露天礦山排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

劉獻(xiàn)真，邱丹丹，李 麗

(武漢工程大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖北 武漢 430000)

1 引言

排土場(chǎng)是露天煤礦開采和工程實(shí)施中常見的人工堆積體，受不同因素作用時(shí)，容易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[1]，為保障礦山安全運(yùn)行將對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析。眾多學(xué)者就排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性展開大量研究，韓雪等[2]基于FLAC3D有限差分軟件，分析了滲流作用對(duì)邊坡位移滑移面分布的影響。李小武等[3]就自重、降雨等不同工況下使用極限平衡法進(jìn)行數(shù)值模擬得出邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。曾強(qiáng)[4]利用Geo-Studio軟件分析降水對(duì)邊坡體積含水率的影響，得出淺層土體剪應(yīng)變化與位移變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性有明顯影響。李丞等[5]運(yùn)用非飽和滲流原理和非飽和土強(qiáng)度理論計(jì)算不同滲流與降雨因素下的滲流特征與安全系數(shù)變化規(guī)律。秦馳越等[6]將排土場(chǎng)剖面初期設(shè)計(jì)中的邊坡穩(wěn)定性評(píng)估問(wèn)題，提出了2種用于預(yù)測(cè)排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。楊幼清等[7]采用有限元法模擬分析了5種不同堆載高度工況下排土場(chǎng)邊坡變形破壞模式并確定排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。然而目前的研究仍以二維模型為基礎(chǔ)，采用剖面計(jì)算邊坡穩(wěn)定性時(shí)無(wú)法考慮斜坡頂部的抗滑效應(yīng)，二維邊坡安全系數(shù)只含剖面數(shù)據(jù)，但滑坡本質(zhì)是邊坡失穩(wěn)破壞，仍屬于三維問(wèn)題，因此采用三維安全系數(shù)求解更符合實(shí)際情況。盧坤林等[8]就針對(duì)二維與三維邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果進(jìn)行比較，得出在一定條件下三維的安全系數(shù)相較于二維安全系數(shù)更高的結(jié)論。

本文以武漢市某露天礦山排土場(chǎng)為研究對(duì)象，結(jié)合極限平衡法與強(qiáng)度折減法對(duì)排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。由于邊坡變形是動(dòng)態(tài)過(guò)程，同一高度不同位置的穩(wěn)定性系數(shù)仍有差異，因此通過(guò)三維模型結(jié)合二維極限平衡法做出更加全面深入的邊坡穩(wěn)定性分析。

2 工程地質(zhì)背景

該礦山北排土場(chǎng)位于中部地區(qū)內(nèi)，受降雨影響少，不位于板塊交接地區(qū)且不受地震直接影響。區(qū)內(nèi)地形屬丘陵地貌，海拔高程范圍約30～150 m，地勢(shì)較平緩。該排土場(chǎng)有山北和丁字山兩座排土場(chǎng)，均為1958年設(shè)計(jì)使用的，這兩座排土場(chǎng)堆置范圍大、堆置時(shí)間長(zhǎng)，均為1等排土場(chǎng)(容積超過(guò)1000 萬(wàn)m3)，其中山北排土場(chǎng)排高約79 m、整體邊坡角約12°；丁字山排土場(chǎng)排高約110 m，整體邊坡角度約34°。本次主要研究對(duì)象為山北排土場(chǎng)，該排土場(chǎng)圖層由人工填積層、第四系上更新統(tǒng)坡積+洪積、第四系殘積+坡積層、下二疊系(P1)灰?guī)r組成。根據(jù)巖土性質(zhì)，露天排土場(chǎng)可分為3層。上部為碎石土厚度約10 m，素填土約5 m，中部為粉質(zhì)粘土約10 m、紅黏土約5 m，底層為中微風(fēng)化灰?guī)r。

綜合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，該排土場(chǎng)其他部位有發(fā)生過(guò)土質(zhì)滑坡，且部分位置連續(xù)發(fā)生兩次滑坡，滑坡寬度約30 m，滑坡高度約25 m，滑坡舌厚度約3 m，滑坡體積約2250 m3。為防止排土場(chǎng)再次發(fā)生滑坡事故，需對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)《露天煤礦邊坡穩(wěn)定性年度評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》[9]規(guī)定，露天煤礦邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)應(yīng)采用定性分析和定量分析相結(jié)合的辦法進(jìn)行，定性分析主要是以工程類比法和圖解分析法進(jìn)行。定量分析主要采用極限平衡分析法，基于極限平衡理論和邊坡的破壞性計(jì)算其穩(wěn)定系數(shù)[10]。本次研究的滑坡為牽引式土質(zhì)滑坡，潛在滑動(dòng)面為圓弧形。由于上層堆積的碎石土粒徑差別較大，在風(fēng)化后可能會(huì)發(fā)生沉降產(chǎn)生空隙，使土體強(qiáng)度降低，抗剪強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致坡體產(chǎn)生變形滑動(dòng)。

3.1 數(shù)值計(jì)算

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)分析處理后，結(jié)合各個(gè)地層數(shù)據(jù)，選取典型剖面建立剖面圖。在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，主要依靠極限平衡法獲取穩(wěn)定性系數(shù)。下文將結(jié)合簡(jiǎn)化畢肖普法、Morgenstern-Price法和普通條間法獲取邊坡穩(wěn)定系數(shù)，邊坡自然狀態(tài)下簡(jiǎn)化畢肖普法和Morgenstern-Price法求得安全系數(shù)為1.17，普通條間法求得的安全系數(shù)為1.10。

根據(jù)表1《露天煤礦邊坡穩(wěn)定性年度評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定中邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的限制可以看出，自然狀態(tài)下該排土場(chǎng)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，3種算法下的安全系數(shù)數(shù)值近似，邊坡安全系數(shù)為1.17，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。若繼續(xù)使用該排土場(chǎng)將發(fā)生滑坡事故，影響礦山排土場(chǎng)發(fā)展的安全合理性。

表1 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的限制

3.2 三維邊坡穩(wěn)定性分析

與數(shù)值計(jì)算相比，三維模型可以更大限度的還原實(shí)際地形，綜合地質(zhì)測(cè)繪、工程鉆探、重型動(dòng)力初探實(shí)驗(yàn)等手段探明各土體的力學(xué)參數(shù)，利用軟件建立邊坡三維數(shù)值模型。排土場(chǎng)的堆置參數(shù)如下：臺(tái)階高度10 m，臺(tái)階破面角34°，最終平臺(tái)寬度：安全平臺(tái)4 m，清掃平臺(tái)6 m，堆置高度：自+43 m水平堆至+77 m水平，堆高34 m，臺(tái)階數(shù)：3，以此為+57 m、+67 m、+77 m。礦山排土場(chǎng)為采場(chǎng)廢石廢土，塊度<800 mm，排土利用礦山運(yùn)輸車推土機(jī)由低到高分層堆排。

根據(jù)排土場(chǎng)堆置參數(shù)建模時(shí)，考慮到部分土體材料的厚度很小，故合并一部分碎石土和粉質(zhì)粘土層，模型材料參數(shù)如表2所示。

表2 模型材料參數(shù)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)勘探數(shù)據(jù)處理后，建立有效三維模型，對(duì)模型底面創(chuàng)建XYZ方向的約束條件，對(duì)側(cè)面創(chuàng)建XY方向的約束條件，施加初始狀態(tài)的地應(yīng)力，計(jì)算土體材料強(qiáng)度折減后的內(nèi)摩擦角和粘聚力，計(jì)算只考慮排土場(chǎng)自重時(shí)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)和改變工況考慮自重與滲流共同作用時(shí)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。最后利用combine函數(shù)分析位移與強(qiáng)度折減系數(shù)的曲線，分析位移突變點(diǎn)判斷穩(wěn)定性系數(shù)和不同工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化[11～13]。分析流程圖如圖1所示。

圖1 模擬流程

第一類工況為只考慮排土場(chǎng)自重情況，選取坡面9個(gè)特征點(diǎn)參考分析，選取參考點(diǎn)為D233、D229、D225位于第一級(jí)臺(tái)階，D266、D262、D258位于第二級(jí)臺(tái)階，D290、D286、D282位于第三級(jí)臺(tái)階。從圖2第一類工況下坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可知，只考慮自重情況下坡面各特征點(diǎn)安全系數(shù)均大于等于1.2，處于穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果中不難得出三層臺(tái)階初始狀態(tài)下各點(diǎn)的穩(wěn)定性系系數(shù)在1.2～1.5范圍，位移量在強(qiáng)度折減系數(shù)1.2以后發(fā)生突變，確定其安全系數(shù)均大于1.2。根據(jù)礦山安全規(guī)定此時(shí)邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。數(shù)值模擬結(jié)果顯示每級(jí)臺(tái)階的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中邊緣兩點(diǎn)穩(wěn)定性系數(shù)高于中間點(diǎn)的穩(wěn)定性系數(shù)，且第一級(jí)臺(tái)階的位移量最小，隨著高度的增加土體的位移量也隨之增加，第三級(jí)臺(tái)階的位移量最顯著，是最先發(fā)生滑動(dòng)的位置，需要重點(diǎn)防范。

圖2 第一類工況下坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖3模擬邊坡變形圖中三維云圖與剖面圖顯示塑性變形區(qū)域均為貫穿排土場(chǎng)斜坡的一個(gè)滑動(dòng)區(qū)，坡頂和坡腳淺層等效塑性區(qū)域范圍較廣。在三維模型中隨著時(shí)間改變邊坡塑性區(qū)域在坡面上呈擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。由此說(shuō)明，若果不對(duì)邊坡加以治理，隨著時(shí)間推移，邊坡變形將持續(xù)增大，產(chǎn)生塑性形變，排土場(chǎng)穩(wěn)定性持續(xù)降低，發(fā)生滑坡危害的可能性將增大。

圖3 模擬邊坡變形云

綜合露天排土場(chǎng)中粉質(zhì)黏土與紅黏土的占比量，該排土場(chǎng)邊坡滲透系數(shù)區(qū)別于一般土質(zhì)邊坡，當(dāng)露天排土場(chǎng)長(zhǎng)期遭受降雨影響時(shí)會(huì)對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[14]。因此除排土場(chǎng)自重影響外，考慮滲流作用下排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性變化。圖4是自重+滲流(工況2)作用下9個(gè)相同觀測(cè)點(diǎn)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)折線圖。圖中明顯觀察到位移突變點(diǎn)的前移，說(shuō)明邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低。再選取一個(gè)特征點(diǎn)D229對(duì)比兩種工況下安全系數(shù)的變化，從圖5可見滲流作用影響排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性。

圖4 第二類工況下坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

綜上所述，結(jié)合剖面計(jì)算結(jié)果與三維模型分析結(jié)果計(jì)算結(jié)果均顯示改排土場(chǎng)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，各級(jí)臺(tái)階安全系數(shù)符合安全要求。由于該礦山其他部位排土場(chǎng)已有滑坡先例，結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，推測(cè)隨著采場(chǎng)邊坡使用年限的增加穩(wěn)定性將逐漸降低并導(dǎo)致滑坡，建議該礦區(qū)排土場(chǎng)做出有效治理。

4 優(yōu)化方案

治早治小是滑坡防治工程的一項(xiàng)重要基本原則。

如果對(duì)有發(fā)生滑坡危害的斜坡不能及早處理，將會(huì)導(dǎo)致滑坡在巖土體的時(shí)效作用下，抗剪強(qiáng)度不斷減小，滑坡規(guī)模不斷擴(kuò)大，從而導(dǎo)致后期滑坡處理工程規(guī)模的增大和處治難度與費(fèi)用不斷上升。同時(shí)，隨著邊坡的巖土力學(xué)性質(zhì)不斷減弱，坡體的時(shí)效作用越強(qiáng)[15]。因此對(duì)于排土場(chǎng)邊坡這類人工堆積的順層坡體更要貫徹治早治小的理念。針對(duì)該排土場(chǎng)邊坡，在上述結(jié)論支撐的結(jié)果下，現(xiàn)提出優(yōu)化方案，從而有效防止因坡體的力學(xué)參數(shù)在時(shí)效作用下降低。例如可在安全平臺(tái)寬度不變的基礎(chǔ)上將排土場(chǎng)邊坡的坡度設(shè)計(jì)的更加平緩，為保證排土場(chǎng)坡面的穩(wěn)定性，也可以各級(jí)永久坡面采用覆土+混凝土格子梁+綠化進(jìn)行防護(hù)，增加邊坡穩(wěn)定性。帶入實(shí)際工況驗(yàn)證坡度平緩以后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化。改變坡比為1∶2后可以看出邊坡自然狀態(tài)下簡(jiǎn)化畢肖普法和Morgenstern-Price法求得安全系數(shù)為1.37，普通條間法求得的安全系數(shù)為1.36。穩(wěn)定性系數(shù)明顯提高，證明改變坡比可以有效提升穩(wěn)定性系數(shù)。

5 預(yù)防邊坡滑坡措施

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘探結(jié)果與數(shù)值模擬分析綜合分析可知，該排土場(chǎng)邊坡目前處于穩(wěn)定性狀態(tài)，但如果繼續(xù)堆積不加以治理，邊坡應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生破壞，抗剪強(qiáng)度降低，塑性應(yīng)變?cè)龃螅瑢?dǎo)致排土場(chǎng)發(fā)生滑坡事故，未避免造成經(jīng)濟(jì)損結(jié)合排土場(chǎng)實(shí)際情況提出以下措施[16～20]。

(1)削幫壓腳加固。將滑坡區(qū)的滑體進(jìn)行清理并擴(kuò)寬臺(tái)階寬度，減小滑體的后緣載荷。原邊坡坡面角為34°，將臺(tái)階滑體清理后按照坡面角26°、臺(tái)階高度10 m進(jìn)行修整。將剝離出來(lái)的碎石土回填到邊坡坡腳增加前緣滑體的體積以減小位移滑力。同時(shí)采取護(hù)坡加固措施對(duì)局部失穩(wěn)的坡體進(jìn)行加固，防止坡體滑坡。當(dāng)出現(xiàn)坡體局部失穩(wěn)時(shí)可以選取堅(jiān)硬的巖石作為錨點(diǎn)使用錨桿對(duì)坡體進(jìn)行加固。

(2)及時(shí)處理邊坡裂縫。由于邊坡在出現(xiàn)破壞前通常會(huì)在坡體頂部產(chǎn)生拉伸裂縫，邊坡裂縫的產(chǎn)生標(biāo)志著坡邊已經(jīng)發(fā)生變化。因此，可以采用強(qiáng)力錨桿及預(yù)注漿措施對(duì)坡體進(jìn)行加固，預(yù)防坡體產(chǎn)生裂縫。

(3)加強(qiáng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)治理。由于露天礦山邊坡具有復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性和時(shí)效性等特點(diǎn)，因此在邊坡治理時(shí)應(yīng)堅(jiān)持動(dòng)態(tài)治理、長(zhǎng)期治理原則。對(duì)排土場(chǎng)邊坡上安裝位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)邊坡的位移異常狀態(tài)，在容易發(fā)生滑坡的位置布置檢測(cè)線觀測(cè)邊坡坡面滑動(dòng)情況。

6 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)報(bào)告與實(shí)地考察，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)該礦山西區(qū)排土場(chǎng)地質(zhì)剖面計(jì)算并建立三維地質(zhì)模型計(jì)算出該采場(chǎng)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。由剖面計(jì)算結(jié)果可知排土場(chǎng)安全系數(shù)為1.17，結(jié)合三維模型驗(yàn)證后，得到坡面上各特征點(diǎn)的安全系數(shù)約為1.3，符合《露天煤礦邊坡穩(wěn)定性年度評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》要求。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果中二維相較于三維穩(wěn)定性系數(shù)更加保守，三維模型考慮其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程穩(wěn)定性系數(shù)更具可靠性。在三維模型中可以觀察到排土場(chǎng)邊坡的不穩(wěn)定地區(qū)，檢測(cè)到滑坡發(fā)生的部位由中心向邊緣位置開始擴(kuò)散，擴(kuò)散范圍從上至下，考慮滲流作用后，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)發(fā)生顯著變化，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)遭遇雨季或其他開采條件變化等影響因素時(shí)，極有可能發(fā)生滑坡事故。

根據(jù)數(shù)值模擬所得結(jié)論，結(jié)合排土場(chǎng)邊坡實(shí)際情況提出加固措施，削幫壓腳、高強(qiáng)度錨桿加固、完善疏干排水系統(tǒng)、及時(shí)處理拉伸裂縫、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)巡查和邊坡維護(hù)等預(yù)防措施，保障礦山排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性，確保礦山安全運(yùn)營(yíng)。

對(duì)于礦山排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，要始終貫徹治早治小的原則，防范于未然，加強(qiáng)邊坡土體位移監(jiān)測(cè)，針對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析破壞規(guī)律，制定更加合理有效的治理措施控制減緩邊坡破壞變形，降低排土場(chǎng)邊坡滑坡事故的發(fā)生。