排土場邊坡穩(wěn)定性分析及安全評價分析

馬永明

（甘肅省建設(shè)項(xiàng)目咨詢中心有限公司，甘肅 蘭州 730070）

1 礦山概況

以某地區(qū)礦山（后統(tǒng)稱為a礦山）為例進(jìn)行分析，該礦山位于我國北方某地區(qū)，地質(zhì)儲量達(dá)到22441Mt，實(shí)際生產(chǎn)能力達(dá)到20.0Mt/a。A礦山首采設(shè)置內(nèi)排土場、東一排土場、西南排土場。在a礦山不斷開發(fā)過程中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)排土場北幫嚴(yán)重不穩(wěn)定，故采用Bishop及FLAC3D對北幫排土場邊坡穩(wěn)定性詳細(xì)分析，以此避免內(nèi)排土場邊坡出現(xiàn)的變形，導(dǎo)致發(fā)生人員傷亡異常，造成重大經(jīng)濟(jì)損失[1]。

2 排土場邊坡穩(wěn)定性影響因素及邊坡滑坡模式

排土場為人工堆積形成，多為當(dāng)?shù)厮缮ⅰ⑵扑閹r石混合物。受傳統(tǒng)價值觀念影響，礦山企業(yè)過于重視經(jīng)濟(jì)效益，過分追求少征地、短運(yùn)輸、大容量，逐漸發(fā)展形成礦山普遍排土場高且陡，易發(fā)生滑坡及泥石流[2]。

在礦產(chǎn)開發(fā)中，其不同臺階巖層不同，實(shí)際開采中往往需要用到爆破方式，后經(jīng)過開發(fā)和運(yùn)輸不斷深入，排土場實(shí)際堆積物理化性質(zhì)發(fā)生變化，混合料強(qiáng)度低于原本巖層，且排棄后混合物分布不均，影響排土場穩(wěn)定性，具體影響因素為：

（1）排土場地基，排土場地基巖土傾角等。

（2）排土場周圍水文地質(zhì)。

（3）排土工藝及邊坡高度、最終邊坡角也對排土場穩(wěn)定性有影響。

（4）一系列外在因素：邊礦年限、邊坡形狀、工程活動、安全管理等。

針對a礦山內(nèi)排土場地形、巖土性質(zhì)、排棄物性質(zhì)，其可能存在三種變形：

（1）地基型滑坡：針對a礦山工程地質(zhì)條件，內(nèi)排土場為黃土，存在較多沖溝，黃土自然斜坡大，排棄物料及黃土接觸面抗剪強(qiáng)度在排棄物及黃土抗剪強(qiáng)度之下。雨季則排棄物和黃土接觸層受到雨水侵蝕，受到侵蝕后，其實(shí)際抗剪強(qiáng)度逐漸下降，且若實(shí)際排棄高度過高，達(dá)到極限，就會發(fā)生地基式滑坡[3]。

（2）沿采場、排土場邊坡內(nèi)部容易出現(xiàn)圓弧破壞：采場邊坡巖土將受降水、外部載荷等因素影響，通過深入開發(fā)，則排棄物不斷累加，高度不斷上升，容易導(dǎo)致坡體滑力持續(xù)上漲，發(fā)生嚴(yán)重滑坡。

（3）沉降變形：受周圍地勢影響，排土場周圍地貌高低不平，且存在沖泡發(fā)育，隨著開采不斷開展，對應(yīng)堆積高度增加，打破原本平衡狀態(tài)。礦山的實(shí)際排土高度增加，則其自身排土場就容易出現(xiàn)不均勻變形，導(dǎo)致邊坡應(yīng)力不衡，局部邊坡存在明顯搓動，形成新平衡狀態(tài)。

3 Bishop及FLAC3D介紹

Bishop法對邊坡穩(wěn)定分析圓弧滑動分析法（Fellenius）改進(jìn)，Bishop提出安全系數(shù)理念，對條分法起到重要作用，其假定土條間作用力為水平方向，求土條間法向力。由于分條剪力計(jì)算困難，考慮到實(shí)際需求，Bishop忽略分條剪力作用。

FLAC3D源于美國，為有限差分軟件，其可將土、巖及其他材料三維結(jié)構(gòu)受力分析，調(diào)整三維網(wǎng)絡(luò)多面體單元，結(jié)合實(shí)際單元，以線形/非線性本構(gòu)模型代表單元材料，受外力影響，材料屈服后，網(wǎng)格也發(fā)生變形及移動，因此，采用FLAC3D可模擬實(shí)際工程中不同受力變化，有效模擬巖土工程問題，為解決問題打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 Bishop計(jì)算結(jié)果分析

a礦場內(nèi)排土場北幫邊坡高度達(dá)到193m，邊坡角達(dá)到20°，對內(nèi)排土場幫樣本采集，以巖石力學(xué)試驗(yàn)，測試得到巖體參數(shù)如表1所示。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

實(shí)際計(jì)算剖面如圖1所示。

圖1 排土場北幫計(jì)算剖面圖

以Bishop方式計(jì)算內(nèi)排土場北幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1.22，此時邊坡為極限平衡。

5 FLAC3D軟件計(jì)算結(jié)果

A礦場內(nèi)排土場北幫剖面模型如圖2～圖7所示。

圖3 北幫剖面塑性區(qū)分布圖

圖4 北幫剖面X方向位移圖

圖5 北幫剖面Z方向位移

圖6 北幫剖面安全系數(shù)及最大主應(yīng)力云圖

圖7 北幫剖面安全系數(shù)及最小主應(yīng)力云圖

通過上圖顯示出邊坡變形及破壞規(guī)律狀態(tài)。其中，從圖4到圖5可以得到a礦山內(nèi)排土場北幫邊坡X方向位移及Z方向位移實(shí)際變化情況。通過圖4和圖5得到，該邊坡整體穩(wěn)定性突出，雖局部有塑性變形，但通過積極治理、管理，護(hù)腳，穩(wěn)定性得到保障。此時該邊坡體為穩(wěn)定蠕變形態(tài)，并不會短時間出現(xiàn)瞬時滑坡，影響礦山開發(fā)安全性。

從圖6到圖7可以得到，內(nèi)排土場北幫邊坡實(shí)際安全系數(shù)及應(yīng)力云圖，可有效觀察到邊坡變形破壞形式及實(shí)際破壞面。

6 對滑坡現(xiàn)象有效預(yù)防治理

針對以上a礦山開采遇到的問題，提出以下具體防治措施。

（1）對內(nèi)排土場最下部的臺階坡底及采掘臺階坡底間設(shè)置足夠的安全距離，保證開采正常進(jìn)行的同時，也保證排土場自身平整性及穩(wěn)定性，積極修筑截泥設(shè)施及排水設(shè)施，保證開采現(xiàn)場安全性。

（2）內(nèi)排土場需強(qiáng)化邊坡管理工作，對內(nèi)排土場落實(shí)監(jiān)測及科學(xué)管理，采取平整處理方式，對現(xiàn)場出現(xiàn)坡面裂縫的現(xiàn)象要及時填充。開采遇到雨季、春季雨雪剛剛?cè)诨臅r期，尤其需注意對邊坡的管理和控制。要對邊坡積極觀測、巡檢，避免雨水及雪融化后逐漸深入到排土場底板，嚴(yán)重影響排土場實(shí)際質(zhì)量。在旱季對礦山開采，則需注意沉降變形導(dǎo)致的不均勻性，避免沉降嚴(yán)重影響邊坡穩(wěn)定性。

（3）要定期對滑坡區(qū)域的邊坡是否穩(wěn)定切實(shí)分析，若穩(wěn)定性降低或出現(xiàn)異常現(xiàn)象，需及時采取必要防治措施，控制不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生。若滑坡已經(jīng)發(fā)生，要針對滑坡區(qū)落實(shí)緊急安全措施，對滑坡進(jìn)行專業(yè)勘查，對危害評價并設(shè)計(jì)具體治理工程。

（4）邊坡發(fā)生變形破壞后，其自身變形因素較為復(fù)雜，且影響因素具有不確定性，為后續(xù)治理及提前預(yù)防造成諸多不便，需采取必要的邊坡防護(hù)措施，并對邊坡進(jìn)行有效監(jiān)測。對邊坡狀態(tài)實(shí)施監(jiān)控，從而掌握剝采中的邊坡狀態(tài)。在監(jiān)測中國，可通過應(yīng)力監(jiān)測、位移監(jiān)測、地下水監(jiān)測及振動監(jiān)測，有效了解邊坡狀態(tài)。以a礦山開采為例，該礦山開采中布置邊坡的監(jiān)測線10條，設(shè)置40個監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測上以鋼筋混凝土樁設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，采用全站儀配合對應(yīng)RTK、GPS系統(tǒng)對地表位移有效監(jiān)督。

7 結(jié)語

綜上所述，文章通過對a礦山開采中內(nèi)排土場北幫邊坡穩(wěn)定性詳細(xì)分析，通過Bishop計(jì)算出具體的穩(wěn)定系數(shù)為1.22，以FLAC3D軟件計(jì)算出穩(wěn)定系數(shù)為1.25，該內(nèi)排土場北幫邊坡為圓弧式滑坡模式，表示內(nèi)排土場北幫邊坡狀態(tài)相對穩(wěn)定。通過FLAC3D對內(nèi)排土場北幫邊坡數(shù)據(jù)模擬分析，從而有效驗(yàn)證平衡理論是否準(zhǔn)確，結(jié)果發(fā)現(xiàn)邊坡基本處于穩(wěn)定蠕變狀態(tài)，短時間內(nèi)不會發(fā)生滑坡。