖面穩(wěn)定系數(shù)計算結果Table 2 Calculation results of P-11 section stability factor under different substrate shear strength

表3 各計算剖面邊坡穩(wěn)定性計算結果Table 3 Calculation results of slope stability of each calculated section

水文地質資料顯示，第三系、第四系巖土體結構較松散，總體上呈現(xiàn)半膠結狀態(tài)，根據(jù)工程經驗，黏聚力不應為0 kPa，而且不宜過大；從另一個角度來看，邊坡發(fā)生大變形的區(qū)域是由P-11 剖面逐漸向東發(fā)展的，其他3 個剖面邊坡穩(wěn)定性也應該逐漸增大且接近于1。根據(jù)分析結果，可以確定基底的抗剪強度參數(shù)為黏聚力c=7 kPa，內摩擦角φ=11°。

3.3 排土場穩(wěn)定性

勝利東二露天煤礦典型工程地質剖面邊坡在不同排棄標高、不同坡角度條件下進行穩(wěn)定性分析，可以獲取基底形態(tài)、坡高、坡角對邊坡穩(wěn)定性的定量影響，為后續(xù)邊坡形態(tài)優(yōu)化方案的提出提供參考。選擇2 個排棄高度（80、120 m）、4 個排棄坡角（12°、13°、14°、15°）和3 個基底傾角（-1°、0°、1°），分別計算變化坡高、坡角及基底傾角條件下邊坡穩(wěn)定性，坡高80 m、改變基底形態(tài)（平盤寬度B）與邊坡角度β 條件下南排北幫邊坡穩(wěn)定性計算結果見表4，坡高120 m、改變基底形態(tài)與邊坡角度條件下南排北幫邊坡穩(wěn)定性計算結果見表5。

表4 坡高80 m，改變基底形態(tài)與邊坡角度條件下南排北幫邊坡穩(wěn)定性Fs 計算結果Table 4 Calculation results of slope stability under the condition of 80 m slope height,changing base shapes and slope angles

表5 坡高120 m，改變基底形態(tài)與邊坡角度條件下南排北幫邊坡穩(wěn)定性Fs 計算結果Table 5 Calculation results of slope stability under the condition of 120 m slope height,changing base shapes and slope angles

分析不同基底傾角和排棄高度，通過對變化邊坡角條件下各剖面邊坡穩(wěn)定性極限平衡進行計算，可以看出，各剖面邊坡的穩(wěn)定性隨著邊坡角的增大逐漸下降；當邊坡高度分別80 m 和120 m 時，對應的穩(wěn)定邊坡角分別為15°（平盤寬53 m）和14°（平盤寬60 m）。

4 結 語

軟巖露天煤礦邊坡穩(wěn)定性及其控制是一項極其復雜的系統(tǒng)工程，該工程領域邊坡治理和監(jiān)測預警理論尚未成熟。依托勝利東二號露天煤礦，圍繞軟基底排土場的穩(wěn)定性及其形態(tài)優(yōu)化進行了研究，取得了一定成果。

1）針對基底載荷分布和軟土層厚度對基底破壞面的影響，改進了普朗特爾計算公式，計算了外排土場基底極限承載力，確定了不同軟土層厚度對應的安全下限邊坡角和容許排棄高度。

2）運用經驗類比與實驗測試相結合，查閱有關文獻資料，確定了邊坡巖土體物理力學參數(shù)與獲取方法；運用滑坡基底土體抗剪強度參數(shù)反分析原理，選定4 個剖面進行計算，確定了抗剪強度參數(shù)：黏聚力c=7 kPa、內摩擦角φ=11°。

3）當南排土場北幫邊坡高度分別80 m 和120 m時，對應的穩(wěn)定邊坡角分別為15°（平盤寬53 m）和14°（平盤寬60 m）。