馬 增， 劉正宇，虎萬杰，王飛飛，鄒 平，李愛兵，孟中華

(長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙 410012)

排土場(chǎng)主要接受礦區(qū)廢石及剝離的土體，由于結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度相對(duì)于本體巖石來說有一定程度的降低。排土場(chǎng)下部的軟弱夾層不僅會(huì)影響堆置高度，而且嚴(yán)重影響排土場(chǎng)的整體穩(wěn)定性[1]。降雨是排土場(chǎng)邊坡發(fā)生滑塌的主要誘導(dǎo)因素之一[2-4]。張亞賓等[3]以唐山某排土場(chǎng)為例研究了降雨對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性的研究。張春等[4]以馬鋼南山鐵礦排土場(chǎng)為例計(jì)算了下部軟弱加層堆土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性影響。就目前國內(nèi)的主要研究來看，大多數(shù)研究人員只針對(duì)一個(gè)方面進(jìn)行了十分深入的研究，但軟弱夾層厚度與降雨量共同作用于排土場(chǎng)邊坡，影響其穩(wěn)定性，同時(shí)大多數(shù)研究對(duì)軟弱夾層的厚度、降雨量的研究都是單值，沒有將其作為變量來進(jìn)行研究，所以對(duì)兩種因素耦合研究是十分有必要的。

本次研究以剛果(金)柯木亞銅鈷礦1#排土場(chǎng)為實(shí)際工程案例，針對(duì)排土場(chǎng)的廢石、第四系土(軟弱層)及下部基巖進(jìn)行參數(shù)選取，綜合考慮軟弱夾層與降雨量對(duì)排土場(chǎng)邊坡的影響，通過極限平衡方法得到在不同厚度下、不同降雨量下排土場(chǎng)邊坡的最小安全系數(shù)。

1 排土場(chǎng)概況

1#排土場(chǎng)位于柯木亞銅鈷礦南采場(chǎng)與東采場(chǎng)之間，主要接受南采場(chǎng)的全部排廢及東采場(chǎng)的部分地表剝離土體，下部為第四系土及下部基巖。其中，第四系土的厚度在空間上變化。

礦區(qū)屬熱帶草原氣候，分為旱季、雨季兩個(gè)季節(jié)，11月份到翌年3月份為雨季，大雨及暴雨經(jīng)常發(fā)生。根據(jù)柯木亞礦區(qū)氣象站觀測(cè)降雨量資料，日最大降雨量117 mm。

排土場(chǎng)占地80萬m2，堆置標(biāo)高1 416～1 555 m，最高堆高139 m，采用自卸汽車運(yùn)輸方式分層堆置，可形成總庫容54萬m3，最終形成1 465 m、1 495 m、1 525 m、1 555 m四個(gè)臺(tái)階。單臺(tái)階高度30 m，安全平臺(tái)寬16 m，臺(tái)階坡角為自然安息角35°，整體邊坡角≤28°。

2 排土場(chǎng)模型建立

2.1 模型參數(shù)及說明

本次分析采用Geostudio-SLOPE/W和SEEP/W分析模塊對(duì)排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行分析。根據(jù)鉆探數(shù)據(jù)繪制礦山排土場(chǎng)剖面模型，排土場(chǎng)整體分為3層巖體，下部的第四系為研究的軟弱層，在SLOPE/W中對(duì)各種巖體進(jìn)行相應(yīng)的賦值，如表1，完成邊坡模型的建立。

表1 排土場(chǎng)土體材料的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanics parameters of waste dump rocks

在SEEP/W分析中，模擬滲流場(chǎng)主要應(yīng)用土水特征曲線及滲透系數(shù)函數(shù)，SEEP/W軟件內(nèi)部帶有Fredlund-xing公式估算理論的體積含水率對(duì)基質(zhì)吸力的函數(shù)，根據(jù)飽和滲透系數(shù)及飽和含水率估計(jì)滲透系數(shù)函數(shù)，從而計(jì)算滲流場(chǎng)。

第四系土層多分布在地勢(shì)低洼的溝谷地帶、坡麓及平緩的山坡等處，厚度在6～12 m。分析以6、8、10、12 m為基礎(chǔ)。

降雨量是根據(jù)本杰明公司對(duì)近10年的降雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過皮爾遜三型曲線進(jìn)行計(jì)算得到的20年一遇、50年一遇、100年一遇的日降雨量，見表2。

表2 不同頻率的一日最大降雨量Table 2 The maximum daily rainfall at different frequencies

2.2 邊界條件

在Geostudio-SLOPE/W中的主要邊界為選擇滑出及滑入的范圍，應(yīng)當(dāng)注意計(jì)算邊坡的整體安全性，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)繪制滑入和滑出的范圍。

SEEP/W中則需要設(shè)置模型的水力邊界，將模型分為上下左右四個(gè)邊界。上部邊界主要為降雨邊界，設(shè)置為單位流量，雨量主要見表2中降雨的數(shù)據(jù)，本次研究以柯木亞礦區(qū)的當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，降雨設(shè)置為6 h。左邊界及右邊界在水位以下設(shè)置常水頭邊界。下部邊界為模型基底，實(shí)際下部是無限延伸的，需將底部邊界設(shè)置為滲流邊界。

2.3 安全系數(shù)選取

安全系數(shù)是判定邊坡是否安全的參考基準(zhǔn)，計(jì)算的安全系數(shù)大于許用的安全系數(shù)則邊坡是安全的，否則邊坡是不穩(wěn)定的[5]。安全系數(shù)的選取主要根據(jù)《有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中規(guī)定及礦區(qū)的水文地質(zhì)實(shí)際情況選取，綜合考慮對(duì)1#排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)選取為1.10。

3 數(shù)值計(jì)算及分析結(jié)果

SLOPE/W提供多種計(jì)算方法，但由于排土場(chǎng)為松散的堆體，根據(jù)相關(guān)的研究可以知道排土場(chǎng)出現(xiàn)滑坡多為圓弧形滑動(dòng)，所以采用Bishop方法進(jìn)行計(jì)算[7-8]。

3.1 SLOPE/W中滑動(dòng)面分析

在Geostudio-SLOPE/W模塊中，由于軟件自身的原因，不能夠在全部范圍內(nèi)自動(dòng)搜索最小安全系數(shù)的滑面，所以在分析邊坡滑動(dòng)時(shí)需要人為確定滑面可能出現(xiàn)的地方，排土場(chǎng)邊坡最小安全系數(shù)最可能出現(xiàn)在邊坡腳部。但在不同的情況下，滑動(dòng)面的范圍也不同，降雨量增大時(shí)在剖面上容易出現(xiàn)大面積的滑塊，邊坡的整體安全系數(shù)大于局部的安全系數(shù)。

3.2 SEEP/W中滲流分析

對(duì)于滲流分析主要有滲流場(chǎng)及滲流結(jié)果分析。通過SEEP/W中瞬態(tài)分析，以初始水位為條件計(jì)算得到降雨過程的滲流情況。

在SEEP/W中降雨為直接入滲，沒有形成坡面徑流。在降雨開始時(shí)，由于上部土體非飽和，降雨會(huì)首先補(bǔ)充土體缺失水量，增大孔隙壓力，等勢(shì)線下移[9]。隨著降雨的不斷進(jìn)行，水位逐漸升高，在一些情況下，由于第四系土相對(duì)于上部的排土為相對(duì)隔水層，會(huì)在邊坡腳形成積水。

3.3 計(jì)算結(jié)果

首先把各種情況進(jìn)行分類，降雨情況下按照表2中給出的雨量由大到小分為1、2、3三種情況，軟弱夾層厚度按照2.1中提到的分析厚度，6、8、10、12 m以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四種情況代表。各種情況下的計(jì)算結(jié)果匯總于表3。

從表中分析數(shù)據(jù)可以看出，隨著降雨量增加安全系數(shù)逐漸減小，由穩(wěn)定向基本穩(wěn)定演變。降雨是一次使土體由非飽和到飽和的過程，降雨會(huì)降低土體的基質(zhì)吸力，從而使土體的黏聚力及抗剪強(qiáng)度降低，同時(shí)增大了土體的下滑力，降低了邊坡的安全系數(shù)。隨著軟弱加層厚度的增加，安全系數(shù)降低較快，軟弱夾層在滑動(dòng)帶底部相對(duì)于堅(jiān)硬的基巖削弱了抗滑力，而厚度則影響了底部滑面穿過軟弱層的位置，滑面穿過軟弱加層越深，安全系數(shù)自然越小[10]。

表3 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of safety factors

圖1 降雨量111.85 mm/d時(shí)安全系數(shù)分析圖Fig.1 Safety factor analysis chart for rainfall of 111.85 mm/d

4 結(jié)論

隨著降雨量不斷增大，排土場(chǎng)土體基質(zhì)吸力降低，抗剪強(qiáng)度降低，下滑力增大，使得安全系數(shù)降低，應(yīng)當(dāng)及時(shí)做好排水設(shè)施的建設(shè)。

軟弱夾層會(huì)降低邊坡滑體的抗滑力，降低安全系數(shù)，軟弱夾層的厚度影響滑動(dòng)面半徑及位置，降低安全系數(shù)，應(yīng)當(dāng)在臺(tái)階形成前對(duì)軟弱層進(jìn)行剝離。降雨與軟弱層的厚度共同影響邊坡的穩(wěn)定性，但就安全系數(shù)的增減情況來說，軟弱夾層厚度對(duì)邊坡的穩(wěn)定影響較大，即隨著夾層厚度增加，安全系數(shù)降低較快。