近水平軟弱基底排土場變形破壞研究

趙立春，劉德利，王彥卓

（扎魯特旗扎哈淖爾煤業公司，內蒙古 扎魯特 029100）

邊坡穩定性是影響露天煤礦安全生產的重要因素，由于排土場不能人為的自由選址，加還受排土運距、征地困難和環境保護等條件限制，我國大多數露天煤礦排土場就近選址緊鄰采場，有的周圍存在高壓輸電線、礦山公路等重要的建、構筑物，排土場一旦滑坡不僅將造成重大經濟損失，甚至威脅人員的生命安全。排土場穩定性[1-3]研究的難點是確定滑坡模式，排土場由剝離巖土體堆填而成，屬于類均質坡體結構，受基底形態的影響其滑坡模式呈不同形式，簡單基底形態排土場的滑坡模式相對較易確定，如逆傾基底排土場內部多形成沿弧形面滑動的旋轉型滑坡、順傾基底排土場多沿地層分界面形成順層滑坡。排土場邊坡的變形破壞多是由于基底軟弱造成的，此類排土場邊坡，若能在出現滑坡跡象時采取適當的治理措施，是可以避免滑坡災害的發生的[4-5]。

盡管已經有學者對露天礦排土場邊坡的穩定性進行了一定的研究[6-9]，但對于近水平軟弱基底排土場的研究還很少，并且出于前期發展、經濟考慮，排土場一般不做地質勘查，這樣造成對排土場基底地層賦存、地質構造、巖土體巖性、水文地質情況等都不清楚，這大大增加了排土場邊坡問題研究的難度。

1 工程地質概況

扎哈淖爾露天煤礦北排土場自2013 年排棄至2018 年7 月到界，排土場邊坡變形復雜，到界后，排土場發生沉降并向南北兩側滑移，排土場頂部沉降最大11.2 m，平均沉降5 m，排土場南邊坡坡角隆起嚴重，最大隆起12.2 m，平均隆起6.5 m。

掌握邊坡工程地質條件是邊坡穩定性評價、分析以及制定合理滑坡防治措施的前提和基礎。排土場基底下部第1 層為第四系細砂，第2 層為新近系黏土，傾角都為1°～2°為近水平軟弱基底。確定排土場排棄物料及基底巖土體的物理力學參數，可為潛在滑坡模式的初步判定及邊坡穩定性分析提供基礎資料，排土場從上到下巖層分別為排棄物、第四系砂層、新近系黏土層和泥巖基底，各層巖土體物理力學指標見表1，典型計算模型如圖1。

表1 巖土體物理力學指標

圖1 典型計算模型圖

2 排土場穩定性影響因素及潛在的滑坡模式分析

排土場邊坡的內部不存在結構面，其穩定性的主要受排土場基底的工程性質、形態、排土場的高度及角度等因素的影響。排土場覆蓋范圍內基底形態大體分為近水平、順傾、逆傾3 種形態。當排土場基底面的傾向與排棄物邊坡傾向相反時邊坡穩定性較好，相同時穩定性差。如果基底為軟弱巖層而且力學性質低于排棄物料的力學性質時，軟基底在排土場荷載作用下必產生隆起，持續發展導致排土場滑坡。

邊坡穩定性分析的前提是確定滑坡模式排土場邊坡是由松散的碎石土人工堆積而成，因而在本質上可以認為是碎石土材料，這類邊坡的穩定性不僅取決于材料本身的強度，更重要受到排土場基底巖土體抗剪強度、堆積坡度和高度、水流滲透壓力及動水壓力等因素影響。根據扎哈淖爾露天煤礦排土場現狀和基底巖性考慮，以過主滑線位置的剖面為例，判斷其潛在的滑坡模式為推動式的部分切層-順層-擠出性滑動，排土場潛在的滑坡模式分析如圖2。

圖2 排土場潛在的滑坡模式分析

3 排土場數值模擬

結合軟弱基底排土場潛在滑坡模式，考慮到排土場潛在變形區破壞位置確定的復雜性，采用SIGMA/W 有限元軟件數值模擬對排土場穩定性進行分析，通過有限元法應力－應變位移云圖來判斷變形區的發展過程進而確定最危險的變形破壞區。

3.1 模型建立

根據排土場的排土現狀、軟弱基底形態和基巖頂板等高線等地層信息建立數值模擬模型如圖3，模型排土場高度為70 m、砂層厚度45 m，新近系厚度9 m，南北長為1 950 m，各地層從上至下分別為：排棄物料，第四系粉土、新近系黏土，風化泥巖帶。

圖3 數值模擬模型

3.2 數值模擬結果

1）排土場變形分析。通過SIGMA/W 有限元軟件數值模擬得到的軟弱基底排土場變形云圖如圖4，圖4 為排棄高度70 m 下對應的排土場最大變形云圖。受第四系、新近系軟弱基底影響，排棄物料在自身自重的影響變形以沉降、滑移為主。其中模型最大滑移量為24.3 m，坡頂滑移區影響范圍0～350 m，坡底滑移區影響范圍0～320 m；最大沉降為12.4 m，隆起平均4.3 m 坡頂沉降區影響范圍0～730 m，坡底滑移區影響范圍0～200 m。邊坡上部以沉降變形為主，邊坡中部以滑移為主，坡底處以隆起為主。在排土場邊坡上部的推動作用下，中、下部土體出現變形，受軟弱基底的影響，形成類橢球形的變形區，其中排土場邊坡中部的變形區滑移量大于沉降量，其坡底位位于第四系、新近系的軟弱基底層位，由于其力學參數、力學強度相對較小，加上排土場載荷作用的影響，在接近坡底的臨空面位置，軟弱基底產生相應擠出的變形破壞變化，在邊坡坡底位置處產生底鼓現象，同時排土場坡底發生明顯沉降。

圖4 軟弱基底排土場變形云圖

2）排土場穩定性分析。由于前期通過擴大產能、發展建設速度和經濟原因考慮，排土場基底一般不做水文地質和工程地質勘查，這就造成對排土場基底地層賦存、軟弱基底結構面產狀和巖性指標等情況不了解，增加了軟弱基底排土場邊坡問題研究的難度。通過SIGMA/W 有限元軟件得到的軟弱基底排土場邊坡穩定性計算結果圖如圖5，在現階段排棄高度下，通過計算得到邊坡的穩定系數為0.958，處于不穩定狀態，現狀邊坡變形處于初加速和均加速階段，滑坡模式為推動式的部分切層-順層-擠出性滑動，當排土場邊坡暴露時間過長、大氣降雨量與降雨強度及凍融影響下，易造成滑坡，在未滑動之前建議采用坡角處壓腳、坡頂卸荷減載或者兩者方案結合實施治理工程措施。

圖5 軟弱基底排土場邊坡穩定性計算結果圖

4 結語

1）通過有限元法應力－應變模擬可知，排土場排棄設計高度時，受第四系和新近系軟弱基底影響，排土場變形以滑移沉降為主，其中滑移變形量大于沉降變形量。

2）通過有限元法應力－應變計算可知，排土場排棄設計高度時，受第四系和新近系軟弱基底影響，最大滑移量為26 m，坡頂滑移區影響范圍0～350 m，坡角滑移區影響范圍0～320 m；最大沉降為12.4 m，隆起平均4.3 m 坡頂沉降區影響范圍0～730 m，坡角滑移區影響范圍0～200 m。

3）通過有限元法極限平衡計算可知，排土場邊坡的穩定系數為0.958，處于不穩定狀態，現狀邊坡變形處于初加速和均加速階段，滑坡模式為推動式的部分切層-順層-擠出性滑動。

4）現狀邊坡變形處于初加速和均加速階段，當排土場邊坡暴露時間過長、大氣降雨量與降雨強度及凍融影響下，易造成滑坡，在未滑動之前建議采用坡角處壓腳、坡頂卸荷減載或者兩者方案結合實施治理工程措施。