露天礦松散介質(zhì)排土場邊坡在SlGMA/W下應力及穩(wěn)定性分析研究

王德忠，吳 燃

(1.山西工程職業(yè)學院，山西 太原 030031；2.山西忻州神達能源集團有限公司，山西 忻州 034000)

我國露天礦山開采和剝離工程中形成了大量的排土場，排土場主要由松散介質(zhì)構(gòu)成，松散介質(zhì)是介于流體和固體的一種物質(zhì)，在干燥狀態(tài)下松散顆粒體屬于固體，在雨水和飽水狀態(tài)下松散體變成了流體狀態(tài)[1]。近幾年我國北方雨水也明顯增多，在雨季這些排土場邊坡給人民的生產(chǎn)和生活帶來了極大的安全隱患，主要隱患為滑坡和泥石流。本文通過分析北方某露天礦排土場邊坡穩(wěn)定性因素、邊坡類型和形成機理，結(jié)合現(xiàn)場實測圖，利用SIGMA/W有限元分析軟件求解排土場邊坡體線彈性變形問題，用總應力法和有效應力分析方法進行軟土固結(jié)分析，以及排土場邊坡排水措施的固結(jié)分析，最后計算得出該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，對今后此類型排土場邊坡治理提供理論依據(jù)。

1 影響排土場穩(wěn)定性的主要因素分析

通過現(xiàn)場調(diào)研分析，該露天礦排土場排棄物料松散，凝聚力較小，在干燥狀態(tài)下松散顆粒體屬于固體，穩(wěn)定性尚可，在雨水和飽水狀態(tài)下松散體變成了流體狀態(tài)。排土場中的部分泥巖及砂質(zhì)泥巖遇水強度明顯減弱，排土場穩(wěn)定性降低。影響排土場穩(wěn)定性的主要因素有：基底、地表及第四系潛水和排棄物料荷載等[2]。

1.1 排土場基底

根據(jù)該礦邊坡巖土工程勘察報告，外排土場基底巖性主要為第四系等，基底巖性強度較高，穩(wěn)定性較好，但整體邊坡要做好防水與排水。

1.2 潛水因素

由于大氣降水及地下水為上升等因素引起的排棄物含水增加，排棄物和基底力學強度指標出現(xiàn)明顯弱化，增加了邊坡滑坡體的下滑力，減小了抗滑力，從而穩(wěn)定性降低。

1.3 排棄物荷載作用

露天礦排土場排棄堆積高度越高、排土場邊坡角越陡，對基底壓力越大，越容易產(chǎn)生底鼓，從而降低了邊坡穩(wěn)定性。

2 排土場邊坡滑坡模式分析

松散介質(zhì)排土場邊坡地基軟弱層滑坡的破壞機理主要是其下部基底巖土體內(nèi)存在軟弱地層和軟弱結(jié)構(gòu)面，當外部應力超過滑面抗剪強度，致使其地基不穩(wěn)定體沿剪切滑移面下滑，從而引起松散介質(zhì)排土場邊坡失穩(wěn)[3]。松散介質(zhì)排土場邊坡內(nèi)部滑坡主要發(fā)生原因是其內(nèi)部抗滑面發(fā)生了剪斷，導致松散介質(zhì)排土場邊坡抗滑力下降，從而發(fā)生了滑坡。

根據(jù)現(xiàn)場分析，該露天礦存在兩種潛在滑坡：

（1）沿排土場地下部的軟弱夾層發(fā)生的滑坡，排土場地內(nèi)部含有軟弱層時，隨著排棄物的堆積高度不斷增加，一旦坡體的自身荷載超過下部軟弱層的承載能力，排土場邊坡將會沿著場地下部的軟弱層發(fā)生滑坡。

（2）排土場邊坡表層的局部坍塌、錯動，由于排土場的局部堆積坡度過大，若上部繼續(xù)進行堆積時，有可能打破局部應力平衡，引發(fā)坡體錯動，形成新的應力平衡狀態(tài)。

3 模型建立

首選選取合適的外排土場邊坡驗算剖面，該現(xiàn)狀邊坡高184m，邊坡角20°，根據(jù)排土場邊坡現(xiàn)狀情況進行SIGMA/W模型建立。本項目穩(wěn)定系數(shù)的確定主要按照《露天礦設計規(guī)范》(GB50197-2015)有關(guān)規(guī)定，確定外排土場邊坡服務年限大于20年，確定穩(wěn)定系數(shù)為1.2。

由于傳統(tǒng)的剛體極限平衡理論沒有考慮巖土體內(nèi)部的應力應變關(guān)系，無法分析邊坡變形對邊坡穩(wěn)定性的影響。因此，本項目采用專業(yè)的有限元邊坡分析軟件SIGMA/W軟件來分析邊坡巖體的應力情況，揭示滑坡機理。根據(jù)實際邊坡剖面建立模型，SIGMA/W模型見圖1所示。

圖1 邊坡體模型示意圖

4 排土場邊坡剪力應變分析

從圖2該排土場邊坡剪力應變云圖可以看出該邊坡坡腳出現(xiàn)小面積應力集中現(xiàn)象，主要原因是在露天開采的影響和排土場持續(xù)排放廢棄物的情況下應力會發(fā)生重新分布，具體為坡面處的水平應力和垂直應力都比較小，而坡腳處的水平應力則相對較高。由于應力分布差別的結(jié)果，坡腳處水平應力顯著提高，局部出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，造成了邊坡穩(wěn)定性下降，甚至出現(xiàn)失穩(wěn)崩塌滑坡等不良后果。因此，露天礦生產(chǎn)時要時刻關(guān)注松散介質(zhì)排土場邊坡內(nèi)部的應力分布情況，必要是要對其進行加固處理。

圖2 剪切應力應變云圖

5 排土場邊坡穩(wěn)定性計算

通過對該露天礦的現(xiàn)場實地踏勘，針對其外排土場邊坡，通過運用極限平衡法（Bishop法和Morgenstern-Price法）和數(shù)值模擬對其邊坡穩(wěn)定性進行了全面驗算分析，驗算模型如圖3、圖4所示，極限平衡驗算下該排土場邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.202，符合相關(guān)規(guī)范，通過摩爾應力圓驗算，該排土場邊坡總應力在節(jié)點50，未出現(xiàn)大面積應力集中現(xiàn)象。

圖3 極限平衡驗算示意圖

圖4 摩爾應力圓示意圖

采用極限平衡法與有限元分析法對該露天礦山外排土場現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性進行了分析評估，得出了外排土場基底基本穩(wěn)定，外排土場邊坡潛在的滑坡模式為圓弧型滑面和圓弧直線型滑面，數(shù)值模擬、驗算結(jié)果均大于1.2，滿足《煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范》（GB50197-2015）中6.0.7規(guī)定要求，詳細計算結(jié)果見下表。

表1 穩(wěn)定性計算結(jié)果表

6 現(xiàn)場監(jiān)測方案

邊坡的穩(wěn)定性涉及地面設施的安全及生產(chǎn)的連續(xù)性。鑒于邊坡變形破壞的復雜性和影響因素的不確定性，除了采取必要的邊坡防護措施外，還須實施邊坡監(jiān)測，以實時掌握剝采過程中邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)，對于避免滑坡災害的發(fā)生具有重要意義。常用的邊坡監(jiān)測內(nèi)容有應力監(jiān)測、位移監(jiān)測、地下水監(jiān)測、震動監(jiān)測等，本項目擬采用全站儀配合RTK監(jiān)測地表位移。

6.1 位移監(jiān)測

邊坡從受到力的作用變形到最終破壞，通常要經(jīng)歷一個相當長的演化過程。邊坡失穩(wěn)的發(fā)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(xiàn)象，包括邊坡地表的位移、地面裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展、地下滑動面的形成等，通過位移監(jiān)測，可實時掌握這些現(xiàn)象的發(fā)生發(fā)展過程。目前采用的礦山邊坡位移監(jiān)測手段主要有地表位移監(jiān)測和地下位移監(jiān)測，而地表位移監(jiān)測由于容易實現(xiàn)應用十分廣泛，設備的可操作性和精度也相對較高。

6.2 監(jiān)測網(wǎng)的建立及監(jiān)測管理措施

（1）監(jiān)測網(wǎng)的建立

監(jiān)測網(wǎng)的布置形式可分為正方格網(wǎng)、任意方格網(wǎng)、十字交叉網(wǎng)、射線網(wǎng)和基線交點網(wǎng)等5種。采用何種監(jiān)測網(wǎng)要根據(jù)觀測區(qū)的地形條件確定。

監(jiān)測網(wǎng)的形成應不但在平面上，更重要的應體現(xiàn)在空間上的展開布置，監(jiān)測網(wǎng)的形成可能是一次完成，也可分階段按不同時期和不同的要求形成。主滑面和可能滑動面上、地質(zhì)分層及界限面，不同風化帶上都應有測點，可能形成的滑動帶，重點監(jiān)測部位和可疑點需加深加密布點。這樣可以使監(jiān)測工作在不同階段做到有的放矢，在邊坡工程監(jiān)測的過程中，監(jiān)測方案必須隨時調(diào)整，使能有效地監(jiān)測邊坡工程的巖土變形的動態(tài)變化和發(fā)展趨勢，具體了解和掌握其演變過程，及時捕捉崩滑災害的特征信息，預報崩滑險情，防災于未然，同時為危巖的穩(wěn)定性評估和防治提供可靠依據(jù)。

（2）邊坡監(jiān)測管理措施

邊坡的安全管理與采礦作業(yè)的安全息息相關(guān)，因此應加強排土場的邊坡監(jiān)測和管理，防止滑坡、坍塌、泥石流等地質(zhì)災害發(fā)生。

礦山應成立邊坡管理小組，選派技術(shù)人員或有經(jīng)驗的工人專門負責邊坡監(jiān)測和管理工作。邊坡監(jiān)測工作主要是建立邊坡監(jiān)測管理系統(tǒng)，定期進行地表、地下位移監(jiān)測，掌握第一手資料，所有邊坡安全檢查均應做好記錄，由專職安全員歸檔，應用計算機進行邊坡位移分析，每個月作出邊坡監(jiān)測分析報告。邊坡管理工作主要是邊坡專業(yè)技術(shù)人員日常對排土場等邊坡進行檢查，加強生產(chǎn)現(xiàn)場管理，嚴禁出現(xiàn)超高臺階，加強工作面水的管理，如發(fā)現(xiàn)不按設計施工或違反規(guī)定以及出現(xiàn)滑坡險情時，有權(quán)責成兩礦及時處理。邊坡監(jiān)測或現(xiàn)場檢查有重大滑坡征兆等緊急情況時，邊坡管理人員有權(quán)停止有滑坡險情或險情危及區(qū)域的生產(chǎn)或施工作業(yè)，并向礦山負責人報告，保證生產(chǎn)安全。

6.3 應力監(jiān)測

巖體在力的作用下產(chǎn)生變形，內(nèi)部應力狀態(tài)發(fā)生變化，當應力達到巖體強度時，巖體發(fā)生破壞。因此，監(jiān)測巖體應力是一種積極主動的監(jiān)測措施，對及時掌握滑坡動態(tài)和采取治理措施至關(guān)重要。

7 結(jié)論

（1）由于露天礦開采和排土場持續(xù)排土擾動，排土場邊坡應力會發(fā)生重分布，坡腳處水平應力顯著提高，局部出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，造成了邊坡穩(wěn)定性下降，甚至出現(xiàn)失穩(wěn)崩塌滑坡等不良后果。

（2）排土場排棄物料松散，凝聚力較小，在干燥狀態(tài)下松散顆粒體屬于固體，穩(wěn)定性尚可，在雨水和飽水狀態(tài)下松散體變成了流體狀態(tài)。排土場中的部分泥巖及砂質(zhì)泥巖遇水強度明顯減弱，排土場穩(wěn)定性降低。

（3）通過SIGMA/W軟件對該露天礦松散介質(zhì)排土場邊坡進行數(shù)值模擬，其驗算結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范要求，得出了外排土場基底基本穩(wěn)定，研究結(jié)果為類似條件排土場穩(wěn)定性治理提供了思路。

（4）排土場邊坡穩(wěn)定性通過監(jiān)測巖體應力是一種積極主動的防治措施，對及時掌握滑坡動態(tài)和采取治理措施至關(guān)重要，因此加強邊坡變形監(jiān)測工作，及時掌握邊坡變形的動態(tài)情況和規(guī)律，對采場、排土場邊坡進行實時監(jiān)測，專人監(jiān)管，一旦發(fā)現(xiàn)滑坡跡象，應立即撤離人員設備，對于出現(xiàn)的任何局部、小規(guī)模的邊坡坍塌滑落還要進行專門的勘察、評估與治理工程設計。