弓長嶺露天鐵礦大陽溝排土場邊坡穩定性分析*

張 濤 馬 寧 陳慶豐 張 偉 曾 東

(中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院)

在露天礦生產中，排土場的穩定性是礦山管理者需要考慮的重要問題。排土場一旦發生滑坡，后果嚴重。不僅會影響露天礦的正常生產，甚至會威肋到作業人員及其財產的安全。隨著排土場堆高的不斷增加，軟弱層的出現，其穩定性更成為了一個不可忽視的問題。不同的排土場有著不同的穩定性影響因素［1］，因而需要具體分析。

郝哲等人［2］利用Geo－Slope數值模擬軟件對現狀工況下的排土場邊坡的穩定性進行了模擬，但并沒有涉及到軟弱層對邊坡穩定性的影響。陳鵬等人［3］運用極限平衡法和有限單元法對簡單的排土場算例進行了分析和模擬。結果表明排土場存在軟弱層時，結合以上2種方法得到的結果更可靠，但并未對該算例展開進行詳細的穩定性模擬。徐燕等人［4］采用極限平衡法對繼續以單臺階方式排土的排土場與目前排土場的穩定性作了模擬分析，結果顯示變化不大，但巖土體并不包括軟弱層。本研究則重點考慮對含有軟弱層的現狀和極限堆高2種工況下的邊坡穩定性的數值模擬。

1 工程勘察

1.1 工程概況

大陽溝排土場作為弓長嶺礦業公司重要的排土場之一，位于高山下部西端，即原三道嶺采場和三道嶺下部采場之間的溝谷，目前主要接受何家采區廢石，采用汽車—推土機的排土工藝，從1981年開始使用至今。目前排土場最大標高為436 m，最小標高為255 m，設計最終標高為400 m，最大邊坡角為39°，排土場南側為順坡向，原始地形坡度16°～26°，排土場西南部已到界，西北部有小部分的排土空間，整個排土場西部界線越過山谷，排至山坡腰間，排土場南側分布著選礦廠及尾礦庫。另外巖場界線南側有居民區及公路。因此，若發生滑坡等地質災害，會對人民生命財產造成嚴重威脅［5］。

1.2 地層劃分

通過地質雷達探測手段和現場大面積原位直剪試驗、工程地質測繪、工程地質勘探、圓錐動力觸探等勘察技術，可將地層特點分列如下。

(1)人工排棄物。①廢石排棄物:在穩定性計算時，可根據排棄物巖土體密實程度的不同將其劃分為松散、半壓實、已壓實3類來進行分析。②殘破排棄物:排土場南側分布著尾礦庫，其主要成分為尾細砂，混有少量尾粉砂，稍濕，平均厚度為3.60 m，最大厚度達15 m，堆積厚度不盡相同，且位于影響邊坡穩定性的關鍵區域(坡腳處)。綜合考慮，此尾礦庫對排土場的穩定性影響較大，因而可將其視為該排土場的軟弱層。

(2)天然地層。花崗巖:根據其風化程度和破碎等級而劃分為強風化和中風化，并以中風化的花崗巖為主。

2 排土場穩定性分析方法

2.1 安全系數的選取

考慮到大陽溝排土場下游有居民區、尾礦庫、選礦廠和盤山公路等，失事后會對居民區造成嚴重的災害，因而根據《有色金屬礦山排土場設計規范》［6］之規定，選取安全系數Ks=1.3。進一步細化，定義邊坡穩定性狀態:若穩定性系數Ks≥1.30，則排土場的狀態為穩定;若1.20≤Ks＜1.30，則為基本穩定;若1.10≤Ks＜1.20，則為欠穩定;若1.00≤Ks＜1.10，則為穩定性差;若Ks＜1.00，則為不穩定。

2.2 滑坡模式的分析

排土場的滑坡模式可分為3種，即排土場內部滑坡、沿地基接觸面的滑坡和軟弱地基底鼓引起的滑坡［7］，現對大陽溝排土場的滑坡模式具體分析。

(1)排土場內部滑坡。排土場內部的滑坡多數與物料的力學性質有關，其主要出現在排土場的局部邊坡(即臺階邊坡)上，且規模不大。大陽溝排土場現狀工況下的滑坡因邊坡內部介質相對較均勻，且個別臺階堆置角度為39°，故可能會發生這種滑坡。

(2)沿地基接觸面的滑坡。當山坡形排土場的基底傾角較陡，排土場與基底接觸面之間的抗剪強度小于排土場物料本身的抗剪強度時，易產生沿基底接觸面的滑坡。大陽溝排土場原始基巖面與邊坡面傾斜方向相反，故出現這種滑坡的可能性不大。

(3)軟弱地基底鼓引起的滑坡。由于地基中軟弱層受上覆排棄物壓力作用而發生破壞，地基中出現巖層滑移現象，從而牽引排土場滑坡。大陽溝排土場南側尾礦庫因厚度較大，物理力學性能較差，抗剪強度較低，容易發生此類滑坡。

綜上所述，大陽溝排土場邊坡在現狀工況下可能發生內部滑坡;在極限堆高工況下將會發生由軟弱地基底鼓引起的滑坡。

2.3 假設條件

在分析、模擬中，主要做了以下假定:①巖土體為均質、各向同性，符合摩爾－庫倫彈塑性模型;②根據大陽溝排土場的實際工程地質條件和水文地質條件，不考慮降雨入滲、地震等外界因素的影響。

2.4 邊界條件

①左右邊界均為水平約束，即各個邊界的水平位移均為零。②底部邊界為固定約束，即水平、鉛直位移均為零。③頂部及坡面為自由邊界。

2.5 巖土體參數

按照試驗的統計結果，根據規范，結合其他礦山的經驗，確定了計算所需的巖土體參數見表1。

表1 排土場巖土體物理力學性質指標

3 現狀工況下的穩定性分析

3.1 計算模型

根據工程實際情況，共選擇8條剖面，現以排土場南坡，且后期部分排巖體(渣土)覆蓋于軟弱層之上的2－2剖面為例進行分析。根據排土場現狀工況下的平面圖、現場實測地形剖面圖和工程地質剖面圖，參照物料堆積的年份不同與密實度差別，對排土場邊坡進行分層，獲得現狀工況下的計算幾何模型，見圖1。

3.2 計算結果

對該計算模型分別進行極限平衡法和有限元強度折減法的穩定性模擬分析，內部滑動模擬結果見圖2～圖4。

圖1 計算模型(現狀工況)

圖2 Geo－Slope模擬所得危險滑面

圖3 FLAC2D模擬所得塑性區

圖4 FLAC2D模擬所得X向位移

3.3 結果分析

由2種軟件模擬的結果表明，現狀工況下排土場邊坡的破壞區域較大且較為集中，構成了潛在的滑移面，均出現在坡面附近;圖3可以看出:在坡肩處，出現小范圍的拉力帶，圖4中滑動面X向位移最大為0.5 m，滿足要求，因此，破壞形式主要表現為剪切破壞和拉裂破壞。

對軟弱層來說，其上覆部位不存在表土層，且從圖2～圖4中可以看出軟弱層并未對邊坡的塑性區和X向位移造成影響。依據Geo－Slope軟件模擬所得的安全系數是1.295;依據FLAC2D軟件所得的安全系數是1.28，均大于規范所要求的最小安全系數，也符合該排土場細化后所定的安全系數，故此時的排土場是基本穩定的。

4 極限堆高工況下的穩定性分析

根據室外勘察資料得知，排土場范圍內已壓實排巖體厚度一般為0.5～2.4 m，應定義為薄表土基底，部分狹窄溝谷可不受該限制，其極限堆高決定于基巖強度參數，表土層不起作用。因而，可在確定邊坡角(根據自然安息角等定為30°)的情況下，通過調整穩定性系數來協調確定極限堆高.最終確定的極限堆置標高為排土場的最大標高436 m。

4.1 計算模型

計算模型見圖5。

圖5 計算模型(極限堆高工況)

4.2 計算結果

對該計算模型分別進行極限平衡法和有限元強度折減法的穩定性模擬分析，內部滑動模擬結果見圖6～圖9。

圖6 Geo－Slope模擬所得危險滑面

圖7 FLAC2D模擬所得塑性區

圖8 FLAC2D模擬所得X向位移

圖9 FLAC2D模擬所得最大剪應變增量

4.3 結果分析

由2種軟件模擬所得的結果可見，極限堆高工況下，邊坡的破壞區域明顯增大并且構成潛在的滑移面，滑移面深入到表土內部較多。塑性區主要分布在最大剪應變增量帶。

因軟弱層的存在，邊坡在排巖體自身重力和軟弱層的共同作用下，坡腳的軟弱層內部發生圓弧形滑移和剪切破壞。從圖8可以得到:軟弱層外側的X向位移最大為0.7 m，軟弱層內側的X向位移最大為0.2 m，且沿著軟弱層共同滑動，故該軟弱層在上覆表土的載荷作用下，發生滑坡的可能性較大。從圖9可以看出:邊坡的最大剪應變增量在坡肩、坡腳處為0.02，滑移面中部的最大剪應變增量為0.08，此剪應變增量帶下端在軟弱層內部呈圓弧形;邊坡內部也產生了1條剪應變增量帶，該增量帶下端和軟弱層內側相連。

進一步將圖8和圖9的結果對比發現，上述剪應變增量帶的形狀和X向位移圖一致，位置是在邊坡中產生變形較大的區域。這一區域內的坡體最薄弱，最可能發生破壞。依據Geo－Slope軟件模擬所得的安全系數是1.226;依據FLAC2D軟件所得的安全系數是1.21，均大于規范所要求的最小安全系數，也符合該排土場細化后所定的安全系數，故該排土場邊坡是基本穩定的。

5 結論

(1)大陽溝排土場邊坡在現狀工況下處于基本穩定狀態;在極限堆高工況下，排土至其極限堆置標高436 m時，處于基本穩定狀態。

(2)極限堆高工況下大陽溝排土場邊坡軟弱層中出現的圓弧形滑動及其所引發的雙線條剪切滑動面的主要原因是軟弱層的物理力學強度特征較低，及其受到上部排巖體的荷載作用較大，繼而導致軟弱層產生塑性屈服并引起邊坡沿基底滑移。因此軟弱層產生剪切滑動破壞，上覆排巖體產生拉剪破壞。

(3)排土場軟弱層的有無及其位置對排土場邊坡滑動面的位置和形狀有較大的影響:現狀工況下軟弱層的位置對排土場邊坡穩定性沒有影響，而在極限堆高工況下軟弱層的位置則影響著邊坡穩定性。隨著排巖體堆置高度的增大，邊坡產生剪切破壞的范圍從坡腳附近擴大到邊坡內部并逐漸向上擴展;邊坡整體出現破壞趨勢的排巖體范圍增大。

［1］ 石建勛，劉新榮，廖紹波，等.礦區排土場堆載對邊坡穩定性影響的分析［J］.采礦與安全工程學報，2011，28(2):258-261.

［2］ 郝 哲，孫俊紅，馮鴻寬，等.弓長嶺鐵礦排土場邊坡穩定性評價［J］.礦業工程研究，2012，27(2):58-63.

［3］ 陳 鵬，陳鵬飛.露天礦排土場邊坡穩定性分析［J］.遼寧工程技術大學學報，2010，29(6):1028-1031.

［4］ 徐 燕，佴 磊，丁黃平.南芬鐵礦大東溝排土場穩定性分析與治理對策［J］.金屬礦山，2007(4):19-22.

［5］ 郝 哲，馮鴻寬.鞍鋼集團礦業公司弓長嶺露天鐵礦大陽溝排土場綜合穩定性評價報告［R］.沈陽:遼寧有色勘察研究院，2011.

［6］ 中國有色金屬工業協會.GB 50421—2007 有色金屬礦山排土場設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2007.

［7］ 楊勝利，王云鵬.排土場穩定性影響因素分析［J］.露天采礦技術，2009(3):4-7.