吳 丹 葉爾江·多力達(dá)西 郄永波 張 宇

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.新疆維吾爾自治區(qū)阿勒泰地區(qū)應(yīng)急管理局，新疆 阿勒泰 836300)

排土場是礦山開采過程中所產(chǎn)生的廢石等廢棄物的集中排放場所，開展排土場邊坡穩(wěn)定性研究，以確定排土場的合理結(jié)構(gòu)參數(shù)，具有十分重要的意義。目前，隨著國家對礦產(chǎn)資源的需求量急驟增加、排土場的高度也不斷增高，針對高臺階排土場自身特點的穩(wěn)定性研究的方法，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究。排土場穩(wěn)定性分析方法應(yīng)用最廣泛的是剛體極限平衡法，該方法忽略滑坡體的內(nèi)部變形，認(rèn)為其為不可變形的剛體，假定滑體處于極限強度狀態(tài)，在長期的實用中積累了大量的經(jīng)驗，形成了一套定量評價安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。許志中等[1]分析了歪頭山上盤排土場加高后多種狀態(tài)下的穩(wěn)定性，選取排土場的變形破壞模式和安全系數(shù)限值,通過Bishop法、Janbu法進行了穩(wěn)定性計算；汪海濱等[2]對某礦山排土場工程實例進行研究，指出排土場穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于排土場地基-排土體相互作用下的系統(tǒng)空間效應(yīng)和自身組構(gòu)特征分層效應(yīng)；許暢[3]利用傳遞系數(shù)法的原理，結(jié)合某排土場工程實際，進行排土場整體穩(wěn)定性的計算；陳久利等[4]針對安太堡露天礦內(nèi)排土場邊坡運用SLIDE軟件，對不同工況下邊坡強度穩(wěn)定性進行對比分析，指出在降雨或地震的作用下排土場邊坡穩(wěn)定系數(shù)明顯降低，特別是在降雨條件下局部危險滑動面可能發(fā)生貫通，邊坡存在整體失穩(wěn)的可能；張勇[5]針對金牛礦業(yè)公司排土場建設(shè)過程中出現(xiàn)的臺階大量沉降變形、坡腳蠕動、局部滑坡等失穩(wěn)現(xiàn)象進行了分析，就構(gòu)成排土場失穩(wěn)的因素進行了探討。本文通過對某高臺階排土場不同滑動模式進行分析，針對不同模式下選取不同穩(wěn)定性分析方法進行穩(wěn)定性對比分析，揭示了高臺階排土場穩(wěn)定性滑動模式及規(guī)律，對類似工程研究具有借鑒意義。

1 排土場邊坡失穩(wěn)模式及計算方法

排土場邊坡穩(wěn)定性分析一般采用極限平衡法，針對排土場邊坡不同破壞模式，選擇不同的穩(wěn)定性計算方法[6]。基于對國內(nèi)外露天礦山排土場的綜合調(diào)查分析[7]，排土場潛在失穩(wěn)模式有三種：沿排土體-原始山體表面接觸帶滑坡、排土體內(nèi)部近程滑動、排土場基礎(chǔ)滑坡。沿排土場堆置的基底表面-原始山體表面接觸帶產(chǎn)生的滑坡，主要控制因素是基底表面傾角及其與排棄物之間的強度指標(biāo)差異，當(dāng)排土體和地基接觸帶抗剪強度小于排土場物料本身的抗剪強度，則構(gòu)成堆石體滑體的滑動面，產(chǎn)生沿基底表層的順坡向破壞。排土本體(內(nèi)部)近程滑動及排土場基礎(chǔ)滑坡，指地基巖層相對穩(wěn)定，而散體巖石力學(xué)性質(zhì)相對弱，排土堆高到一定程度后，外荷載作用(如繼續(xù)堆載或排土設(shè)備加載)下，地基沉陷，誘使排棄物壓密變形增大，處于極限平衡后，排土場后部一定范圍內(nèi)，由于自重先期壓實沉陷而形成的主動楔形區(qū)，在其他外力及降雨等因素的誘發(fā)下，下部阻擋被動楔難以支撐，導(dǎo)致排棄物料內(nèi)部滑坡。排土場基礎(chǔ)滑坡指排土場地基較為軟弱，或地基含軟弱層或正斷層時，加上水、過載或邊坡過陡等因素而導(dǎo)致，在上部土場作用下產(chǎn)生滑移和底鼓，進而牽引上部土場滑坡。在排土場形成過程中，隨著排棄高度的不斷增加，排棄物料的重力增大，基底土層持力層厚度亦隨之加深，當(dāng)排棄物達(dá)到一定水平時，基底持力層遇有連續(xù)性好、強度低的黏土軟弱帶或軟塑帶，軟弱帶被擠壓產(chǎn)生塑性流動擠出，下部基底隆起剪切而產(chǎn)生破壞。

當(dāng)排土土體(內(nèi)部)發(fā)生近程滑動及排土場基礎(chǔ)滑坡，滑動面基本為圓弧形破壞模式，可采用Morgenstern-Price法、Bishop法、Spencer法進行分析；當(dāng)破壞模式為沿表土-基巖界面或排土體-地基界面折線破壞時，可采用余推力法[7-8]；當(dāng)破壞模式為沿表土-基巖或排土體-地基的單一平面破壞時，可采用傳遞系數(shù)法。

2 工程概況及計算模型

2.1 地質(zhì)剖面

國內(nèi)某排土場等級為一級，現(xiàn)狀堆置高度為126 m，共分4級臺階，臺階坡面角37.5°，臺階高度自下而上分別為22、16、38、50 m，安全平臺寬度為30 m。根據(jù)鉆探資料揭露，主要地層為侏羅系九佛堂組泥質(zhì)灰?guī)r(J3jf)、第三系辛集組礫巖和泥巖(E2X)和第四系人工堆積物(Qr)，區(qū)域設(shè)防烈度為7度。排土場邊坡地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 排土場邊坡地質(zhì)剖面圖Fig.1 The geological section of the waste dump slope

2.2 計算工況及參數(shù)

排土場穩(wěn)定性計算工況應(yīng)根據(jù)重力、降雨及地震影響，分為自然工況、降雨及地下水工況、地震工況[7]。結(jié)合排土場基巖剖面圖及力學(xué)參數(shù)，將基巖概化為泥質(zhì)灰?guī)r，使得巖體工程穩(wěn)定性分析結(jié)果更接近于現(xiàn)場實際情況。排土料及地基土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3 不同失穩(wěn)模式下邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 模式一：排土體內(nèi)部近程抗滑穩(wěn)定性分析

對于該排土場排土本體近程抗滑穩(wěn)定性，本研究采用Bishop法、Morgenstern-Price法及Spencer法進行了排土場整體安全穩(wěn)定性分析，得到的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)如表2所示。根據(jù)表2計算結(jié)果，該排土場邊坡整體穩(wěn)定性在自然工況、降雨工況、地震工況下最小安全系數(shù)分別為1.428、1.344、1.214，均滿足規(guī)范要求。對比來看，三種計算方法得到安全系數(shù)滑動模式及安全系數(shù)均比較接近，考慮Morgenstern-Price法同時滿足力和力矩的平衡，以Morgenstern-Price法得到的最危險滑動面為例，滑動模式主要發(fā)生在排土邊坡內(nèi)部，其中最危險滑動面為深層滑動，滑入點位于坡頂附近，滑動面穿過排土體從坡腳滑出，如圖2所示。

表2 模式一排土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Table 2 Safety factor of slope stability of mode Ⅰ

圖2 失穩(wěn)模式一下滑動面Fig.2 The sliding surface of mode Ⅰ

3.2 模式二：排土體-地基界面抗滑穩(wěn)定性分析

當(dāng)排土場基底出現(xiàn)傾角與坡面近似平行的局部陡坡、且排土料與基底之間存在強度指標(biāo)較低的接觸帶時，可能引發(fā)排土體-地基界面的滑動破壞。排土場形成初期主要排棄表土，強度相對較低、結(jié)構(gòu)相對疏松，大氣降雨后易形成排棄物與基底表層土的滲透差異，水易沿著基底表面滯流，浸潤后軟化、強度低。且排土場外圍西北側(cè)和南側(cè)內(nèi)部溝谷部位有少量薄層第四季殘坡積土，主要由碎石、黏土組成，厚度約1～2 m。當(dāng)排土體和地基接觸帶抗剪強度小于排土物料本身的抗剪強度時，可能產(chǎn)生沿基底表層的順坡向破壞。排土場整體可能沿基底滑動情況下，將計算剖面根據(jù)地形和排土邊坡線劃分為23個滑塊，采用余推力法計算失穩(wěn)模式二下排土場整體穩(wěn)定性，計算結(jié)果如表3所示。計算結(jié)果表明，剩余下滑力為0時，自然工況、降雨工況和地震工況下的安全系數(shù)分別為1.664、1.495和1.439，均滿足規(guī)范要求。該失穩(wěn)模式下，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)受地表坡度傾角影響較大，排土體-基礎(chǔ)界面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨著地表坡度傾角變大而減小。

表3 模式二排土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

圖3 失穩(wěn)模式二下滑動面Fig.3 The sliding surface of mode Ⅱ

3.3 不同滑動模式對比分析

通過失穩(wěn)模式一和模式二計算結(jié)果對比分析，對于高臺階排土場，當(dāng)基礎(chǔ)存在薄弱覆蓋層、自然地形較陡的情況下，需重點考慮沿排土本體(內(nèi)部)近程滑動模式與沿排土體-地基界面滑動模式。針對本次分析不同失穩(wěn)模式下穩(wěn)定性計算結(jié)果，該排土邊坡模式二下邊坡穩(wěn)定系數(shù)大于模式一，說明排土邊坡的滑動模式仍以內(nèi)部滑動為主。

4 結(jié)論

1)對于高臺階排土場邊坡，當(dāng)基礎(chǔ)存在薄弱覆蓋層、自然地形較陡時，應(yīng)考慮不同失穩(wěn)模式，沿排土體內(nèi)部近程滑動和沿排土體-地基界面滑動均為潛在可能失穩(wěn)模式。

2)排土物料均勻的高臺階排土場邊坡，內(nèi)部近程滑動模式為貫穿排土體的圓弧滑動面，穩(wěn)定性選用同時滿足力和力矩的平衡的計算方法，排土體-地基界面滑動模式為沿著基底折線滑動面，穩(wěn)定性計算選用余推力法，分析不同失穩(wěn)模式下邊坡穩(wěn)定性有助于全面了解排土場邊坡安全狀態(tài)。