等厚土層排土場在飽水地震狀態下的穩定性分析及治理措施

郝勇浙，劉躍忠，張飛，王昊，田睿

(1.內蒙古科技大學 礦業研究院， 內蒙古 包頭市 014010；2.內蒙古豐沃工程技術咨詢有限公司， 內蒙古 呼和浩特市 010000)

礦山排土場易形成泥石流、滑坡等災害[1]，隨著露天礦山的開采向深部發展，排土場的堆排高度和容積越來越大，發生災害的概率和嚴重度也隨之增加[2]。排土場的滑動破壞，會嚴重威脅到邊坡上部及下部采礦作業及安全生產的安全，還可能會造成巨大的經濟損失及人員傷亡[3]。因此，無論從經濟效益角度還是從安全生產角度，對露天礦排土場穩定性給予精確的評價并提出合理的治理措施顯得異常重要[4]。對于露天礦而言，保證露天礦山的安全生產首先應保證其排土場在服役期間的安全穩定。本文考慮一個典型剖面在是否飽水和地震的幾種工況下，采用GeoStudio巖土工程軟件傳統的極限平衡法對邊坡穩定性進行了分析，分別采用Bishop法和Morgenstern-Price法對排土場現狀進行了研究；在對現狀排土場進行分析后，提出了分臺階允許局部滑坡的治理方案，提高了排土場的穩定性。目前對于排土場治理措施的研究方法主要為在排土場現狀的基礎上進行數值分析，結合現場實際情況，提出針對性的治理措施[5]。

1 排土場邊坡現狀

目前該礦每年排巖量約360萬m2，排土場每5年高度增長約18 m。近10年排土位置處于排土場南部，最高標高1724 m，廢石最大厚度約為74 m。

現階段，排土場分為東西2個，2個堆場一路之隔。西排土場原地表北部標高約1679 m，南部標高約1650 m。西排土場分為1681，1692，1707，1724 四個平臺。1666 m～1681 m 坡角為 55°～65°，1681 m～1692 m 坡角為 46°～56°，1692 m～1707 m坡角為 43°～53°，1707 m～1724 m 坡角為 43°～53°。未做坡面工程；東排土場原地表北部標高約1661 m，南部標高約1649 m。分為 1661，1668，1680，1706，1715，1720 六個平臺。1661 m～1668 m坡角為 43°～53°，1668 m～1680 m 坡角為 38°～45°，1680 m～1706 m 坡角為 43°～53°，1706 m～1715 m坡角為32°～40°，1715 m～1720 m坡角為32°～40°。北坡坡面工程覆土厚度為20 cm～50 cm，南坡未做坡面工程。為滿足礦山安全生產的需要，石寶鐵礦對排土場北坡進行了削坡處理，處理后的排土場北邊坡與采坑南幫邊坡連成整體，排土場北坡東部坡腳偏大，且安全平臺寬度偏小。

排土場剖面地層巖性按成因及巖性的不同分為3層：

（1）碎石（Q4ml）：碎石土，直徑為0.1 cm至30 cm的碎石塊為混砂土，近5年堆填，稍濕，呈松散—稍密狀態。其層厚約7 m，層底標高為1702.37m～1711.09 m。

（2）碎石（Q4ml）：碎石土，直徑為0.1 cm至30 cm的碎石塊為混砂土，5～10年前堆填，稍濕，呈中密狀態。其層厚約18 m，層底標高為1684.37 m～1693.09 m。

（3）碎石（Q4ml）：碎石土，直徑為0.1 cm至30 cm碎石塊為混砂土，近10年前堆填，稍濕，中密～密實狀態。其層厚約35 m，層底標高為1650.05 m～1679.50 m。

由相關生產勘察報告可知，F12、F18斷層產狀及位置，因 F12、F18斷層投影到本次剖面圖后距離本次研究不利區域及地層很遠，故本次計算暫不考慮F12、F18斷層這一因素。

2 排土場防治方法

露天排土場治理方法通常有3種：第一種是削坡減載，降低坡角，通過開挖邊坡上部碎石降低邊坡角，并將塊度較大的石塊放置于坡腳處以增加邊坡的抗滑動能力；第二種是加筑人工阻擋物，如擋土墻、抗滑樁等；第三種是通過在軟弱層添加力學性質較好的巖石的方式以此來增加其抗滑能力[6-9]。由于本排土場之前有序排土，為等厚土層，其軟弱層分布均勻，一般排土場經過長期堆排，采用人工加固的方法不僅成本高，且施工困難[5]。因此， 石寶鐵礦排土場邊坡防治措施應采取上部減重、增加臺階個數、減緩邊坡角、疏干排水與內排工程相結合的綜合措施。

3 排土場邊坡穩定性分析及治理措施

3.1 初始狀態下排土場邊坡穩定性分析

此次分析選取排土場南部剖面，臺階上部有鱷式破碎機，一旦滑坡會造成機器損毀或人員傷亡，加之降雨對排土場的侵蝕，使得南部排土場邊坡的穩定受到威脅，地質模型見圖1。

圖1 地質模型剖面

如圖1所示，剖面處臺階高度為60 m，臺階剖面角為41°，土層分為3層，從上至下土層厚度分別為7 m，18 m，35 m。

排土場堆積物以礦山生產剝巖的廢石為主，黃褐色～灰黑色，呈干～稍濕、稍密～中密狀態。結合現場工程地質調查、已有地質資料以及文獻資料[10-12]，選取計算模型的力學參數見表1。

表1 物理力學參數

依據項目所處排土場周邊環境和地質條件，采用GeoStudio巖土軟件進行建模分析，計算自然條件下和飽和地震條件下的排土場穩定性系數，研究其排土場邊坡的穩定性變化情況。計算結果見圖2～圖3。

圖2 計算剖面自然狀態下計算結果

根據《構筑物抗震設計規范》（GB 50191—2012），達爾罕茂明安聯合旗抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05 g。

根據《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013）確定該排土場邊坡安全等級為三級，排土場南部邊坡Fst=1.15，根據《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013）中邊坡穩定性劃分見表2。

根據表2可知，計算剖面邊坡在正常條件下的穩定系數高于1.15，處于穩定狀態，在飽和地震狀態下的穩定系數低于1.15，處于不穩定狀態，發生滑坡，需要進行削坡減載，降低最終邊坡角來提升邊坡穩定性。

圖3 計算剖面飽水和地震狀態下計算結果

表2 邊坡穩定性劃分

3.2 削坡減載后的排土場邊坡穩定性分析

為了項目安全生產的需要，根據上述計算結果，需要對計算剖面邊坡進行相應的治理。結合石寶鐵礦排土場實際情況，采用分臺階削坡減載降低邊坡角的治理方案。

考慮最小安全平臺為5 m，選擇在平臺寬度b=8 m的情況下，計算2種工況下飽和地震狀態下的邊坡穩定性。削坡后的地質模型見圖4。其臺階參數H1=H2=30 m，臺階邊坡角為41°，最終邊坡角為38°。其計算結果見圖5。

圖4 削坡后地質模型剖面

由圖5可知，在飽和地震狀態的工況條件下，其計算排土場邊坡在上部臺階存在滑坡的風險，但其整體穩定性良好。

圖5 計算剖面飽水和地震狀態下計算結果

3.3 治理措施

根據上述計算得知，排土場邊坡在削坡減載后的飽和地震狀態下的整體穩定性屬于基本穩定狀態，但上部臺階存在滑坡風險，仍需進行進一步治理，所以提出允許局部滑坡的治理措施。由于基本穩定的上部臺階允許垮落，且其滑落體對下部臺階的邊坡穩定性不產生影響，這就要求安全平臺有足夠的寬度承接上部垮落的巖石而不影響下部臺階邊坡穩定性。

根據分析計算，上部臺階邊坡滑坡后形成的堆積體在安全平臺上堆體寬度為8 m?？紤]最小安全平臺為5 m，綜合考慮其平臺寬度為15 m，圖6為滑坡后邊坡模型圖。其計算結果及分析見圖7～圖8。

圖6 滑坡后邊坡模型

由圖7可知，允許上部臺階局部滑落后邊坡穩定性在飽水和地震狀態下達到穩定。

根據圖8可知，在飽水和地震狀態下的初始狀態邊坡處于不穩定狀態，經削坡減載后，安全系數有所提升，但依然存在滑坡的風險，在保證留有5 m安全平臺的基礎上允許滑坡后，邊坡穩定性系數在1.15以上，滿足安全生產要求，并提高了邊坡穩定性。

圖7 允許滑坡后邊坡飽水和地震狀態下計算結果

圖8 兩種方法在飽水和地震狀態下的邊坡穩定系數

4 排土場邊坡監測

露天排土場邊坡穩定性十分重要，一旦邊坡失穩破壞，將嚴重威脅工作面的人和設備安全。為及時掌握邊坡穩定性情況，設計并建立地表監測系統進行邊坡變形監測[13]，以實時掌握剝采過程中邊坡的穩定性狀態，這些對于避免滑坡災害的發生具有重要意義。

（1）位移監測。邊坡從受到力的作用變形到最終破壞，通常要經歷一個相當長的演化過程。邊坡失穩的發展過程，往往伴隨著一系列邊坡地表、地下的宏觀與微觀變形現象，包括邊坡地表的位移、地面裂縫的出現和發展、地下滑動面的形成等，通過位移監測，可實時掌握這些現象的發生發展過程。

（2）邊坡監測管理措施。項目應成立邊坡管理小組，選派技術人員或有經驗的工人專門負責邊坡監測和管理工作。邊坡監測工作主要是建立邊坡監測管理系統，定期進行地表、地下位移監測，加強生產現場管理，加強工作面水的管理，如發現不按設計施工或違反規定以及出現滑坡險情時，應及時處理。邊坡監測或現場檢查有重大滑坡征兆等緊急情況時，邊坡管理人員有權停止有滑坡險情或險情危及區域的生產或施工作業，并向礦山負責人報告，以保證生產安全。

5 結語

本文通過對包頭市某露天礦排土場南部邊坡的穩定性進行研究，得出以下結論：

（1）依據項目所處排土場周邊環境和地質條件，根據計算結果得出，計算剖面邊坡在正常條件下處于穩定狀態，在飽水狀態和地震狀態下處于基本穩定狀態；

（2）在建模分析之后，由于在飽水和地震狀態下的排土場邊坡存在安全隱患，并在削坡減載后采取允許滑坡的邊坡治理手段，為其他類似邊坡提供參考；

（3）在進行安全分析計算的同時，還應加強對該邊坡的實時監測，及時掌控邊坡的位移變形數據，以確保排土場邊坡的穩定安全。