降雨對礦山排土場邊坡穩定性影響分析

華鐵軍

（長春黃金設計院有限公司，吉林 長春 130000）

伴隨采礦行業的不斷發展，礦山排土場的生產規模越來越大，高度也在上升，而排土場的可靠性關系著礦山的穩定生產，如果出現失穩現象，不但會阻礙礦山的順利生產及經營，還可能引起人員傷亡事件，尤其是遇到連續降雨環境，可能引發大范圍的泥石流，導致更加嚴重的后果。由此，對降雨環境下礦山排土場邊坡可靠性展開分析十分重要。邊坡可靠性是個長久的探究課題，國內外很多學者均進行了全面的探究工作，并獲得了顯著的研究成果。下文結合礦山排土場基本特征，經假設四棱錐型的碎裂面模式，并給予極限平衡理論，得出了礦山排土場邊緣的3D可靠性分析辦法。

1 排土場邊坡3D模型和地質環境模型

1.1 基本假設

考量到礦山排土場是處在自然山體坡面上，且分臺階存在的，具有自然滑裂面，本文假設礦山排土場坡體失穩模式見圖1所示，邊坡失穩模式是四棱錐體（ABCD），破裂面于底面（ADE）。

圖1 邊坡失穩模式示意圖

按照本文假設的破裂面模式，后期分析過程的基本假設是：①初始狀態假設滑裂體并未變位；②滑塊處在極限條件下時，兩側面（ABE與CDE）遭到靜止土壓力影響，底面ADE遭主動土壓力影響，滑裂面的損壞準則符合Mohr-Coulomb標準；③滑塊側邊滑動軌跡是AF、DG、F，其中，G是BE和CE的中點；④地表可能具有的超載處在BCE的形心；⑤坡體失穩滑裂面的改變參數涉及三點，即坡面大小BC為a（米），深度ME為b（米），土體滑裂面（ADE）傾角是θ。

1.2 排土場項目的地質環境與邊坡模型的創建

某礦山排土場包括一期與二期規劃建造。一期排土場在2011年完工，土場東西長度為1250m，南北寬度為370m～570m，占地范圍為903畝，最高排土堆放標高是150m，總容積為1887萬m3。二期排土場于一期前提下開展擴容建造，擴容后的排土場重點朝南北兩邊各增寬200m～300m，總占地范圍2286畝，二期排土場最后堆放標高180m，初步規劃總容量是9000萬m3，二期排土場在2017年正式投用。

排土場是丘陵地貌，存在侵蝕-剝蝕性；地形條件是：兩條溝谷，為南北走勢，溝谷上游較為窄小，所以溝谷形態是“V”型；溝谷下游就是兩條山溝的集中處，比較開闊，同時谷底的長度大概是1km，寬度大概是450m；縱坡降大概是10%。排土場周圍的山坡坡度大概是20%～30%，綠化植物較為發育。

仔細研究排土場項目的設計信息、地勘報告和現場項目的測量調查表明，該排土場現場的巖土層，由上至下分別為：廢土石、耕種土、粉質土層、中風化粉砂巖。根據地下水壓力特點與內部的條件，能細化排土場地下水，分成基巖內空隙潛水、第四系疏散層空隙潛水；而空隙潛水常存于風化基巖中；而空隙潛水則存于第四系沖洪積層中。相關排土場邊坡和常見地質剖面如圖2所示。

依據排土場地質環境，創建有關排土場邊坡運算模型，其中，模型系統共6073個，節點為5947個。

圖2 排土場邊坡和常見地質剖面（單位/米）

2 研究排土場項目邊坡的穩固性與時變

2.1 飽和以及非飽和的滲水理論管理微分方程

降雨環境下的排土場項目邊坡滲水穩固性研究是飽和以及非飽和的失穩滲水分析，具體管理偏微分式子為：

其中，kq表示介質飽和條件下的滲水張量；kr（h）p表示介質相對滲水的闡述；飽和區的數值為1，非飽和區就處在0～1之間。

hp表示壓力水頭；z表示位置水頭；h為總水頭，它們之間的關系為：h=hp+z；Q為源匯項。C（h）p表示容水度，具體飽和區的數值為1，非飽和區就為?θ/?hp（θ代表體積含水率，β為選取的產量，0是非飽和區，1是飽和區系數）。

SS表示飽和系統的貯水值，飽和區為常數，非飽和區的值為0；t為時間變量；xi為坐標。

2.2 明確降水的邊界

重點是對排土場瞬間滲水分析，提出以下假設：

第一，排土場邊坡表層受到降雨影響，并以降雨滲透為邊界，當流量邊界的降水強度低于土體滲水性能時，測定水頭邊界的降水強度就大于土體滲水性能，這時，假設超滲透產生徑流之后迅速排泄，沒有積水，則水頭值為地面的高程，而邊界水壓為0；

第二，飽和區用作定水頭邊界，重點按照初始的地下水高度進行確定；

第三，邊坡模型下底假設僅產生水平的滲水，是不滲透的邊界。

3 不同雨型環境下排土場的可靠性探究

3.1 失穩形式

參考礦區項目的地質調研表，該排土場邊坡有三種失穩形式：

其一，順基底下臥層總體的滑動，重點是因為堆積的臺階增多和滯水的作用導致，這次滑動失穩形式的危害性很大，但難以出現，所以，此處不進行考慮。

其二，總體圓弧的滑動，常產生在近似圓弧狀的廢石土中，而這次滑動失穩形式也難以出現，所以，本文不予以考量。

其三，臺階坡度較為陡峭，從而導致每個平臺邊坡局域的滑動，這次滑動的損害極易出現，所以文章將進行詳細探究。經對本排土場邊坡每個平臺形態穩定時程計量，得到三種失穩形式安全指標時的變曲線。

3.2 整體分析

（1）比較研究三個平臺安全指標的變化程度，四種降水下565平臺的安全指標和時間是正相關關系，這是因為565平臺偏低，如果出現降雨，則水流可以迅速排出到最小的平臺，且難以再次被排出，所以產生了滯水情況；此外，兩個平臺就是因為高層相對偏高，難以受到降水的匯流。通過上述分析得知，若565平臺連續推高，則出現失穩的機率很大。

（2）比較研究Ⅰ雨型和Ⅱ雨型，針對本排土場區域安全系數對時間的影響，能夠從中知道，Ⅰ雨型上的565平臺安全系數從1.148下降到1.105；Ⅱ雨型安全系數就是從原本的1.148下降到1.075；比較兩種雨型，可以得知，總雨量相等環境下，短期大暴雨將極大嚴重到排土場的可靠性。這是因為排土場滲水指標較大導致，且和其他土質邊坡在根本上存在明顯區別；當降強偏小時，排土場滲水的水平＞降雨強度，則降雨會直接滲入排土場邊坡中，從而導致地下水水位升高，從地表直接排出，所以僅有大暴雨會極大影響到排土場的可靠性。

（3）比較研究Ⅲ雨型和Ⅳ雨型對該排土場邊坡安全性能的影響，可以從中得知，Ⅲ雨型降水結束后的安全指標呈降低趨勢，而且滯后效應非常明顯；Ⅳ雨型降水完成后的安全系數不斷回升，且沒有滯后效應。比較結果表明，Ⅲ雨型影響下，該排土場降雨結束以后的安全系數降低幅度很大。

4 結語

首先，針對極限平衡理論，研究了礦山排土場坡度四棱椎滑坡體的3D可靠性判斷方式。以某排土場邊坡為研究主體，提出邊坡模型和地質模型的建立條件。

其次，根據實驗得出的排土場分散物料強度和含水量間的聯系，利用提供的邊坡3D可靠性判斷方式，比較研究了降雨滲入前后邊坡的可靠性。由分析結論得知，降雨滲透加大的土體含水量，下降了其抗剪強度性能，邊坡可靠性也將下降。為此，為保證排土場的安全，排土場應建可靠的截（排）水設施：為了上游匯水和底部滲流及時排出，可采用大石鋪底、底部設排水盲溝、上游設截水壩、倒洪硐（渠）等措施；為減少排土場匯集雨水量，可在排土場周圍設截（排）水溝，并在安全平臺和排土場表面設計排水溝渠等。

綜述：降雨是排土場邊坡失穩的重要因素之一，無論何種形式的降雨都將對排土場邊坡的穩定帶來不利的影響，為此，排土場應建有可靠的截（排）水設施，盡量避免（較少）降雨對排土場邊坡穩定的影響，保證排土場的安全。