紅家營排土場堆排設計及邊坡穩定性分析

盧邦飛，盧俊華，穆順要

（天津華勘老撾礦業有限公司，天津 300170）

1 工程地質概況

紅家營鉛鋅礦礦排土場位于云南省個舊市大屯鎮。排土場作為礦山接納廢土石的場所，是礦山組織生產中不可缺少的一項永久性工程建筑[1]。排土場在礦山生產和閉坑后能否持續穩定，其堆存方法及穩定性是必須考慮的重大問題。

根據工程資料，結合鉆探結果，堆場地層主要是第四系人工堆積石渣、第四系坡殘積黏土及三疊系中統個舊組灰巖，各層的具體情況如下。

（1）第四系人工堆積層（Qml）。第①層石渣：灰色～深灰色、灰白色夾淺肉紅色，由碎石組成，稍密為主，局部松散或中密，稍濕。碎石成分主要為強～中風化的石灰巖、大理巖及花崗巖，少量為矽卡巖、泥巖等巖類碎屑，粒徑1～5cm為主，最大可達30cm左右。厚度2.00～33.50m，分布于整個場地。

（2）第四系坡殘積層（Qdl+el）。第②層黏土：棕褐色～褐黃色，夾黑灰色，硬塑～堅硬狀態，稍濕，局部含少量強風化石灰巖。主要分布坡腳一帶，厚度0.90～21.50m。

（3）三疊系中統個舊組（T2g）基巖。第③層石灰巖：淺灰色，灰色，細晶結構，中厚層狀構造，中風化為主，部分強風化。裂隙較發育，沿裂隙偶見溶蝕現象，裂隙被黏土充填。巖芯呈短柱狀或碎塊狀，所有鉆孔均揭露此層，揭示厚度2.40～8.60m。

各巖體物理力學參數取值如表1所示。

表1 巖體物理力學參數取值表

2 排土場地形特征

紅家營排土場為山谷+坡地型排土場，山溝走向由東至西，南、北高中間低，南、北部有山脊，形成天然的分水嶺。排土場東高西低，鄉村公路由西至東從排土場南側通過，排土場西部下游有天然的山溝，可作為截洪溝排泄通道，排土場排水條件較好。

3 排土場堆排設計

（1）廢石堆置總高：60m（標高2010.00～2070.00m）。

（2）堆置臺階高度：20m、20m、20m，分成3個堆置平臺堆存。具體如圖1所示。

圖1 排土場邊坡主溝剖面圖

（3）分段安全平臺寬度：15m、15m，平臺設返坡i=2%。

（4）設計臺階坡面角34°（自然安息角）。

（5）邊坡整體坡面角：26.21°。

（6）紅家營排土場設計容量V=200萬m3，為四等庫容。

（7）土工藝：采用汽車運輸，推土機輔助堆排，平地式排土和臺階式排土相結合。

（8）防洪：防洪擬定按20年一遇設防，場地周邊設置有漿砌毛石截洪溝，為防止雨水對外坡沖刷，在安全平臺內側設置排水溝，排土臺階邊坡的雨水匯集到排水溝后匯入場外截水溝。

（9）坡腳防護：2025排土場西側下游設置格賓石籠碾壓石壩，南側與鄉村公路毗鄰段設置漿砌毛石擋渣墻坡腳防護。通常采用硬質石塊做墊層以形成排水滲流通道，以便排土場頂部、平臺滲水能順利排出。碾壓石壩（攔渣壩）幾何尺寸：①壩頂中軸線長度：124.00m；②壩體高度：Δh=10.00m；③壩頂標高：2100.00m；④壩頂寬度：5.00m；⑤壩體面坡坡比1∶2.0；壩體背坡坡比1∶2.0；⑥基底處理方案：擬建碾壓石渣壩壩址素填土①層（即石渣）厚度1.50～3.20m，該層均勻性較差，該層下伏有性質一般的黏土②層，厚度較小，揭示厚度3.30～3.60m。基于這些因素考慮，碾壓石渣壩的壩體不宜落于石渣填土①層和黏土②層。建議壩基清至③層灰巖，再在其上進行分層碾壓。因此攔渣壩施工前，應先清除基底的石渣填土層和黏土層，至③層灰巖后方能開始筑壩。

（10）排土場頂面處理：頂面采用0.25～0.3m厚的紅黏土隔水，壓實度不小于93%，向內設排水反坡。

4 邊坡穩定性判別標準

紅家營排土場工程主要利用兩岸坡之間的溝谷進行堆存，溝谷地形較陡，總體地形有利于石渣堆存。排土場下游關系較簡單，庫容量不太大，但是邊坡高度較高，根據《有色金屬礦山排土場設計規范》（GB 50421-2007），擬定該排土場安全等級為三級，邊坡安全系數：天然工況Fs≥1.20；地震工況Fs≥1.10；降雨工況Fs≥1.10[2-5]。

5 基于極限平衡理論的理正巖土邊坡穩定性驗算

采用基于極限平衡理論的邊坡穩定計算軟件理正巖土對排土場邊坡建立了仿真模型與系統計算和分析。根據國家《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2001）附錄A的規定，該工程抗震設防烈度為7。本次穩定性計算和分析考慮天然、地震、降雨3種工況，采用理正巖土軟件對建立的模型進行計算，得到最危險滑動面的安全系數如表2所示，主溝斷面變形破壞滑動面圖如圖2所示。

表2 排土場邊坡安全系數（極限平衡）

圖2 主溝斷面變形破壞滑動面圖

6 基于有限差分法的FLAC2D邊坡穩定性驗算

連續介質快速拉格朗日法（FLAC）是基于有限差分法的數值分析方法，它適用于大變形。運用FLAC2D7.0計算和分析了3種不同工況下邊坡的穩定狀態。邊坡變形潛在滑坡破壞面的位置，其分布云圖如圖3所示，計算結果如表3所示。

7 結論與建議

圖3 主溝斷面滑動面分布云圖

表3 排土場邊坡安全系數（FLCA2D）

滑坡的風險來源于上部堆積體以及堆積體與基底的接觸面，一般接觸面巖性較軟弱，雨水侵蝕后力學指標易降低，在一定的地形坡度下，容易誘發滑動風險，通過上文兩種模擬方法進行邊坡整體穩定性分析，得到結論：

（1）紅家營排土場在現最終設計堆存狀態下，其潛在滑動面先穿過堆積體而后沿著基底穿出，其潛在的滑面在自然工況和降雨工況下均達到安全等級三級的要求，能夠消除沿基底面滑動，證明該排土場堆存方案是可行和合理的，為后期土石堆排提供了指導依據。

（2）通過模擬計算得出：最終堆高在考慮7°地震工況下能夠滿足安全等級三級的要求，說明該排土場邊坡在目前堆存方案下具有一定的抗擾動能力。

（3）從圖2和圖3可以看出：潛在滑動面先通過堆積體最后由基底面穿出，說明滑坡的風險來源于堆體與基底接觸面。

（4）為使排土場滿足相長期穩定的要求，建議排廢采用自下而上，由近而遠，由里向外的堆放工藝；采用汽車在排土平臺上順序卸載，然后將靠近邊坡臨空處的堆積體按每30cm由推土機推平和壓實，如此循環，排土臺階逐漸加高；遠離邊坡以外的堆積體無需碾壓，靠其自重慢慢固結壓實。