舞陽鐵礦西排土場邊坡穩定性分析

郭學軍

(河南安鋼集團舞陽礦業有限責任公司)

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舞陽鐵礦西排土場邊坡穩定性分析

郭學軍

(河南安鋼集團舞陽礦業有限責任公司)

摘要針對舞陽鐵礦西排土場的實際情況，在巖土工程勘察和巖土物理力學性質分析的基礎上，采用瑞典圓弧法深入分析了該礦排土場典型剖面在3種工況下的穩定性。結果表明：西排土場邊坡在現狀工況下整體處于基本穩定狀態，但局部仍達不到安全要求，對于該礦排土場邊坡的安全治理有一定的參考價值。

關鍵詞排土場穩定性瑞典圓弧法典型剖面

排土場的穩定性在露天礦的安全生產中占有極其重要的地位，一旦出現失穩，排土場產生的滑坡及泥石流等災害將嚴重影響礦山安全生產及礦區環境。隨著排土場的不斷堆高，實際排土中產生的軟弱層也將出現，其穩定性不容忽視。為此，本研究以舞陽鐵礦西排土場為例進行邊坡穩定性分析。

1工程概況

舞陽鐵礦設計使用的西排土場位于露天采場西側，有效容積2 300萬m3，總堆置高度90 m，排棄方式按照汽車后卸，推土機配合分段排棄，沉降時間約為1 a。西排土場自1987年建礦投入使用至2014年，已累計排棄廢石2 330萬m3，堆置高度105 m，最大邊坡角35°。該礦排土場處于單面山北緣，位于丘陵斜坡，原始地形坡度15°～27°，西排土場均已到界，東距采場最近約50 m，下部界線分布有白灰燒結廠及數座大、小村莊，排土場一旦失穩，將對采場及下游人民生命財產造成嚴重威脅。2006年8月強降雨后，西排土場北部曾發生局部滑坡，采取上部卸載、下部反壓措施進行了臨時治理。該礦排土場由碎石、塊石及少量砂土組成，結構松散、混雜，塊石巖性主要為混合巖、片麻巖、礫巖等，大小混雜，一般厚數十米至100 m，西排土場北部眉線附近厚度接近100 m。堆積層下為原始地形，為直鼓山北坡或鞍部，山坡基巖為太古界、元古界混合巖、大理巖和片麻巖等。堆積層與新鮮基巖之間埋藏有殘坡積層和風化殼。

據地質調查、探井和鉆孔揭露并結合室內土工試驗成果，將場地巖土劃分為：

(1)廢石堆積體。為露天礦區開采剝離的覆蓋層及圍巖組成，主要由第四系黃土、風化砂和硬巖組成，總體比例約1∶1.3∶4.6。由于采用分段、分臺階排棄堆積，廢石堆積體在水平、垂直方向上均呈現無規律狀況。其中第四系黃土主要為粉質黏土，灰黃—褐黃色，稍濕，可塑。風化砂主要為中—粗砂，灰黃色，松散。硬巖成分復雜，顏色斑駁，大小不一，該層厚度即為排土場的堆置厚度，西排土場厚0～123 m。據廢石堆積體的顆粒組成和堆積特點，可將該層細分為：①-1層粗砂堆積體，灰黃色，松散，含少量碎石，主要分布于西排土場中下部，為回填反壓堆積；①-2層塊石、碎石土堆積體，雜色，松散，由塊石、碎石組成，該層穩定，為構成廢石堆積體的主要成分；①-3 層粗砂含礫石堆積體，灰黃—褐黃色，松散，礫石含量約20%，直徑30～100 mm，礫石成分以混合巖為主，該層主要分布于西排土場中部，為排土場早期堆積物；①-4層細砂堆積體，黃灰色，松散，含少量礫石，直徑10～30 mm，夾塊石，直徑100 mm，主要分布于西排土場南側附近，為碎石廠的廢棄石粉堆積形成。

(2)殘積、洪積、坡積層。為原始地表殘、洪、坡積層黏土、粉質黏土及粉砂、礫石層，主要成分為粉質黏土，局部夾粉砂、礫石，含全風化巖石碎塊，該層分布穩定，但厚度差別較大，厚1.40～32.15 m。

(3)條帶狀混合巖。據鉆孔揭露，西排土場下伏基巖華山群Ar3t條帶狀混合巖。據鉆孔揭露的深度和巖石風化程度，將該層細分為：③-1層強風化層，裂隙發育，裂隙面見水銹，錘擊易碎；③-2層中風化層，風化程度中等，巖芯呈短柱狀、柱狀，長100～470 mm，裂隙較發育。

西排土場中廢石堆積體結構松散，孔隙率大，滲透系數大，主要含有上層滯水，地下水埋深25.35～99.00 m，受大氣降水影響嚴重。在排土場前緣，有潛水出露，涌水量0.12 L/s,水質清澈。

2西排土場邊坡穩定性分析

為有效復核排土場在不同工況下的穩定性，本研究將地震荷載作為特殊工況一并加以考慮，分3種工況進行邊坡穩定性分析：①現狀穩定性，地下水位以勘察期實測數據計算；②50 a一遇暴雨排土場邊坡穩定性，地下水位以模擬暴雨計算；③特殊工況下排土場的穩定性，即同時考慮暴雨和地震荷載的影響。據西排土場的具體情況，共建立了8個工程地質剖面，其中，4-4′、5-5′、6-6′、7-7′、8-8′剖面位于西排土場，而位于西排土場石料廠范圍內的7-7′剖面，正對頂部平臺進行卸載，該剖面地形變化快，邊坡趨于穩定。結合邊坡地形、地質情況以及危害性，判定西排土場的4-4′、5-5′剖面安全系數最小，為此，本研究主要針對4-4′、5-5′剖面進行分析，并將4-4′剖面作為分析重點。

2.1計算公式與參數選取

本研究采用瑞典圓弧法進行排土場邊坡穩定性分析計算[1-4]，計算涉及的幾何參數從工程地質剖面圖上讀取，物理指標取自室內試驗資料，強度指標則采用試驗資料并結合經驗數據確定，具體指標見1。排土場正常運行時采用實測資料確定浸潤線；暴雨季節運行時，考慮到廢石堆積體的滲透性較高，將坡前地下水位抬高至地表出滲，坡后地下水位抬高10.0 m；特殊運行時，抗震設防烈度由6度提高至7度，水平地震系數為0.10，地震作用綜合系數為0.25，地震作用重要性系數為1.00。

表1　土類力學參數

2.2計算方案

對于西排土場的4-4′、8-8′剖面分別就正常運行、暴雨季節運行和特殊運行等3種工況進行計算，荷載組合見表2。

表2　不同運行情況下荷載組合

注：一為正常水位的滲透壓力，二為邊坡土石體自重，三為邊坡及地基中孔隙壓力，四為暴雨季節高水位有可能形成的穩定滲透壓力，五為地震慣性力。

舞陽鐵礦西排土場屬于多臺階永久性排土場，據《金屬非金屬礦山安全規程》(GB 16423—2006)，按余推瑞典圓弧法計算，得到不同安全度的抗滑穩定性安全系數(表3)。

表3　排土場余推法抗滑穩定性安全系數

2.3安全系數計算結果

安全系數計算分剖面進行，通過選擇北京理正巖土系列軟件(5.11版)的復雜土層土坡穩定程序進行計算。西排土場4-4′(圖1)、5-5′剖面的安全系數計算結果見表4。

圖1　西排土場4-4′剖面

由表4可知：

(1)西排土場在正常運行、雨季運行、特殊運行等3種工況下，4-4′、5-5′剖面的安全系數分別為1.045和0.988、0.951和1.082、1.075和1.029，均不符合《金屬非金屬礦山安全規程》(GB 16423—2006)要求的正常級的安全度，特別是4-4′剖面在雨季和特殊運行下，安全系數小于1.00，安全度達到了危險級，須盡快采取治理措施。

(2)西排土場4-4′剖面最危險的滑弧位于第1～第2平臺坡度較陡的邊坡上，與物探報告反演結果一致，屬于廢石堆積體內的滑動，主要原因是局部邊坡坡度較陡，邊坡腳坡度均在40°以上；5-5′剖面最危險的滑弧位于第1平臺～坡腳間，屬于沿基底軟弱層的滑動，最危險滑弧切穿廢石堆積體和下臥殘坡積土層。

表4　舞陽鐵礦西排土場安全系數計算結果

注：正常運行、雨季運行、特殊運行等3種工況下的最小安全系數分別為1.2、1.15、1.05。

(3)4-4′剖面位于第1平臺～坡腳，正常運行、雨季運行、特殊運行等3種工況下的最小安全系數分別為1.176、1.102、1.042，均小于《金屬非金屬礦山安全規程》(GB 16423—2006)要求的正常級標準，安全度屬于病級，最危險滑弧均切穿廢石堆積體和下臥殘坡積土層，屬于沿基底軟弱層的滑動；其他平臺間的安全系數均符合正常級要求；5-5′剖面除第1平臺至坡腳間外，其他平臺間的安全系數均符合正常級要求。

(4)西排土場第2平臺以上邊坡的安全系數均大于1.19，基本不會發生跨平臺間的滑動，滑動的最危險滑弧深度也無法切穿廢石堆積體的底部。

(5)4-4′剖面安全系數最小，結合物探報告，該剖面及其以西底部第1～第2平臺形成小型滑坡的可能性最大，在較大暴雨的作用下可能形成小型滑坡或泥石流。

3討論

(1)西排土場在現狀工況下整體處于基本穩定狀態，但局部仍達不到安全要求，其設計的堆置高度為90.0 m，經削坡處理后，仍高達107.26 m，須盡快對排土場超載部分進行削頂卸載，降低排土場堆置高度至設計要求。

(2)2006年8月，對局部滑坡地段采取了卸載和反壓措施，通過5-5′剖面的計算，現狀邊坡最小安全系數為1.082，對應的滑弧位于第1平臺～坡腳處，說明通過治理，滑坡段處于基本穩定狀態。

(3)在西排土場投入使用前，未對植被和部分第四系軟弱層進行清除，為西排土場邊坡的穩定性埋下了隱患，因此，應全部清除排土場反壓平臺最終境界100 m內的植被或第四系軟弱層，并將地基削成階梯狀。

(4)西排土場安全系數最小的地段為4-4′剖面所處位置，該處局部邊坡較陡，邊坡腳坡度約48°，較容易發生滑坡。而第1平臺～坡腳段的總邊坡腳坡度也高達30°以上，安全系數也無法滿足正常級安全度要求。因此，應盡快采取削坡減載和回填壓腳措施，將該地段較陡邊坡削坡至30°以內,或可輔以針對性的重力式擋土墻工程來解決上述問題。

參考文獻

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(收稿日期2016-04-07)

郭學軍 (1970—)，男，工程師，462500 河南省安陽市。