高寒地區露天礦排土場穩定性分析研究*

李 鋼

(中國安全生產科學研究院，北京 100012)

0 引言

露天開采已成為淺埋固體礦山的主要開采方式，露天開采所剝離的巖土量巨大，目前主要采用排土場進行堆排。露天排土場占地面積大、堆積體松散，其穩定性影響因素復雜，一旦失穩必然引發重大礦山事故。因此，研究排土場穩定性問題十分重要[1]。

高寒地區氣溫低、晝夜溫差大，土石混合物因凍融循環所導致的物理力學性能劣化是影響露天排土場穩定性的關鍵性因素之一。凍融循環主要影響巖土體內部結構，因巖石風化不完全及內部含水等因素，使巖土體中存在大量不規則且尺度較大的孔隙，這些孔隙結構直接影響排土場的物理力學特性[2]。高寒地區排土場的凍融循環導致巖土體內部裂隙發生改變，從而引起孔隙結構破壞甚至損壞巖土體完整性，并最終導致邊坡失穩。其破壞規律對于散體物料在寒區的破壞機理研究十分重要，同時對于工程災害防治等具有重要指導意義[3-5]。目前，針對排土場破壞機理與防治技術的研究多集中于常溫地區[6-8]，對高寒地區凍融循環條件下排土場的穩定性研究尚有不足。本文以烏努格吐山銅鉬礦排土場為工程背景，通過測定凍融環境下巖土體物理力學參數，開展凍融循環條件下高寒地區排土場的穩定性研究，并提出相應防治技術措施，研究結果可為寒區礦山安全開采提供技術保障。

1 工程地質概況

烏努格土山銅鉬礦區位于滿洲里市西南22 km，地處高緯度地帶，屬干旱型寒溫帶，冬季嚴寒且春季有暴風雪，年平均氣溫為-0.71 ℃，冬季平均氣溫為-19.64 ℃，最低為-42.7 ℃，凍土最大深度為3.89 m。礦區上部淺埋礦體采用露天開采，目前北礦段露天開采標高+870～+810 m，臺階邊坡角約60°。為節省成本縮短排土距離，排土場布置在露天礦南側，距離溝口距離為0.35 km。該區溝壑寬闊，溝底坡度平緩，縱坡1∶4～1∶5，較適于堆放露天廢石土料。根據工程地質勘探報告，在鉆孔揭露的深度范圍內，將地層由上至下劃分為耕土(Q4)、黑云母花崗巖(γβ)和花崗斑巖(γπ)3層。排土場地基工程地質條件良好，無不良地帶和凍漲危害。烏努格土山銅鉬礦排土場如圖1所示。

圖1 烏努格土山銅鉬礦排土場Fig.1 Waste dump of Wunugetushan copper and molybdenum mine

根據設計資料，排土場分臺階堆放，最低排放標高+710 m，頂標高+930 m，總堆高220 m。臺階高度25～30 m，安全平臺寬度15 m，臺階坡面角為自然安息角34°，最終邊坡坡腳27°，排土場總容積為111 860萬m3?？紤]排土場的復墾，臺階高度15.0 m、安全平臺寬度7.5 m、臺階坡比1.0∶2.5，最終邊坡1.0∶3.0，排土場總容積110 868萬m3。

2 巖土體物理力學參數測定

2.1 現場取樣與試樣制備

受重力影響，排土場不同粒徑的顆粒自然狀態下堆積在豎直方向，呈一定規律性。顆粒較大的塊石順坡滑至坡腳，顆粒小的則堆積于坡頂，排土場中間粒徑分布相對復雜，但基本以中等粒徑物料為主，且符合從下到上粒徑由大變小的規律。為保證試驗的準確性，分別在排土場上、中、下部取現狀土堆下深1 m處的土體5～10 kg，試驗測得其含水率為2.1%。影響排土場穩定性主要因素是排土場碎石物料的級配，但因排土場物料粒徑較大，很難直接測其抗剪強度，故采用縮尺法對烏努格吐山銅鉬礦排土場的散體物料進行凍融循環試驗和小三軸抗剪強度測試，縮放尺度為原基礎試樣的10倍。

2.2 散體凍融循環試驗

對試樣進行10次凍融循環試驗，測試巖土體黏聚力與內摩擦角。將稱取的物料按照測試粒徑分布與含水率制成若干試樣，放入15 ℃的養護箱中養護1 d并保證其含水率不變；再將試樣轉入冷凍設備進行冷凍，溫度設為-15 ℃，冷凍時間為12 h，此為1次凍融循環。共連續進行10次試驗，分別測其抗剪強度。凍融循環試驗箱如圖2所示[9]。

圖2 凍融循環試驗箱Fig.2 Test chamber of freeze-thaw cycle

2.3 散體抗剪強度測試

采用固結不排水方法對試樣進行剪切測試。三軸抗剪強度試驗如圖3所示。將指定循環次數的凍融試樣混合均勻，分5層填入制樣筒，層與層之間盡量用細粒徑顆粒以防止離析，撒細顆粒后并整平試樣頂面；施加固結圍壓σ3分別取100，200，300 kPa，讀排水量管讀數；慢慢打開排水閥，使試樣中的水通過頂帽流入量水管，使孔隙壓力慢慢消散；當量水管水面基本穩定后，孔壓消散為0(<5 kPa)，即固結完畢。

圖3 三軸抗剪強度試驗Fig.3 Triaxial shear strength test

關閉排水閥，并記錄排水量管及孔壓表讀數。剪切應變速率控制在0.05%～0.10%，當試樣應變每產生垂直應變0.5 mm時，記錄量力環表及孔壓表讀數。當出現峰值后，繼續剪切3%～5%的垂直應變，若量力環表讀數無明顯減少，則垂直應變進行到15%～20%為止，此為1組數據。根據不同圍壓下試樣的抗壓強度，運用摩爾-庫侖破壞準則，間接得到凍融循環下式樣黏聚力與內摩擦角，見表1。

表1 凍融循環下物料黏聚力與內摩擦角Table 1 Cohesion and internal friction angle of material under freeze-thaw cycle

2.4 試驗結果分析

由表1可知，隨凍融循環次數增加，散體物料的黏聚力和內摩擦角均呈一定規律性：黏聚力c在第1次凍融過程后大幅度降低，但在3次凍融以后趨于穩定；內摩擦角φ在第2次凍融后有所下降，但在第3次凍融時突然增大，后隨凍融次數增加逐漸趨于穩定。由上述試驗數據可知，前3次凍融循環對散體物料的抗剪強度影響顯著，后期影響趨于穩定，因此，寒區排土場穩定的前期防治尤為關鍵。

3 排土場邊坡穩定性分析

邊坡穩定性理論分析包括定性分析與定量分析2類。定性分析主要包括工程類比法與圖解法，主要通過現場地質條件探測，分析邊坡破壞形式與失穩機制，并根據現有經驗等對邊坡穩定性進行解釋[10-11]。定量分析主要有極限平衡法、有限元法與可靠度分析法，3種方法通過計算可判斷邊坡是否處于穩定狀態，并得到邊坡的安全系數。

烏努格土山銅鉬礦排土場近似三角形，其剖面截圖如圖4所示。取各個角與邊上具有代表性的6個剖面進行分析，各剖面截取及簡化圖如圖5所示。通過GeoStudio軟件中SLOPE-W模塊對所取剖面可能發生滑移的面進行計算，得到相對應安全系數，其中安全系數最小的滑移面即為最危險滑移面。

圖4 排土場剖面截圖Fig.4 Cross-sectional view of waste dump

圖5 各剖面截取及簡化圖Fig.5 Interception and simplified drawings of each section

GeoStudio軟件是1款用于地質工程和地質環境計算的數值模擬軟件，軟件中SLOPE/W模塊基于極限平衡法可模擬得到巖土結構體在水壓力作用下的安全系數和臨界滑動面位置。將簡化的6個剖面導入SLOPE-W模塊，基于表1試驗參數對模型賦值，通過瑞典條分法、畢肖普法與簡布法計算安全系數Fs并進行對比分析[10-11]。排土場極限平衡計算結果如圖6所示。安全系數匯總見表2。

由表2可知，在無地下水影響時，6個剖面的安全系數均較高，普遍大于1.2并處穩定狀態；存在地下水影響時，各剖面安全系數普遍減小，尤其是剖面E-E，存在地下水時坡面處于危險狀態，無論是瑞典條分法、畢肖普法還是簡布法計算的安全系數均小于1，理論上一定會產生滑坡，需采取必要防范加固措施。

表2 安全系數匯總Table 2 Calculation results of safety factor

4 滑面判定與治理

以烏努格吐山銅鉬礦排土場凍融循環前后的物理參數變化為基礎，采用GeoStudio計算特定邊坡剖面安全系數以及最危險滑移面位置，通過FLAC3D有限元分析該剖面在參數變化下的滑坡規律，為滑坡治理工作提供依據。

4.1 模型建立

本文主要運用FLAC3D中Extrusion功能進行建模。

排土場模型(E-E剖面)如圖7所示。模型采用笛卡爾坐標系，長350 m，寬1 000 m，高85.6 m，網格單元數6 680，節點個數7 770。本構關系選用Mohr-Coulomb模型，原理是當材料內部某點發生滑移時，該面上的切應力τn不但要克服分子內部黏聚力，還要克服正應力σn在該點所在平面產生的摩擦力。邊界條件設置為約束模型底部不讓其進行縱向位移，模型左右前后邊界進行橫向約束，計算時只考慮模型自重，然后進行平面應變分析，其頂面為自由面。

圖7 排土場模型(E-E剖面)Fig.7 Waste dump model (section E-E)

4.2 參數選取

由GeoStudio二維極限平衡理論計算可知，有水存在時邊坡安全系數降低，滑移面隨之發生變化，從而產生不同的破壞形式。試驗選取凍融循環0次無水和凍融循環10次含水作為數值計算基本參數。在二維極限平衡計算過程中，假定其他條件不變，僅考慮凍融循環條件下改變其物理力學參數，觀察邊坡的破壞形狀與趨勢。物理力學參數見表3。將有限差分方法與二維極限平衡理論的計算結果進行對比，找出二者差異性，并提出對應治理措施。

表3 物理力學參數Table 3 List of physical mechanics parameters

4.3 結果分析

根據FLAC3D數值模擬結果可知，排土場潛在滑面與二維GeoStudio的極限平衡計算結果基本一致。

1)凍融循環后邊坡的塑性區相對凍融循環前明顯增大，且呈現圓弧滑面破壞趨勢。凍融循環后，排土場邊坡在圓弧剪切應力作用下，巖土體逐漸產生裂隙變化，裂隙貫通后將導致滑移。

2)無水條件下，雖剪切應力與GeoStudio計算結果大體相同，但在二維極限平衡計算中，通過預設排土場滑面，可計算出相應安全系數；凍融循環前后剪切應力分布基本相同，與GeoStudio計算結果基本吻合。二維極限平衡計算剖面A-A處于欠穩定狀態，當凍融循環后剖面E-E安全系數小于1而產生滑動，與FLAC3D應力計算相吻合。

3)凍融循環前后，剖面E-E的巖土體在垂直方向位移明顯增大，與GeoStudio計算的滑面吻合，最危險滑面基本沿計算滑移面滑動。數值計算結果(E-E剖面)如圖8所示，研究結果可為剖面E-E的滑坡治理提供理論依據。

圖8 數值計算結果(E-E剖面)Fig 8 Results of numerical simulation (section E-E)

4.4 滑坡治理

根據GeoStudio與FLAC3D計算結果可知，滑面形狀大體相同。邊坡一旦發生滑坡事故，不但會改變排土場整體結構，還將威脅場地人員安全。因此，需要依據計算的最危險滑面，采取相應防治措施，對不穩定區域進行加固處理。

1)水對排土場穩定性影響大，水的存在將導致邊坡安全系數大幅下降，故消除暴雨積水等對排土場穩定性的影響，對確保截洪溝、截水溝、排水溝和排土場底部排水構造的完整性十分必要。

2)削坡治理。根據烏努格吐山銅鉬礦排土場現場實際情況，在凍融循環條件下，剖面E-E為最危險滑移面，可采取削坡的方法對其進行滑坡治理。利用GeoStudio軟件對逐步削坡后的邊坡進行模擬，并計算安全系數，如圖9所示?；泼嬷饕诘?個臺階，而第2臺階的坡腳為37°，故采用2°的臺階差角對其進行削坡，一步削坡后邊坡安全系數為0.977，二步削坡后為1.116，三步削坡后增為1.383。由圖9可知，隨坡角削減，邊坡安全系數由0.929增至1.383，由危險滑移面變為穩定狀態，驗證了削坡處理的可行性。

圖9 安全系數變化Fig.9 Changes of safety factor

3)布置抗滑樁。根據烏努格吐山銅鉬礦排土場穩定性分析結果，在二維極限平衡法計算的滑面處通過打樁可實現排土場加固。在剖面E-E的滑面處每隔5 m進行1次打樁加固，傾角為46.2°，抗滑樁長20 m，頂部露出地面3 m，下部埋置深度17 m。利用GeoStudio軟件對打樁加固后的邊坡進行模擬，并計算逐根打樁后的邊坡安全系數。當抗滑樁數量逐步增加為7根時，安全系數增至1.138，邊坡處于欠穩定狀態，仍然存在滑移風險；當抗滑樁數量為8根時，安全系數為1.296，此時邊坡處于穩定狀態。因此設定抗滑樁數量為8，抗滑樁加固示意如圖10所示。

圖10 抗滑樁加固示意Fig.10 Schematic diagram of anti-slide pile reinforcement

5 結論

1)對不同凍融循環次數的試樣進行三軸剪切試驗，得知試樣的黏聚力c和內摩擦角φ在凍融循環作用下皆呈一定演化規律，即前3次凍融循環對散體物料的抗剪強度影響顯著，后期影響則趨于穩定，因此寒區排土場穩定的前期防治尤為關鍵。

2)結合室內試驗參數，采用GeoStudio對不同工況下邊坡安全系數進行計算得知，在無地下水時，6個剖面的安全系數普遍大于1.2，處穩定狀態；在地下水的干擾下，各剖面安全系數普遍下降，尤其是剖面E-E，其安全系數低于1，存在滑坡風險。通過FLAC3D有限元計算分析E-E剖面在參數變化下的滑坡規律，為滑坡治理工作提供理論依據。

3)利用GeoStudio軟件對滑坡治理措施進行可行性模擬分析，控制水對邊坡的影響較為重要；其次提出削坡治理及布置抗滑樁措施，當邊坡角度削減至31°時，邊坡的安全系數增至1.383；抗滑樁增至8根時，安全系數增加至1.296，均可有效預防治理邊坡滑坡。