羅成彥

(中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院有限公司 武漢 430081)

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地震和降雨作用的礦山排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析

羅成彥

(中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院有限公司 武漢 430081)

為了研究不同工況對(duì)礦山排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響，在調(diào)查分析排土場(chǎng)工程地質(zhì)特征、散體和地基土物理力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征和穩(wěn)定性影響因素的基礎(chǔ)上，運(yùn)用極限平衡法對(duì)排土場(chǎng)在正常運(yùn)行、地震、連續(xù)降雨3種工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。研究表明：3種工況下排土場(chǎng)均處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在地震條件下排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)儲(chǔ)備較低，可能發(fā)生淺層滑坡，對(duì)坡腳下部的高壓線鐵塔和鐵路線構(gòu)成威脅，提出了修筑防滾石擋墻，做好排土場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)、排水、日常安全管理工作等對(duì)策措施。

排土場(chǎng) 地震 降雨 穩(wěn)定性

0 引言

武鋼烏龍泉礦山北排土場(chǎng)分為山北東、山北中、山北西3個(gè)區(qū)段，設(shè)計(jì)堆存量941萬t，其中山北東排土場(chǎng)占總堆存量近50%。山北東排土場(chǎng)頂部已復(fù)墾植樹，東臨京廣鐵路線，東面邊坡下部坡段修建有高壓鐵塔，且周邊村民時(shí)常在排土場(chǎng)掏采石料，造成排土場(chǎng)坡面形態(tài)局部劣化，形成潛在的安全隱患。山北東排土場(chǎng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，不僅會(huì)影響到礦山生產(chǎn)安全，而且會(huì)危機(jī)坡面下的高壓輸電線鐵塔和臨近的京廣鐵路線運(yùn)行安全。因此，本文對(duì)山北東排土場(chǎng)穩(wěn)定性展開分析與預(yù)測(cè)，并提出了相應(yīng)的治理建議。

1 排土場(chǎng)工程地質(zhì)、氣象條件

烏龍泉礦山北東排土場(chǎng)位于湖北省武漢市江夏區(qū)烏龍泉鎮(zhèn)境內(nèi)，區(qū)內(nèi)地形屬丘陵地貌，區(qū)域地質(zhì)屬東西向構(gòu)造帶鄂南之東段，即南淮陽斷裂帶之西南，洪湖-武漢一線以東的單斜構(gòu)造。山北東排土場(chǎng)長(zhǎng)約880 m；坡頂標(biāo)高79.0 m左右，坡腳標(biāo)高31.9～39.8 m；坡頂至坡腳最大高差為47 m。山北東排土場(chǎng)分兩級(jí)臺(tái)階，階段高度為12～20 m，總堆置高度為32 m，安全平臺(tái)寬度為10 m，階段坡角為7°～36°，總邊坡角為13°。排土場(chǎng)地基地層巖性以下二疊系頁片狀粘土巖和灰?guī)r為主；第四系坡積+洪積層、殘積+坡積層覆蓋其上，厚度為0.0～5.9 m；人工填積層包括碎石土和素填土。排土場(chǎng)平面圖如圖1所示。

圖1 排土場(chǎng)平面圖

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)，烏龍泉地區(qū)的建筑抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計(jì)基本加速度值為0.05g，所屬地震分組為第一組；場(chǎng)地按抗震有利和不利地段劃分，屬于“抗震不利場(chǎng)地段”。

根據(jù)氣象觀測(cè)資料，烏龍泉礦區(qū)降雨量由于受季風(fēng)影響，全年分配不均，年降雨量一般在950.2～1 862.6 mm之間，平均年降雨量為1 282.23 mm，每年四至八月份為雨季，雨季降雨量平均為780.67 mm，占平均年降雨量60.88%，日最大降雨量為211.5 mm。最長(zhǎng)連續(xù)降雨天數(shù)為14 d，其降雨量為136.9 mm；連續(xù)最大降雨量為457 mm，其天數(shù)為8 d。由于雨量集中，對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性有直接影響。

山北東排土場(chǎng)地下水有上部滯水和基巖裂隙水兩種類型。上部滯水賦存于碎石土和素填土層中，無自由水面，水位受周邊環(huán)境影響而變化；基巖裂隙水賦存于基巖裂隙中，總體上水量不大且不均勻。

2 地震和降雨作用的排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析

2.1 排土場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征及穩(wěn)定性影響因素

2.1.1 排土場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征

排土場(chǎng)是露天開采剝離物集中排棄堆存的場(chǎng)地，包括排棄物本身及其基底兩部分。

排棄物分為土、巖石或土和巖的混合物料，基底有土層或巖層。堆積體屬于松散巖土物料組成的結(jié)構(gòu)體，不同巖性、不同強(qiáng)度的巖土排棄在排土場(chǎng)內(nèi)形成不同結(jié)構(gòu)，而且松散巖石沿排土場(chǎng)邊坡面排放后運(yùn)動(dòng)形成自然分級(jí)，產(chǎn)生自上而下的巖石塊度結(jié)構(gòu)的變化。

排土場(chǎng)地基是所排棄廢石的承載體，不同的排土場(chǎng)地，因場(chǎng)地工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及地貌特征變化影響，尤其是山坡型排土場(chǎng)，在排土場(chǎng)推進(jìn)過程中可能要經(jīng)歷陡緩不同坡度地形、或由堅(jiān)硬巖石、或強(qiáng)風(fēng)化層、第四系表土軟巖等構(gòu)成的地基。

2.1.2 排土場(chǎng)滑坡形式

排土場(chǎng)的災(zāi)害形式因地質(zhì)、地理、氣候等自然條件不同而異，按其排土場(chǎng)破壞表現(xiàn)形式，主要分為排土場(chǎng)滑坡和泥石流。

排土場(chǎng)滑坡是排土場(chǎng)災(zāi)害中最為普遍、發(fā)生頻率最高的一種，按其產(chǎn)生滑坡的位置和深度可分為排土場(chǎng)與基底接觸面滑坡、排土場(chǎng)沿基底軟弱層滑坡和排土場(chǎng)內(nèi)部滑坡3種類型[1]。

2.1.3 排土場(chǎng)穩(wěn)定性影響因素

因排土場(chǎng)處在自然環(huán)境條件下，堆積物一方面在重力作用下逐漸沉積壓實(shí)固結(jié)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加；另一方面在長(zhǎng)期經(jīng)受自然界風(fēng)、雨水、高溫寒冷、地震等環(huán)境應(yīng)力的作用下，也面臨侵蝕風(fēng)化的影響，其穩(wěn)定性是動(dòng)態(tài)變化的，二者的綜合作用將決定排土場(chǎng)穩(wěn)定性發(fā)展趨勢(shì)。

影響排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的主要因素有：排棄巖土石料的性質(zhì)、排土場(chǎng)基地工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、氣象條件、堆置高度及坡度等，其中排棄巖土石的性質(zhì)和排土場(chǎng)地基及水的影響最為顯著[2]。

若排土場(chǎng)堆積體存在軟弱夾層，或含粘性礦物的軟巖，在超規(guī)模堆積、降雨或地下水位上升時(shí)，使基底沼澤化、土砂吸水后軟化呈塑性狀態(tài)，則排土場(chǎng)穩(wěn)定性較差，如風(fēng)化巖或表土層巖土混排時(shí)，堆體中形成集中的土體軟弱帶，特別是沿排土臺(tái)階形成的整齊的軟弱層，將極大削弱排土場(chǎng)的穩(wěn)定性。

大氣降雨及降雨量的多少是排土場(chǎng)是否穩(wěn)定的重要條件，尤其對(duì)土、軟巖性質(zhì)的堆積體更為明顯，大量的降水形成的堆積體孔隙水及下滲將產(chǎn)生靜水壓力和滲透壓力，同時(shí)增加了土體自重荷載，浸透濕潤(rùn)同時(shí)減弱了堆體的抗剪強(qiáng)度，并在排棄物料中或與地基接觸帶形成軟弱層從而導(dǎo)致滑坡，大面積浸泡或逕流沖刷堆體坡腳也將削弱排土場(chǎng)的穩(wěn)定性。

基底傾斜或緩傾斜的排土場(chǎng)，易發(fā)生滑坡，有關(guān)研究成果和生產(chǎn)實(shí)踐表明，當(dāng)基底坡度大于24°時(shí)，不利于堆集體的穩(wěn)定?；纂m平緩，若排放不合理，或總堆置高度超高，超過土層承載力，也可能誘發(fā)滑坡；由中硬、硬巖及其風(fēng)化碎塊構(gòu)成平緩基底的排土場(chǎng)不易發(fā)生滑坡。

排土場(chǎng)堆置要素配置是否合理也影響其穩(wěn)定性，若排土場(chǎng)堆置臺(tái)階過高、坡面過陡，超量堆放，或表層土等粘性料的集中成片排放等都可能引起排土場(chǎng)產(chǎn)生滑坡變形。因此，不適當(dāng)?shù)母淖兣磐翀?chǎng)堆置條件和堆置要素將嚴(yán)重危害排土場(chǎng)的穩(wěn)定性，如在排土場(chǎng)坡腳進(jìn)行采挖，人為加大坡面坡度等活動(dòng)必然引起排土場(chǎng)變形、滑坡，并可能誘發(fā)坡面石塊向下滑動(dòng)、滾落。

山北東排土場(chǎng)原地形地貌為平緩的丘陵坡地，坡度4°～13°，局部24°?？傮w而言場(chǎng)地地形條件比較好，排土場(chǎng)原地形局部還有反坡，更增加了排土場(chǎng)整體穩(wěn)定性。同時(shí)因堆積總量較大，堆積體料大多為露天采礦剝離的基巖等，堆積體中巖石比例相對(duì)較高，滲透條件較好。排土場(chǎng)坡腳下部局部修建有排水溝，但疏于管理，多處存在堵塞，對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性未起到應(yīng)有作用。排土場(chǎng)邊坡設(shè)有沉降觀測(cè)點(diǎn)等安全監(jiān)測(cè)設(shè)施，礦方對(duì)排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行不定期監(jiān)測(cè)。

2.2 排棄物及原始場(chǎng)地基礎(chǔ)巖土層物理力學(xué)性質(zhì)

對(duì)山北東排土場(chǎng)的勘察探明其巖土分層情況從上到下為：3層排棄碎石土，3層第四系表土，3層場(chǎng)地基礎(chǔ)巖層。通過對(duì)各巖、土層的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，獲得穩(wěn)定性計(jì)算綜合參數(shù)取值見表1。

表1 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

注：空白項(xiàng)表示相應(yīng)巖、土層未測(cè)出相應(yīng)指標(biāo)。

2.3 排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析方法選取及穩(wěn)定性計(jì)算工況確定

本文采用土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析軟件STAB對(duì)山北東排土場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。由于排土場(chǎng)邊坡為人工堆積高邊坡，排棄物內(nèi)沒有明顯的破壞面存在，在分析排土堆的穩(wěn)定性時(shí)，需要對(duì)多個(gè)可能的滑面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，從中尋找安全系數(shù)最小者，進(jìn)而確定最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面[2]。由于排土場(chǎng)堆料為散體結(jié)構(gòu)，所以堆積體內(nèi)最易發(fā)生圓弧型滑坡，而對(duì)于沿堆體與基底接觸面或地基中的滑坡破壞形式，其滑動(dòng)面基本為非圓弧滑面。本文對(duì)各滑面采用了Spencer法進(jìn)行搜索并確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。

排土場(chǎng)廢石順坡自下而上分臺(tái)階堆放，因廢石全部為露天礦剝離礦巖，材料來源相對(duì)穩(wěn)定單一，各堆積層堆放的礦巖基本為同一時(shí)期的剝離礦巖，其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和堆置條件也基本相同。本次穩(wěn)定性計(jì)算對(duì)山北東排土場(chǎng)沿走向選擇有代表性以及坡面較陡剖面A-A′和B-B′分別進(jìn)行計(jì)算(見圖1)，綜合分析排土場(chǎng)的整體穩(wěn)定狀況，剖面示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 A-A′剖面

圖3 B-B′剖面

排土場(chǎng)內(nèi)部的人工填積層1-1,1-2,1-3地層滲透系數(shù)均很大，降雨時(shí)較難在其內(nèi)部形成孔隙水壓力，因此在排土場(chǎng)內(nèi)部滑動(dòng)的局部破壞穩(wěn)定性分析中直接將降水荷載等效為上部土層的容重進(jìn)行降雨作用的考慮；而對(duì)于深部的地基第四系粘土層2-1,3-1,3-2滲透系數(shù)較小或?yàn)橄鄬?duì)隔水層，在連續(xù)降雨時(shí)，存在降水入滲到這些地層的可能性，故在沿排土場(chǎng)與基底接觸面滑動(dòng)破壞和沿第四系表土發(fā)生滑動(dòng)的整體破壞穩(wěn)定性分析中，對(duì)上部滲透系數(shù)大的碎石土將降水荷載等效為土層的容重，在第四系土層中通過孔隙水壓力系數(shù)考慮降水影響。

山北東排土場(chǎng)場(chǎng)地屬于“抗震不利場(chǎng)地段”。故在本次穩(wěn)定性分析中考慮了烈度6度地震發(fā)生時(shí)的情況。具體通過地震加速度值考慮地震作用的影響，按規(guī)范烏龍泉礦區(qū)域設(shè)計(jì)地震加速度為0.05g，本次穩(wěn)定性計(jì)算中按通常的折減系數(shù)0.25進(jìn)行折減[3]。

排土場(chǎng)部分區(qū)域是在原地形基礎(chǔ)上經(jīng)過開挖剝離后再排棄物料(其穩(wěn)定性分析剖面B-B′具該代表性)，在開挖剝離過程中已將第四系粘土層清理干凈，其地基基礎(chǔ)為強(qiáng)度指標(biāo)較高的灰?guī)r，該區(qū)域堆積體內(nèi)部土層也均是滲透系數(shù)較高的土層1-1，1-2和1-3，故排土場(chǎng)B-B′剖面沿地基發(fā)生滑動(dòng)破壞情況概率很小，沿接觸面滑坡破壞方式中降雨時(shí)亦較難在其內(nèi)部形成孔隙水壓力，所以排土場(chǎng)B-B′剖面在穩(wěn)定性分析中不必考慮沿地基發(fā)生滑動(dòng)破壞形式，沿接觸面滑坡破壞穩(wěn)定性分析中無需考慮降雨工況下的孔隙水壓力。

綜上，對(duì)排土場(chǎng)堆積體穩(wěn)定性情況分別在正常運(yùn)行、地震兩種工況下計(jì)算分析；對(duì)排土場(chǎng)沿排土場(chǎng)堆積體與基底接觸面滑動(dòng)情況分別在正常運(yùn)行、連續(xù)降雨(排土場(chǎng)B-B′剖面除外)、地震3種工況下進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析；對(duì)排土場(chǎng)沿第四系表土發(fā)生整體滑動(dòng)情況(排土場(chǎng)B-B′剖面除外)在正常運(yùn)行、連續(xù)降雨、地震3種工況下進(jìn)行穩(wěn)定性分析。這些潛在滑面及其相應(yīng)的運(yùn)行工況包括了排土場(chǎng)可能存在的滑動(dòng)破壞情況及形式，其穩(wěn)定性分析能客觀全面地反映排土場(chǎng)穩(wěn)定性情況。

2.4 排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析

通過計(jì)算，穩(wěn)定性分析中選取的兩個(gè)剖面各滑坡破壞模式下不同工況安全系數(shù)見表2。

表2 排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析結(jié)果

注：空白項(xiàng)表示相應(yīng)區(qū)域相應(yīng)工況經(jīng)論證破壞概率很低而未進(jìn)行計(jì)算。

排土場(chǎng)堆積體內(nèi)部滑坡類型、沿堆積體與基底接觸面滑動(dòng)破壞類型、潛在滑動(dòng)面穿過第四系土發(fā)生整體滑動(dòng)破壞模式最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置示例分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 堆積體內(nèi)滑坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

示例(A-A′剖面，正常運(yùn)行)

圖5 沿基底接觸面滑坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

示例(B-B′剖面，地震)

圖6 沿地基整體滑坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

示例(A-A′剖面，連續(xù)降雨)

通過穩(wěn)定性計(jì)算，排土場(chǎng)堆積體在正常運(yùn)行和烈度6度地震工況下最小穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為1.192及1.160，均位于B-B′剖面區(qū)域，不存在排土場(chǎng)內(nèi)部滑坡破壞的危險(xiǎn)，但在烈度6度地震工況下安全儲(chǔ)備較??；排土場(chǎng)與基底接觸面在正常運(yùn)行、烈度6度地震和連續(xù)降雨工況下穩(wěn)定性安全系數(shù)最小分別為1.448，1.402和2.832，有一定安全儲(chǔ)備，該種滑坡破壞的風(fēng)險(xiǎn)較低；排土場(chǎng)潛在滑面通過第四系表土?xí)r計(jì)算分析所得在正常運(yùn)行、烈度6度地震和連續(xù)降雨工況下最小穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于2，

安全儲(chǔ)備較高，符合規(guī)范要求，整體穩(wěn)定性較好。

3 結(jié)論與建議

(1)烏龍泉礦山北東排土場(chǎng)產(chǎn)生沿排棄物與基底接觸面、穿過地基深層大規(guī)模整體失穩(wěn)破壞的可能性很小。

(2)當(dāng)發(fā)生烈度6度地震時(shí)，排土場(chǎng)堆積體內(nèi)淺層穩(wěn)定性安全系數(shù)儲(chǔ)備較小，由于地震震動(dòng)影響，可能造成坡面滾石危害坡腳附近的高壓輸電線路鐵塔和京九鐵路線的運(yùn)行安全。

(3)降雨工況下，排土場(chǎng)穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備較高，發(fā)生滑坡破壞的可能性很小。

(4)建議在高壓輸電線路鐵塔附近修筑防滾石擋墻，在該區(qū)段坡頂附近修建截水溝，且加強(qiáng)坡面浮石清理，設(shè)置安全警示。

(5)建議加強(qiáng)、完善排土場(chǎng)邊坡的安全監(jiān)測(cè)工作，優(yōu)化現(xiàn)有監(jiān)測(cè)網(wǎng)，定期進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并視情況合理調(diào)整監(jiān)測(cè)頻度。今后隨著排土場(chǎng)的推進(jìn)，視情況增加相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

(6)建議礦方加強(qiáng)管理，禁止沿坡腳的采挖活動(dòng)，防止形成陡立坡面，破壞和劣化排土場(chǎng)安全條件，及時(shí)清理坡面浮石，定期對(duì)截水溝進(jìn)行疏通；設(shè)立必要的警示標(biāo)識(shí)，防止人員、車輛誤入不安全區(qū)域。

[1]徐燕,佴磊,丁黃平.南芬鐵礦大東溝排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析與治理對(duì)策[J].金屬礦山,2007(4):19-22.

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Stability of Mine Waste Dump Considering Earthquake and Rainfall

LUO Chengyan

(SinosteelWuhanSafety&EnvironmentalProtectionResearchInstituteCo.,Ltd.Wuhan430081)

In order to study the effects of different working conditions on the stability of mine waste dump, surveys of engineering geology characteristic, mechanical property of soil layers, structural characters and factors affecting stability of the waste dump are done. Then stability analyses are carried out using limit equilibrium method to obtain the safety factors of the waste dump slope respectively considering normal condition, earthquake and rainfall. The results show that the waste dump slope is stable in the three different working conditions. Yet the safety factor of the waste dump slope is relatively low and surface landslide is likely to appear while earthquake happens. As surface landslide is a great threat to the iron tower and railway near the slope toe, some measures are presented to prevent the damage, like building retaining wall to keep off rockfall, enhancing safety monitoring, water draining and daily safety management against the waste dump.

waste dump earthquake rainfall stability

羅成彥，男，1983年生，工程師，主要從事礦山安全技術(shù)及邊坡安全方面的研究工作。

2016-06-13)