沙層基底排土場穩(wěn)定性分析與工程治理

滕瑞雪，趙立春，李 維

（扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)公司，內(nèi)蒙古 扎魯特旗 029100）

露天礦邊坡區(qū)別于其他類型邊坡的顯著特點之一就是對地質(zhì)條件沒有選擇的余地，一些邊坡由于軟弱基底、斷層、弱層等自身的變形破壞機制及穩(wěn)定性問題變得極為復(fù)雜，這給生產(chǎn)帶來較大的安全隱患[1-2]。

由于排土場選址的局限性，我國內(nèi)蒙古東部的一些露天煤礦不得不將排土場建立在沙層基底[3-4]上，因而形成了特殊的沙層基底排土場：基底形態(tài)復(fù)雜、巖性差，地表受外營力侵蝕支離破碎，滑坡模式難以確定；沙層的結(jié)構(gòu)松散、多孔隙、流塑強，大孔隙多的沙土在外力或水的作用下易發(fā)生流動狀態(tài)，排棄后排土場頂部大范圍的不均勻?qū)ε磐翀龇€(wěn)定性的影響很大。沙層基底（軟弱基底）是邊坡失穩(wěn)的主控因素，也能成國內(nèi)外專家關(guān)注的熱點話題之一，學(xué)者們應(yīng)用不同理論對軟巖邊坡展開大量研究[5]。曹蘭柱等[6]為了探究多個弱層對復(fù)合邊坡失穩(wěn)破壞和穩(wěn)定性的影響，針對白音華二號露天煤礦中由弱層導(dǎo)致的由非工作幫和排土場組成的復(fù)合軟巖邊坡的區(qū)域進行研究，以SRM 法為基礎(chǔ)，以FLAC3D軟件為分析實現(xiàn)手段，分別計算了危險區(qū)的典型剖面在兩種開挖條件下的穩(wěn)定性規(guī)律和破壞機制，展現(xiàn)了存在多條弱層的地質(zhì)情況下復(fù)合邊坡的失穩(wěn)破壞的特點及其對穩(wěn)定性的影響，并提出邊坡治理措施；王東等[7]應(yīng)用RFPA 強度折減法，將拉伸和剪切2 種破壞判據(jù)一并作為判斷依據(jù)，數(shù)值模擬了露井聯(lián)采條件下平莊西露天煤礦頂幫逆傾邊坡巖移規(guī)律及穩(wěn)定性，總結(jié)出邊坡在露井聯(lián)采條件下的破壞形式是滑移－塌陷復(fù)合型破壞，并且研究出在地下采動的作用下逆傾邊坡穩(wěn)定性降低的本質(zhì)是剪應(yīng)力在邊坡構(gòu)成巖體內(nèi)部的大面積累加提升，造成上部一定范圍的巖體遭到破壞的時間提前到邊坡滑移之前，從而加劇了滑坡的發(fā)展；周先齊等[8]認為巖體本身具有復(fù)雜的非連續(xù)、非線性特性，相比于連續(xù)介質(zhì)數(shù)值方法，離散單元法更加適合具有非連續(xù)特征的巖體；P H S W Kulatilake 等[9]針對露天礦開挖過程的位移場變化運用3DEC 軟件進行了計算，達到了理想的效果；劉蕾等[10]運用FLAC 和PFC2D耦合方法，對逆層巖質(zhì)邊坡地震動力作用下的破壞情況進行了分析；賀續(xù)文等[11]采用PFC2D構(gòu)建了含有大量節(jié)理的巖體邊坡模型，并對其進行了探討，結(jié)果表明，此類破壞是一個漸進破壞過程，同時證明了離散單元法在解決含節(jié)理巖體邊坡問題方面有著獨特的優(yōu)勢；劉福明等[12]揭示了壓實區(qū)與非壓實區(qū)滲透速率不同的內(nèi)在原因.根據(jù)試驗結(jié)論提出了提高露天礦排土邊坡穩(wěn)定性的建議。

現(xiàn)階段關(guān)于沙層基底排土場穩(wěn)定性的研究相對較少，這種特殊基底形態(tài)的排土場對露天煤礦安全生產(chǎn)的影響日漸突出，所以，有必要研究邊坡破壞特征，對排土場邊坡進行穩(wěn)定性分析及評價，從而為采取合理的治理措施提供依據(jù)[13]。為此，以扎哈淖爾露天煤礦北排土場為工程實例，基于極限平衡分析理論和自編軟件計算程序，結(jié)合排土場南邊坡底鼓和裂縫實際情況，反算巖土體力學(xué)指標，根據(jù)計算結(jié)果和排土場的潛在滑坡模式，對現(xiàn)狀排土場邊坡進行穩(wěn)定性評價，得到排土場邊坡滑坡模式為推動式的部分切層－擠出性滑動，北排土場邊坡處在欠穩(wěn)定階段；通過對排土場邊坡坡角處壓腳工程處理，提出合理的治理措施[14-15]。

1 北排土場南幫邊坡數(shù)值模擬

結(jié)合沙層基底排土場南幫邊坡潛在滑坡模式，根據(jù)裂縫和底鼓現(xiàn)場實際條件，同時考慮到排土場潛在變形區(qū)破壞位置確定的復(fù)雜性，擬用采用CAD二次開放功能自編極限平衡分析軟件法對排土場的穩(wěn)定性進行分析，通過計算穩(wěn)定系數(shù)大小來判斷變形區(qū)的發(fā)展過程進而確定最危險的變形破壞區(qū)，在根據(jù)治理工程適用條件，選擇合理的工程治理措施，確保排土場穩(wěn)定性達到所需服務(wù)年限。

結(jié)合由于勘探線數(shù)量、空間分布特征、排棄物料現(xiàn)場條件、底鼓、裂縫發(fā)展情況及沙層基底形態(tài)、巖性和巖層頂板等高線等地層信息建立數(shù)值模擬模型，數(shù)值模似模型如圖1，模型排土場高度為70 m、沙層厚度45 m，新近系厚度9 m，南北長為1 950 m，各地層從上至下分別為：排棄物料，第四系粉土、新近系黏土，風(fēng)化泥巖帶。

圖1 數(shù)值模擬模型

通過自編程序軟件數(shù)值計算，北排土場在現(xiàn)狀沙層基底排棄高度70 m 下對應(yīng)的穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖2。

圖2 北排土場現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

由圖2 已知：穩(wěn)定性系數(shù)為1.001，排土場處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。受第沙層巖性、基底產(chǎn)狀、邊坡形態(tài)、新近系基底等影響，再加上裂縫和和底鼓變形情況，排棄物料在自身重力的影響以下切層－擠出為主。在現(xiàn)階段沙層基底控制下，排土場邊坡頂部以沉降變形為主，底處以隆起為主，中部以變形滑動為主。后期考慮受降雨、風(fēng)化、爆破振動、凍融等不利影響因素，會進一步造成邊坡穩(wěn)定程度的惡化，最終造成滑坡，在未滑動之前建議采用坡角處壓腳、坡頂卸荷減載或者兩者方案結(jié)合實施治理工程措施。

由于排土場沙層基底試驗參數(shù)與現(xiàn)場實際參數(shù)差異較大，所以根據(jù)裂縫和底鼓現(xiàn)場實際情況，有必要進行沙層基底參數(shù)反分析，從而得到準確沙層巖土力學(xué)參數(shù)，為下一步的排土場治理提供最佳的方案，通過試驗反算分析得北排土場基底土體的抗剪強度參數(shù)為c＝0 kPa、φ＝5.7°，得到南邊坡滑坡模式為推動式切層－擠出性滑動。

2 北排土場穩(wěn)定性治理方案

針對軟弱基底排土場邊坡的變形，唯一有效可行的措施是對邊坡進行卸荷減載、坡角處壓腳，減小下滑力，增大抗滑力，進一步提高邊坡穩(wěn)定性。而壓腳作為滑坡處治中具有施工速度快、工程造價低的特點，可以有效地提高滑坡的抗滑力，從而有效提高坡體的穩(wěn)定性，故條件允許時宜盡量采用。尤其是在滑坡應(yīng)急處治時，具有良好的獨到優(yōu)勢。而壓腳方案在實施前應(yīng)注意如下有效事項，以確保反壓工程的有效實施：①壓腳體應(yīng)具有一定的高度：這不但是壓腳體所具有的土壓力需求，也是防止滑坡從壓腳體頂部發(fā)生“越頂”的需要，這是依據(jù)現(xiàn)場實際情況決定的；②壓腳體應(yīng)具有一定的（高度）厚度：只有確保一定的厚度，才能確保土壓力或壓腳體抗力的有效性。一般情況下，反壓體的頂寬不宜小于5 m。為了保證排土場穩(wěn)定性要求，最大程度減少成本，加快工程，所以對其進行壓腳設(shè)計，壓腳方案為壓腳高度10 m 和20 m 和壓腳好的10 m 和20 m 4 種組合方案，根據(jù)滑體形態(tài)，壓腳最小工作平盤寬度10 m，壓腳臺階高度10 m，臺階坡面角35°，臺階高度為10 m；通過計算壓腳高度、寬度分別為20 m 北排土場邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.216，壓腳工程量為20 萬m3，達到了滿足安全儲備系數(shù)1.2 的要求。北排土場邊坡壓腳高度、寬度分別為20 m 計算結(jié)果圖如圖3。

圖3 北排土場邊坡壓腳高度、寬度分別為20 m 計算結(jié)果圖

3 結(jié)語

1）通過CAD 二次開發(fā)極限平衡計算可知，排土場邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.001，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，現(xiàn)狀邊坡變形處于初加速階段。

2）通過反算分析得北排土場基底土體的抗剪強度參數(shù)為c＝0 kPa、φ＝5.7°，得到南邊坡滑坡模式為推動式切層－擠出性滑動。

3）綜合考慮排土場底鼓和裂縫情況，排土場壓腳高度、寬度分別為20 m，壓腳體體積為滑體1/5時，排土場穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范要求。