降雨工況下銀山礦百嶺灣排土場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

涂欣強(qiáng)，楊朝云，周鷺，陳斌，李立華，劉秋

(江西銅業(yè)集團(tuán)銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司，江西 德興市 334201)

0 引言

排土場(chǎng)是礦山生產(chǎn)過程中的重要工程設(shè)施，是礦山采礦排棄物集中排放的場(chǎng)所，其主要功能是堆積生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的排棄物，包括腐植表土、風(fēng)化巖土、堅(jiān)硬巖石以及混合巖土，有時(shí)也包括可能回收的表外礦、貧礦等[1-2]。在排土場(chǎng)自然排土堆積過程中，邊緣地區(qū)在堆擠散體的自然塌落下形成具有一定角度及高度的坡體，隨著礦山排棄物連續(xù)、長(zhǎng)期的堆積后，排土場(chǎng)邊坡在應(yīng)力及擾動(dòng)作用下將產(chǎn)生各種裂縫、坍塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象，對(duì)排土場(chǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響，對(duì)周圍的人、設(shè)備及環(huán)境造成嚴(yán)重的災(zāi)害危險(xiǎn)[3-4]。

銀山礦業(yè)公司百嶺灣排土場(chǎng)從設(shè)計(jì)開始使用，隨著露采生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，排土場(chǎng)規(guī)模也隨之增大，堆積過程中，采用汽車將廢石運(yùn)至排土場(chǎng)頂部，從頂部直接向下排放，中間未設(shè)置堆積平臺(tái)。目前排土場(chǎng)最大堆積標(biāo)高為221.0 m。按照銀山礦業(yè)最新的生產(chǎn)規(guī)劃，在排土場(chǎng)上部還將繼續(xù)堆積廢石，堆積高度將再增加10.0 m，從安全生產(chǎn)與管理角度考慮，亟需對(duì)銀山百嶺灣排土場(chǎng)進(jìn)行全面的穩(wěn)定性分析研究工作，以探究不同工況下排土場(chǎng)增高的可行性。

近年來，國內(nèi)學(xué)者對(duì)排土場(chǎng)在不同工況下的穩(wěn)定性開展了大量研究，張文飛等[5]基于Biot 固結(jié)理論的直接耦合方法，運(yùn)用GeoStudio 軟件開展了不同降雨工況下排土場(chǎng)邊坡的孔隙水壓力研究，得到不同降雨工況下排土場(chǎng)邊坡的孔隙水壓力及安全系數(shù)變化；周軍委[6]借助Slide 軟件對(duì)石寶鐵礦排土場(chǎng)3 個(gè)特征面進(jìn)行危險(xiǎn)面的搜索計(jì)算，得到排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)；蔡文倩等[7]通過數(shù)值模擬手段，以嶺南沿海地區(qū)礦山排土場(chǎng)為工程案例，研究出不同降雨工況下排土場(chǎng)邊坡的含水量、滲透系數(shù)以及安全系數(shù)的變化規(guī)律；李鋼[8]結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)并利用GeoStudio 及FLAC3D 軟件分析了凍融條件下高寒高海拔地區(qū)排土場(chǎng)的穩(wěn)定性特，結(jié)果發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用對(duì)散體材料的抗剪強(qiáng)度影響顯著。

基于以上研究可知，排土場(chǎng)的穩(wěn)定性研究主要基于數(shù)值分析軟件對(duì)不同工況下排土場(chǎng)的安全系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。為評(píng)價(jià)銀山礦排土場(chǎng)在不同工況下的穩(wěn)定性特征，通過現(xiàn)場(chǎng)與室內(nèi)試驗(yàn)，獲取了排土場(chǎng)堆積散體材料的滲透系數(shù)與物理力學(xué)特征，通過Phase2 軟件分析了排土場(chǎng)特定剖面在降雨工況下的浸潤(rùn)線變化，并結(jié)合余推力法計(jì)算了排土場(chǎng)在普通工況、降雨工況以及全飽和狀態(tài)下的安全系數(shù)變化。

1 排土場(chǎng)巖土材料物理力學(xué)性質(zhì)研究

本項(xiàng)目基于現(xiàn)場(chǎng)所選取的排土場(chǎng)邊坡散狀巖土體樣本，通過室外滲流試驗(yàn)以及在室內(nèi)進(jìn)行常規(guī)物理力學(xué)測(cè)試與大型直接剪切試驗(yàn)，分析所取樣本的物理力學(xué)性質(zhì)，具體的試驗(yàn)過程與散體材料的直剪試驗(yàn)類似[9]，得到的百嶺灣排土場(chǎng)地巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及室內(nèi)試驗(yàn)，在排土場(chǎng)的3 個(gè)臨空坡面選取4 個(gè)剖面對(duì)排土場(chǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，選取1-1 剖面作為本研究的分析剖面，如圖1 所示。

圖1 剖面線的位置

2 降雨工況下排土場(chǎng)浸潤(rùn)線分析

銀山礦百嶺灣排土場(chǎng)的地下水主要來源于大氣降水，雨水通過堆積散體表面入滲，對(duì)堆積散體邊坡的力學(xué)性能產(chǎn)生弱化作用，其對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響很大[10-12]，因此，在進(jìn)行排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析之前，需要開展降雨工況下排土場(chǎng)堆積散體邊坡內(nèi)滲流場(chǎng)的分布變化規(guī)律研究。

本研究主要以現(xiàn)有設(shè)計(jì)標(biāo)高的排土場(chǎng)邊坡以及考慮后期規(guī)劃加高后的排土場(chǎng)邊坡為研究模型，分析二者在正常工況與降雨工況下的坡體內(nèi)浸潤(rùn)線變化規(guī)律，并進(jìn)一步在地表浸潤(rùn)線觀測(cè)與調(diào)查以及室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)滲透系數(shù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行滲流場(chǎng)的計(jì)算與分析。根據(jù)前述研究中所開展的現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)土工試驗(yàn)的排土體滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果（見表1），并考慮到排土場(chǎng)中顆粒體的各向異性，同時(shí)參考國內(nèi)外研究中排土場(chǎng)滲流計(jì)算所取的滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，選取了合理的計(jì)算參數(shù)。

在二維穩(wěn)定流場(chǎng)計(jì)算中，設(shè)水流運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定律[13]：

式中，Vx、Vy分別是在x、y方向上的滲透速度；Kx、Ky分別是在x、y方向上的滲透系數(shù)；H為水頭值函數(shù)。

式中，Z為所討論點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)線的高度；P為該處水壓力；γw為水容重。

根據(jù)穩(wěn)定條件可得到關(guān)于水頭值H的準(zhǔn)調(diào)和微分方程式：

式中，Q為產(chǎn)生水的速率。

關(guān)于水頭H的邊界條件有：

式中，n表示邊界的法線方向；式（5）表示邊界B1上的水頭值已知；式（6）表示邊界B2上的流量已知。

采用有限元法軟件Phase2 對(duì)百嶺灣排土場(chǎng)的滲流變化進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)已知的水文地質(zhì)條件對(duì)模型設(shè)置邊界條件（見圖2），通過迭代計(jì)算分析得到降雨工況下1-1 剖面在加高及不加高條件下的浸潤(rùn)線變化，如圖3 所示。由圖3 計(jì)算表明，由于百嶺灣排土場(chǎng)邊坡堆積體滲透系數(shù)相對(duì)較大，降雨從坡體表面滲透進(jìn)入堆積體后，入滲地下水與地表逕流在短時(shí)間內(nèi)即從坡腳處排出，從而使得該排土場(chǎng)的浸潤(rùn)線能保持相對(duì)較低的狀態(tài)；在排土場(chǎng)邊坡后期規(guī)劃加高模型中可以發(fā)現(xiàn)，雖然該工況下坡體的浸潤(rùn)線較現(xiàn)有標(biāo)高略微升高，但升高幅度相對(duì)較小，驗(yàn)證了原設(shè)計(jì)規(guī)劃下排土場(chǎng)滲流的安全性。

圖2 1-1 剖面在降雨作用下的浸潤(rùn)線計(jì)算邊界條件與網(wǎng)格

圖3 銀山礦百嶺灣排土場(chǎng)降雨作用下的浸潤(rùn)線變化（單位：m）

3 排土場(chǎng)穩(wěn)定性計(jì)算分析

目前排土場(chǎng)的穩(wěn)定性分析方法主要有極限平衡分析法、非線性有限單元法、有限差分法與可靠度分析方法等[12]。其中，極限平衡分析法是邊坡穩(wěn)定性分析應(yīng)用較早、積累經(jīng)驗(yàn)最豐富且最常用的方法，因其應(yīng)用簡(jiǎn)便而被廣泛應(yīng)用于邊坡的穩(wěn)定性分析，對(duì)于排土場(chǎng)的極限平衡分析法，根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)，采用極限平衡分析中的余推力法更適用于排土場(chǎng)的穩(wěn)定性分析[14-15]，余推力法適用于任意形狀的邊坡滑動(dòng)面，該法假定條塊間力的合力與上一條塊底面相平行，其計(jì)算公式為：

式中，c′、φ′為材料的有效黏聚力和內(nèi)摩擦角。

在對(duì)該排土場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析的過程中，本研究分別考慮了正常工程與降雨工程2 種工況下的現(xiàn)狀標(biāo)高及后期規(guī)劃加高后的排土場(chǎng)邊坡運(yùn)行情況，一是堆積層處于正常工作狀態(tài)，此時(shí)排土場(chǎng)坡體內(nèi)滲流狀態(tài)設(shè)置為實(shí)測(cè)的浸潤(rùn)線位置，稱為正常工況；二是考慮兩百年一遇的降雨條件下，分析排土體內(nèi)浸潤(rùn)線變化規(guī)律，稱為最大降雨工況。參考《金屬非金屬礦山排土場(chǎng)安全生產(chǎn)規(guī)則》[16]，確定了排土場(chǎng)的安全等級(jí)見表2。

表2 排土場(chǎng)等級(jí)劃分

采用余推力法開展銀山礦百嶺灣排土場(chǎng)的現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析，百嶺灣排土場(chǎng)在后期規(guī)劃加高至220 m 后的穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。由圖4（a）可以看出，在正常工況下，計(jì)算得到的排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)均大于1.15，屬于正常級(jí)別，后期規(guī)劃加高后排土場(chǎng)處于正常工況時(shí)（見圖4（b）），所有剖面的余推力法的安全系數(shù)均大于1.15，滿足規(guī)范要求，且安全儲(chǔ)備均有一定富余；現(xiàn)有標(biāo)高下排土場(chǎng)處于最大降雨工況時(shí)（見圖4（c）），余推力法計(jì)算得到的安全系數(shù)大于1.15，能滿足規(guī)范要求，但相對(duì)于正常工況來說，安全系數(shù)明顯下降，說明正常工況下降雨對(duì)排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性存在明顯影響；后期規(guī)劃加高至220 m 后排土場(chǎng)處于最大降雨工況時(shí)，余推力法計(jì)算得到的安全系數(shù)為1.0～1.15，屬于病級(jí)，不符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 余推力法計(jì)算分析結(jié)果

4 排土場(chǎng)增高建議措施

根據(jù)前述分析可知，在現(xiàn)有標(biāo)高下最大降雨工況時(shí)，排土場(chǎng)的安全系數(shù)儲(chǔ)備較低，后期規(guī)劃加高至220 m 后在最大降雨工況下排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性處于病級(jí)狀態(tài)。因此，后期規(guī)劃加高采取如下措施：后期規(guī)劃加高在現(xiàn)有標(biāo)高的基礎(chǔ)上預(yù)留一個(gè)20 m的堆積平臺(tái)，如圖5 所示。通過余推力法計(jì)算，該措施可有效提高排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性，最大降雨工況時(shí)安全系數(shù)最小值為1.176，能滿足規(guī)范要求。

圖5 排土場(chǎng)增高建議（單位:m）

5 結(jié)論

（1）對(duì)從銀山百嶺灣排土場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)帶回的散體試樣開展室外滲透系數(shù)及室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)，獲得了百嶺灣排土場(chǎng)散體材料的物理力學(xué)特性與相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)。

（2）銀山露采百嶺灣排土場(chǎng)整體穩(wěn)定性在正常工況下能滿足規(guī)范要求，但是在最大降雨工況下的安全儲(chǔ)備不足，為了提高排土場(chǎng)的安全儲(chǔ)備，建議后期規(guī)劃加高時(shí)預(yù)留寬度約20 m 左右的平臺(tái)，以確保排土場(chǎng)的安全運(yùn)行。