排土場邊坡區域穩定性及整體安全度分析研究

甘海闊 周漢民 崔 旋

（1.北京礦冶科技集團有限公司，北京102628；2.金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室，北京102628）

露天礦排土場剝離廢石總量大，占地面積大。據資料統計，我國排土場、矸石山等的占地面積已達（1.4～2.0）×104km2，而國力只能支撐6%復墾率［1］。近些年來，隨著我國礦山企業新建排土場所面臨的征地、經濟、環保等方面的壓力增大，在確保安全的前提下盡可能提高原有排土場排棄高度、增大廢石堆排量成了礦山的追逐目標。如海南礦排土場計劃堆排高度為200 m，南芬礦廟兒溝排土場設計高度280 m，廠壩七架溝則計劃建設約400 m的超高排土場等［2-3］。但現實條件下我國大多已建排土場所面臨的現狀為：受先天選址條件制約（排土場的復雜地形、地質條件、不規則邊界條件）以及后天排土條件影響（特定排土工藝、堆置方式、不均勻的排土物料特性），排土場的穩定性成為關注的重點［4］，隨著排土場進一步向高堆排，無疑將造成排土場的安全問題更加突顯。

作為大量土石混合料經搬運至特定場地按照一定堆排方式堆積所形成的大體積人工土石邊坡，排土場的穩定性呈現出多區域多因素影響的空間效應。表現為：①由于排土場往往占地面積較大，處在同一排土場的不同區域由于場地地形及地質條件差異性大，造成其穩定性存在差別；②排土場的不同區域由于堆置方式以及排土質量控制有所差別，使得各區域排土體排土段高、坡度等條件差別較大并由此造成排土物料力學特性空間變異性較大［5-7］，從而影響各區域邊坡穩定性；③受制于不均排土邊界條件下的排土場邊坡形成極不規則的空間排土體形態，使得排土場在空間上表現為凹形夾持和凸形發散效應［8］，表現為凹形區域、凸形區域和較規則區域的邊坡穩定性存在一定差異性；④根據工程實例記錄所得的各典型排土場的滑坡失穩均呈現出明顯的空間滑移體形態［9］。因此準確反映排土場多區域多因素影響下的空間效應，分析排土場邊坡的空間破壞過程，并合理評價排土場整體安全度，對于保證排土場的安全運行具有十分重要的意義。

本文將針對當前我國排土場邊坡穩定性研究的上述問題，以國內某復雜條件下大型高排土場邊坡為例，依據該排土場特定的幾何邊界條件、地形地質條件、排土現狀等，將排土場劃分多個區域建立三維模型，開展多區域下的空間穩定性分析研究。基于邊坡穩定性強度折減系數法評價其安全度，通過對邊坡開展逐步的強度折減研究排土場邊坡漸進破壞失穩過程及失穩機制。并通過對三維空間穩定性與平面結果開展對比分析，研究不規則地形、邊界及排土體空間效應對排土場穩定性的影響狀況，揭示平面分析和空間分析穩定性結果存在差異的原因，建立排土場整體安全度控制指標。通過該項研究獲得許多有益結論，并可為相關類似工程的評價、研究等提供參考。

1 工程背景

受礦區場地及選址條件限制，某排土場坐落于中低山區溝谷地形中。場地原始地形標高+75～ +173 m，溝谷坡度10°～30°，區域地形起伏變化較大。排土場基底表層為厚0～24.93 m的第四系殘坡積土，平均深度約8 m；下伏地層為厚大堅實的太古界強（中）風化黑云混合片麻巖組，排土場合計占地面積約3.5 km2。排土場北側區域分+160 m、+195 m、+240 m、+285 m、+330 m共5個臺階進行堆排；南側區域由于區域狹窄，劃分+160 m、+195 m、+240 m、+285 m共4個臺階堆排，排土場設計最大堆積高度265 m，最大堆土方量約3.60億m3，屬國內超大型排土場。

目前，該排土場采用“膠帶+排巖機”方式排土作業，但由于受制于地形條件、征地界線及周邊建筑物最小安全距離等限制，形成了極不規則的空間形態，如圖1所示。同時該排土場周邊存在著村落、學校以及選廠車間等設施，生產生活設施距離排土場的距離較近。目前排土場已堆排至約+200 m標高，隨著該排土場后期堆排物的逐步增加、堆排高度進一步增大，無疑將加大周邊構筑物的安全風險。因此，基于該排土場特定的地形、邊界、排土條件，將排土場劃分多個區域開展全面的空間穩定性分析研究顯得尤為必要。

2 多區域空間安全度分析

2.1 數值模型與材料參數

本次空間穩定性研究選擇排土場在空間形態、地形、地質及邊界差異性較大的4個區域作為研究對象，各區域劃定的研究范圍如圖2所示，所建立的多區域三維空間數值分析模型如圖3所示。由于該排土場一直采用膠帶運轉排巖機堆排剝離的廢石土料且采取了較為嚴格的分臺階控制措施，多組取樣所得出的各區域排土料粒徑分級差異性較小，排土物料及其他各分區材料力學參數匯總如表1所示。

2.2 空間穩定性分析

本文將基于所建立數值分析模型和試驗獲取的各分區力學參數，采用邊坡穩定性分析的強度折減系數法，對排土場各區域空間穩定性開展研究。

邊坡穩定性強度折減系數法是指通過降低排土場物料力學參數的黏聚力C和內摩擦角φ，直至邊坡發生破壞失穩，以此來評價邊坡的安全度。具體降強度方法如式（1）所示。

?

式中，Cf，φf分別對應強度折減后的黏聚力和內摩擦角，Kfos為安全度系數值。

圖4為強度折減的最終階段各區域排土場的剪切應變增量云圖及其對應安全系數，經分析可得：

（1）排土場各滑坡體區域均呈現出明顯的三維空間滑移體形態。結合典型切面下剪切應變增量速度矢量圖5可得：各區域排土場滑坡失穩時，表現為排土體頂部下滑、中間部位沿坡面側向向下滑出，坡腳區域水平剪出，呈現出自頂部外緣沿坡面至坡腳滑出的趨勢；對應于排土場邊坡實際破壞現狀往往為頂部下滑產生拉裂縫，坡腳底鼓錯動；數值模擬分析的破壞現象符合排土場邊坡滑坡失穩的一般規律。

（2）排土場4個區域的空間安全度分別為Kfos=1.867、1.929、1.975、1.844。依據GB50421-2007《有色金屬礦山排土場設計規范》可得：排土場各區域安全度Kfos≥1.30～1.50，排土場各區域均較為穩定。

（3）通過各區域結果的對比分析，區域D與區域A（或區域B）相比，雖降低了45 m高的堆載高度（+330 m堆載平臺），但排土場區域D的空間安全度為各研究區域中最小。結果表明，排土場各區域穩定性規律不僅受堆排高度單因子的影響，是受地形、邊界、排土條件等因素綜合影響的結果。

2.3 空間滑坡破壞過程分析

在計算各區域排土場邊坡安全度的基礎上，通過對排土場開展逐步的強度折減，并沿排土場各區域坡腳位置分散設置1組位移監測點記錄在整個強度折減過程中排土場坡腳水平向位移變化情況，以研究排土場各區域失穩破壞過程。圖6為不同強度折減過程中排土場典型剖面塑性區演化；圖7則為強度折減過程中對應坡腳特征點位移演化曲線。各區域演化規律基本相似，限于篇幅本文只列出區域A下計算結果。結合區域A下計算結果，經分析可得：

（1）在未進行強度折減時（Kf=1.0），排土場塑性破壞區范圍較小，僅表現為基礎殘坡積層區域小范圍的破壞，排土場邊坡整體較為穩定。

（2）隨著強度折減的逐步進行（Kf=1.10～1.40），排土場邊坡塑性區范圍不斷擴大，主要表現為基礎殘坡積層首先破壞，內部排土體塑性區范圍逐步增大，且呈現自坡腳至坡頂逐步貫通趨勢。

（3）特征剖面塑性區范圍自坡腳貫通至坡頂位置貫通之后（Kf＞1.40時），塑性區貫通范圍進一步由特征剖面向整個排土體延伸，形成空間大范圍的塑性破壞區直至滑坡失穩。

（4）在整個強度折減過程中（Kf=1.0～Kfos），隨著邊坡塑性區范圍的不斷增大，排土場坡腳特征點位移變化規律也表現為逐步增大趨勢；當各區域排土場邊坡坡腳特征點位移發生規律性大規模突變時，數值迭代計算不收斂，此時可認為排土體已發生滑坡失穩破壞，此時所對應的強度折減系數即可作為排土場各區域的安全度。

3 與平面穩定性結果的對比分析

為進一步衡量評價排土場各區域安全度，比較平面分析結果與空間穩定性分析下排土場穩定性的差異，對上述4個空間穩定性分析的區域選取10個典型剖面（見圖2）開展平面穩定性計算分析。圖8為選取的多個特征剖面下排土場穩定性計算剪切應變增量云圖，表2則為空間安全度與平面安全度對比匯總表。通過和空間穩定性結果對比分析可得：

（1）平面穩定性分析下排土場的剪切應變增量及矢量同樣表現為排土體頂部下滑、中間部位沿坡面側向向下滑出，坡腳區域水平剪出趨勢，該規律與空間穩定性分析下排土場滑坡規律相同。

（2）平面穩定性分析可反映單一平面條件下地形、地質、邊界及排土條件的變化，但未能反映排土體的空間效應的影響。相比而言，不同特征剖面計算出的平面安全度差異性及離散型較大，其安全度結果在1.625～2.305之間變化。

（3）平面穩定性分析結果的代表性很大程度上依賴于特征剖面的選取。與空間破壞區域相近區域下的典型切面下的平面安全度普遍低于空間穩定性分析結果0.10～0.20左右；而與空間破壞區域非同側區域下的典型切面下的安全度結果差異離散較大，未能表現出明顯的規律相似性。

4 結論

（1）受場址地形及地質條件、排土邊界形態、堆置方式及排土物料特性等因素綜合影響下的排土場邊坡安全度具有明顯的空間效應；基于多區域的空間穩定性分析及平面分析研究，該排土場整體安全情況受關鍵部分的局部穩定性控制。正常情況下該排土場邊坡穩定性安全系數在1.844～1.975之間，排土場較為穩定。

（2）排土場各區域在滑坡失穩時呈現出明顯的三維空間滑移體形態及特征，表現為排土體頂部下滑產生拉裂縫，底部剪出呈坡腳底鼓現象。對應于數值計算，表現為排土體大面積塑性區貫通，并產生邊坡位移發生突變。

?

（3）經過空間與平面穩定性結果的綜合比較分析：與空間破壞區域同側區域下的典型切面下的平面安全度結果能夠近似反映排土場的整體安全度，其安全度結果普遍低于空間穩定性分析結果0.10～0.20左右。

（4）平面安全度分析的結果可靠性和代表性依賴于特征剖面的選取。對于受地形、地質、排土邊界等空間因素影響較大的排土場邊坡，在開展穩定性計算時，宜采取空間穩定性和平面穩定性2種分析手段相結合的方式，以保證分析結果的準確、可靠。

［1］ 王光進，楊春和，張 超，等．超高排土場的粒徑分級及其邊坡穩定分析研究［J］．巖土力學，2011，32（3）：905-913．Wang Guangjin，Yang Chunhe，Zhang Chao，et al．Research on particle size grading and slope stability analysis of super-high dumping site［J］．Rock and Soil Mechanics，2011，32（3）：905-913．

［2］ 曹 陽，黎劍華，顏榮貴，等．超高臺階排土場建設決策研究與實踐［J］．巖石力學與工程學報，2002，21（12）：1858-1862．Cao Yang，Li Jianghua，Yan Ronggui，et a1．Practice and decision study of building super-high bench dumping-site［J］． Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21（12）：1858-1862．

［3］ 王光進，楊春和，孔祥云，等．超高臺階排土場散體塊度分布規律及抗剪強度參數的研究［J］．巖土力學，2012，33（10）：3087-3092．Wang Guangjin，Yang Chunhe，Kong Xiangyun，et al．Research on fragmentation distribution and shear strength parameters of accumulate granulae with super-high bench dumping site［J］． Rock and Soil Mechanics，2012，33（10）：3087-3092．

［4］ 王運敏，項宏海．排土場穩定性及災害防治［M］.北京：冶金工業出版社，2011．Wang Yunmin，Xiang Honghai． Stability of Dump and Disaster Prevention［M］．Beijing：Metallurgical Industry Press，2011．

［5］ 任 偉，李小春，汪海濱，等．排土場級配規律及其對穩定性影響的模型試驗研究［J］.江科學院院報，2012，29（8）：100-105．Ren Wei，Li Xiaochun，Wang Haibin，et a1．Model test on the discipline of waste dump gradation and its impact on the stability［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2012，29（8）：100-105．

［6］ 黃廣龍，周 建，龔曉南．礦山排土場散體巖土的強度變形特性［J］．浙江大學學報：工學版，2000，34（1）：54-59．Huang Guanglong，Zhou Jian,Gong Xiaonan，et al． Stress-strain and shear strength properties of rock and soi1 matoria1s of waste pile in open pit mines［J］．Journal of Zhejiang University：Engineering Science，2000，34（1）：54-59．

［7］ 謝學斌，潘長良．排土場散體巖石粒度分布與剪切強度的分形特征［J］．巖土力學，2004，25（2）：287-291．Xie Xuebin，Pan Changliang．Fractal characteristics of size distribution and shear strength of bulky rock material in waste pile of mines［J］．Rock and Soft Mechanics，2004，25（2）：287—291．

［8］ 汪海濱，李小春，米子軍，等．排土場空間效應及其穩定性評價方法研究［J］.巖石力學與工程學報，2011，30（10）：2103-2111．Wang Haibin，Li Xiaochun，Mi Zijun，el a1．Researches on space effect of waste dumps and its stability evaluation method［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30（10）：2103-2111．

［9］ 汪海濱，李小春，米子軍，等．黃土地基排土場滑坡演化機制研究［J］．巖土力學，2011，32（12）：3672-3678．Wang Haibin，Li Xiaochun，Mi Zijun，et a1．Researches on fornlation evolution mechanism of waste dumps landslides on loess foundation［J］．Rock and Soil Mechanics，2011，32（12）：3672-3678．