基于協同理念的排土場邊坡穩定初析

呂林洪，許 波

(1.昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650000；2.中國銅業有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

露天礦山排土場是堆放剝離廢巖(土)的場所，其穩定性既是一個關系到礦山安全生產的技術問題，又是一個關系到人員生命財產的安全和環保問題。對于一個穩定的系統而言，它的各個系統都是遵循一定的方式協同有次序的運動，即協同發展具有規律性。然而對于露天礦山邊坡非線性的復雜的開放系統，由于其本身規律的不確定性、模糊性和復雜性使得技術人員對協同作用認識不足或缺少認識。由于系統協同發展是有規律的，當土場邊坡系統內部組成部分出現不配套、不和諧可能使得協同作用減弱或超出了協同的范圍，削弱了系統的協同程度。系統中某些參數的漸變將可能導致系統的突發失穩，致使出現了排土場邊坡的局部坍塌、整體失穩等地質災害現象，也就是削弱了系統的協同程度，從而打破原有的平衡破壞系統的協同。因此，進行排土場邊坡系統協同穩定的研究從而避免不協同帶來的地質災害地或土地資源的浪費是十分有必要的。

眾所周知，排土工程是礦山生產的伴隨過程，它不產生直接的經濟效益，但如果排土場邊坡發生失穩垮塌超出系統協同穩定范圍，將會導致礦山大系統的協同出現矛盾，輕則使礦山承受經濟損失，重則影響礦山生產正常運行。排土場是礦山連續生產的一個重要環節，分析排土場邊坡失穩機制，研究排土場邊坡體協同穩定狀態對礦山安全生產至關重要。

邊坡防治工程措施的設計與實施是巖土工程研究的重要內容，它是一套復雜而嚴密的系統工程，行之有效的設計和施工方案，必須建立在對邊坡體結構特征、幾何形態及坡體變形破壞形成演化機制進行系統分析的基礎之上。鑒于露天排土場在礦山生產中的重要地位，文章依托某一具體排土場工程實際，從協同角度出發，考慮邊坡變形和破壞由內外因綜合作用的結果，采用極限平衡和數值仿真模擬方法對該土場邊坡進行了穩定性初析，從而為排土場穩定狀態提供理論支撐，保證礦山安全生產并實現效益最大化。

1 工程概述

排土場壩體軸線部位處侵蝕凹地收斂地段，壩體2側均為厚層狀弱風化的石灰巖，巖層呈弱風化，強度較高。排土場堆置高度94 m，總容量80萬m3，邊坡坡比1：1.7，分為2個臺階，第一臺階堆置高程1 570 m，安全平臺寬6 m，第二臺階堆置高程1 615 m。攔渣壩為M10水泥砂漿砌石壩，壩頂標高1 550 m，基礎標高1 521 m，最大壩高H=29 m(不含清基)，壩頂寬B=3 m，壩體內外坡比均為1：0.5。該排土場堆棄物料主要為采場剝離的棄石土，結構疏松，呈散體狀結構，系統協同性較弱，其典型工程地質剖面圖見圖1。

2 邊坡安全系數規范規程要求

所謂穩定性系數是沿滑動面的抗剪強度與其上的剪應力之比，是客觀存在的，可計算出。安全系數則是穩定性系數的一個閥值，它是參考分析對象的重要性、危害性以及使用時間、參數的不確定性等人為確定的一個系數，嚴格地講安全系數是穩定性系數中的一個點值。穩定性系數是用定值法表示的實際具有的安全儲備，安全系數是用定值法表示的要求達到的安全儲備，是為穩定性系數設定的標準。

《冶金礦山排土場設計規范》(GB51119—2015)中說明，安全穩定性標準應根據排土場等級和計算工況確定。自然工況下(重力、穩定地下水、正常施工荷載的組合)，當排土場等級為三級時，排土場整體安全穩定性標準為1.15～1.20，排土場下游存在村莊、居民區、工業場地等設施時，相應區域排土場安全標準應取上限值；排土場整體穩定性在降雨及地震工況下可在自然工況的標準下降低0.05，最低安全系數不低于1.10。

安全系數是滑坡治理工程設計的重要參數，對安全系數的確定應從滑坡滑動可能造成的后果，治理工程措施目的，地表建筑物的重要性，對滑坡性質、滑動因素、滑體和滑帶巖土結構和強度等因素掌握的準確程度，控制滑坡發展的把握性及其工程修復的難易程度等方面綜合考慮。一般來說，對于規模較小、變形較快且易于查清性質的滑坡，安全系數值可取小值，而對于危害較大，滑動后可能產生嚴重后果，或對滑坡的了解程度不夠深入時，安全系數可以適當取得大一些。

因此，基于排土場失穩對周邊環境的影響程度、范圍和該排土場邊坡的工程特點，按照適度變形設計原則，允許部分破壞思想理念，以滿足礦山經濟性與安全性兼顧的要求并結合上述各規范對邊坡安全系數的要求，同時結合《建筑邊坡工程技術規范》(GB50330—2013)《和滑坡防治工程設計與施工技術規范》(DZ/T029—2006)，確定該排土場邊坡在天然(自重)工況下邊坡安全系數取值為[FS]≥1.20，考慮地震、降雨工況下取值為[FS]≥1.15。

3 極限平衡法下的邊坡協同穩定分析

3.1 理論基礎

極限平衡法的基本思想是假定邊坡沿巖土體內某一確定的滑面滑移，根據靜力平衡原理和摩爾-庫侖破壞準則計算沿該滑裂面滑動的可能性，即安全系數FS的大小，從中選取多個可能的滑動面，并計算相應的安全系數大小，安全系數最小值對應的滑移面就是最可能發生滑動的面。極限平衡法中的安全系數定義為不斷衰減巖土體的剪切強度指標到C′/FS和tanΦ′/FS，使滑面(圓弧面或非圓弧面)整體達到極限平衡態時的強度折減系數即為邊坡穩定安全系數FS。目前極限平衡法主要有瑞典圓弧法，畢肖普法，Janbu法，Sarma法，Spencer法和Morgenstern-Price法等。各種方法不同之處在于相鄰土條間的內力假定條件不同，使超靜定問題變成靜定問題。

結合《冶金礦山排土場設計規范》(GB51119—2015)，當排土場表現為內部進程圓弧破壞時，可采用Morgenstern-price法、Bishop法、Spencer法或強度折減法；當破壞模式為沿表土-基巖或排土體-地基的折線破壞時，可采用傳遞系數法、Janbu法或強度折減法。因此，采用了基于極限平衡理論的Bishop法、Spencer法和Morgenstern-price法對該排土場的穩定狀態進行了初步分析。

3.2 邊坡穩定計算結果分析

建立該排土場穩定性分析2D模型并用極限平衡法對不同工況下的排土場邊坡穩定性進行了計算，得到最危險滑移面位置和安全系數，計算結果見表1。鑒于篇幅所限，該文只列出了降雨工況下Bishop法的計算結果云圖，見圖2。

表1 不同工況下排土場邊坡穩定計算結果

計算結果表明：由表1看出不同方法計算得出的排土場邊坡最危險滑移面穩定性系數只有在天然工況下大于規程要求的安全系數，在考慮外部地震荷載和降雨作用下邊坡體安全穩定性系數均存在不同程度的衰減，已不滿足規范要求超出了協同穩定范圍；由計算云圖發現，最危險滑面表現為貫通整體的滑移，因此應對該土場邊坡采取一定的防護措施以防止其失穩產生地質災害。

4 強度折減法下的邊坡協同穩定分析

4.1 強度折減法原理

極限平衡法同強度折減法的安全系數具有相同的物理意義，強度折減法在本質上與傳統的極限平衡法一致，且實際中許多邊(滑)坡的發生常常是由于外界因素引起巖土體強度降低所致，而強度折減法的提出使得采用數值分析手段計算安全系數成為可能。連續介質快速拉格朗日法(FLAC)具有使用強度折減法求解安全系數的功能，不僅可以得到復雜邊坡的安全系數，而且容易通過臨界狀態的剪應變和節點速度判斷出滑動面的位置，所以越來越廣泛地應用到工程實際中。

Duncan(1996)指出邊坡安全系數可以定義為使邊坡剛好達到臨界破壞狀態時，對土的剪切強度進行折減的程度。這種強度折減技術應用到有限差分中可以表述為：保持巖土體的重力加速度為常數，通過逐步減小抗剪強度指標，將c，φ值同除以折減系數Fsr，得到一組新的強度指標c′，φ′，然后進行有限差分分析，反算及計算直至邊坡達到臨界破壞狀態，此時采用的強度指標與巖土體原有的強度指標之比即為該邊坡的安全系數Fs，公式如下。

(1)

(2)

式中：

c和φ—巖土體的抗剪強度；

ce和φe—折減后保持坡體穩定的極限抗剪強度；

Fsr—強度折減系數。

4.2 強度折減計算結果分析

剪應變率等值線表示剪切破壞面，即邊坡變形潛在滑坡破壞面的位置，見圖3。

通過FLAC2D進行驗算后，安全穩定性系數在天然、地震、降雨下分別為1.24、1.12和1.15，只有天然工況滿足《有色金屬礦山排土場設計規范》要求，在降雨、地震荷載作用下邊坡穩定明顯降低，剪切等值線已從坡腳貫通到坡頂，滑動區域增大，排土場邊坡存在較大的安全隱患超出安全協同范疇。

5 排土場邊坡綜合分析與治理

5.1 與slide極限平衡對比分析

運用極限平衡法和數值仿真模擬法計算了各種工況下排土場邊坡穩定情況，計算結果相互驗證，可提供趨于合理的結論，為排土場穩定提供理論依據。對比極限平衡法計算的結果發現，最危險滑動面基本吻合，兩者所得的安全系數非常接近，最大誤差不超過3 %，表2給出了2種方法不同工況下的安全穩定性系數。

表2 不同方法所得排土場邊坡最小安全穩定性系數表Tab.2 Minimum safety and stability coefficient of waste dump slope obtained by different methods

鑒于上述分析，通過極限平衡和有限差分強度折減得出：邊坡在現狀下滿足協同穩定，安全儲備較大，但考慮降雨、地震作用于排土場時，打破了系統內部各子系統之間平衡，而系統內部通過非線性機制作用改變應力分布狀態、改變結構產生協同現象，使系統形成具有一定功能的自組織結構，宏觀上產生時間結構、空間結構或時空結構，在非平衡態下出現新的有序態而超出邊坡協同穩定范圍，未達到礦山排土場的安全要求，需對排土場邊坡進行適當整治。因此，為保證排土場安全運行應從該排土場邊坡可能發生滑坡作用機理出發從控制工程、抑制工程角度進行有效防治。

5.2 設計、治理原則與理念

考慮排土場工程安全威脅主要是上部排土平臺工程機械和坡腳下游范圍內的村莊、設施等。排土場散體未經分層和碾壓控制，堆排時必出現較大的沉降變形和裂縫，導致局部垮塌和小范圍臺階滑坡，對于這一部分對邊坡體產生的災害，不可能限制其變形，也沒必要。因此，基于該排土場對周邊環境的影響程度和范圍，考慮排土體與地基基礎的協同作用，按照適度變形設計原則，允許部分破壞理念思想，以滿足礦山經濟性與安全性兼顧的要求。

滑坡失穩是多因素綜合作用的結果，但對于某一特定的滑坡總存在對滑坡發生起關鍵控制作用的因素，因此，對于失穩滑坡應根據滑坡失穩緣由采取主要工程措施消除或控制其發展進而穩定滑坡，對其他因素采取一般性輔助措施達到綜合性治理。

5.3 排土場安全運行治理方案

5.3.1 控制工程

(1)完善泄洪系統。鑒于該地區降雨集中且強度高，可在外圍設置多道截水溝以攔截附近的地表水，對于滑坡區域修設排水系統，疏導地表及地下水，防止其滲入滑坡體內而削弱巖土體抗剪強度指標以及增大坡體的下滑力，同時根據工程地質勘查，雨季地下水的影響程度考慮設置盲溝、暗涵等排除地下水最大程度降低降雨對邊坡穩定的影響。

(2)削方減載。削坡減載是治理滑坡常用的方法之一，常用于治理處于“頭重腳輕”狀態而在前方又沒有可靠抗滑地段的滑體。最經濟、最合理的削坡處理措施，應該是在獲得滑坡段滑坡推力及剩余滑坡推力的基礎上，按設計工況條件下滑坡體剪出口處的剩余下滑力來確定削坡位置及其規模。所謂“減重”是指在滑坡體的上部牽引段和部分主滑段產生剩余下滑力的部分挖去一部分滑體巖土，以減小滑體重量和滑坡推力的工程。即減少滑坡體的體積，改變坡體的幾何形態，從而減小滑坡的下滑推力，使滑坡體坡面形成規則的穩定坡面形態，或將第二臺階做成兩個平臺降低排棄高度，從而提高排土場的安全穩定性系數。

5.3.2 抑制工程

建議對排土場坡腳壩體進行相應的加固措施(注漿、抗滑擋墻、預應力錨索等)，從而增加抗滑力，控制排土場邊坡的滑移。

6 結 語

通過對該排土場邊坡穩定性計算分析，極限平衡和數值模擬結果表明，目前排土場邊坡在降雨、地震荷載下表現出不穩定的因素，存在滑坡失穩的趨勢，超出了協同作用的范圍。該排土場邊坡破壞滑坡失穩表現為推移式，滑動面不深且具有上陡下緩形態，可采用削坡減載、排水等控制工程改變滑坡體的物理力學特性，從而減小下滑力進而削減支擋工程數量、節省投資，也為施工安全創造了條件，同時與注漿、擋土墻、樁工程等抑制工程相結合，增加抗滑力，同時結合土場區域工程水文地質條件和外在因素進行滑坡綜合防治，實現經濟安全最大化，以達到穩定滑坡的目的。