呂林洪，許 波

(1.昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南 昆明 650000；2.中國銅業(yè)有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

露天礦山排土場是堆放剝離廢巖(土)的場所，其穩(wěn)定性既是一個關(guān)系到礦山安全生產(chǎn)的技術(shù)問題，又是一個關(guān)系到人員生命財產(chǎn)的安全和環(huán)保問題。對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，它的各個系統(tǒng)都是遵循一定的方式協(xié)同有次序的運動，即協(xié)同發(fā)展具有規(guī)律性。然而對于露天礦山邊坡非線性的復雜的開放系統(tǒng)，由于其本身規(guī)律的不確定性、模糊性和復雜性使得技術(shù)人員對協(xié)同作用認識不足或缺少認識。由于系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展是有規(guī)律的，當土場邊坡系統(tǒng)內(nèi)部組成部分出現(xiàn)不配套、不和諧可能使得協(xié)同作用減弱或超出了協(xié)同的范圍，削弱了系統(tǒng)的協(xié)同程度。系統(tǒng)中某些參數(shù)的漸變將可能導致系統(tǒng)的突發(fā)失穩(wěn)，致使出現(xiàn)了排土場邊坡的局部坍塌、整體失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，也就是削弱了系統(tǒng)的協(xié)同程度，從而打破原有的平衡破壞系統(tǒng)的協(xié)同。因此，進行排土場邊坡系統(tǒng)協(xié)同穩(wěn)定的研究從而避免不協(xié)同帶來的地質(zhì)災(zāi)害地或土地資源的浪費是十分有必要的。

眾所周知，排土工程是礦山生產(chǎn)的伴隨過程，它不產(chǎn)生直接的經(jīng)濟效益，但如果排土場邊坡發(fā)生失穩(wěn)垮塌超出系統(tǒng)協(xié)同穩(wěn)定范圍，將會導致礦山大系統(tǒng)的協(xié)同出現(xiàn)矛盾，輕則使礦山承受經(jīng)濟損失，重則影響礦山生產(chǎn)正常運行。排土場是礦山連續(xù)生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)，分析排土場邊坡失穩(wěn)機制，研究排土場邊坡體協(xié)同穩(wěn)定狀態(tài)對礦山安全生產(chǎn)至關(guān)重要。

邊坡防治工程措施的設(shè)計與實施是巖土工程研究的重要內(nèi)容，它是一套復雜而嚴密的系統(tǒng)工程，行之有效的設(shè)計和施工方案，必須建立在對邊坡體結(jié)構(gòu)特征、幾何形態(tài)及坡體變形破壞形成演化機制進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)之上。鑒于露天排土場在礦山生產(chǎn)中的重要地位，文章依托某一具體排土場工程實際，從協(xié)同角度出發(fā)，考慮邊坡變形和破壞由內(nèi)外因綜合作用的結(jié)果，采用極限平衡和數(shù)值仿真模擬方法對該土場邊坡進行了穩(wěn)定性初析，從而為排土場穩(wěn)定狀態(tài)提供理論支撐，保證礦山安全生產(chǎn)并實現(xiàn)效益最大化。

1 工程概述

排土場壩體軸線部位處侵蝕凹地收斂地段，壩體2側(cè)均為厚層狀弱風化的石灰?guī)r，巖層呈弱風化，強度較高。排土場堆置高度94 m，總?cè)萘?0萬m3，邊坡坡比1：1.7，分為2個臺階，第一臺階堆置高程1 570 m，安全平臺寬6 m，第二臺階堆置高程1 615 m。攔渣壩為M10水泥砂漿砌石壩，壩頂標高1 550 m，基礎(chǔ)標高1 521 m，最大壩高H=29 m(不含清基)，壩頂寬B=3 m，壩體內(nèi)外坡比均為1：0.5。該排土場堆棄物料主要為采場剝離的棄石土，結(jié)構(gòu)疏松，呈散體狀結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)協(xié)同性較弱，其典型工程地質(zhì)剖面圖見圖1。

2 邊坡安全系數(shù)規(guī)范規(guī)程要求

所謂穩(wěn)定性系數(shù)是沿滑動面的抗剪強度與其上的剪應(yīng)力之比，是客觀存在的，可計算出。安全系數(shù)則是穩(wěn)定性系數(shù)的一個閥值，它是參考分析對象的重要性、危害性以及使用時間、參數(shù)的不確定性等人為確定的一個系數(shù)，嚴格地講安全系數(shù)是穩(wěn)定性系數(shù)中的一個點值。穩(wěn)定性系數(shù)是用定值法表示的實際具有的安全儲備，安全系數(shù)是用定值法表示的要求達到的安全儲備，是為穩(wěn)定性系數(shù)設(shè)定的標準。

《冶金礦山排土場設(shè)計規(guī)范》(GB51119—2015)中說明，安全穩(wěn)定性標準應(yīng)根據(jù)排土場等級和計算工況確定。自然工況下(重力、穩(wěn)定地下水、正常施工荷載的組合)，當排土場等級為三級時，排土場整體安全穩(wěn)定性標準為1.15～1.20，排土場下游存在村莊、居民區(qū)、工業(yè)場地等設(shè)施時，相應(yīng)區(qū)域排土場安全標準應(yīng)取上限值；排土場整體穩(wěn)定性在降雨及地震工況下可在自然工況的標準下降低0.05，最低安全系數(shù)不低于1.10。

安全系數(shù)是滑坡治理工程設(shè)計的重要參數(shù)，對安全系數(shù)的確定應(yīng)從滑坡滑動可能造成的后果，治理工程措施目的，地表建筑物的重要性，對滑坡性質(zhì)、滑動因素、滑體和滑帶巖土結(jié)構(gòu)和強度等因素掌握的準確程度，控制滑坡發(fā)展的把握性及其工程修復的難易程度等方面綜合考慮。一般來說，對于規(guī)模較小、變形較快且易于查清性質(zhì)的滑坡，安全系數(shù)值可取小值，而對于危害較大，滑動后可能產(chǎn)生嚴重后果，或?qū)碌牧私獬潭炔粔蛏钊霑r，安全系數(shù)可以適當取得大一些。

因此，基于排土場失穩(wěn)對周邊環(huán)境的影響程度、范圍和該排土場邊坡的工程特點，按照適度變形設(shè)計原則，允許部分破壞思想理念，以滿足礦山經(jīng)濟性與安全性兼顧的要求并結(jié)合上述各規(guī)范對邊坡安全系數(shù)的要求，同時結(jié)合《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)《和滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T029—2006)，確定該排土場邊坡在天然(自重)工況下邊坡安全系數(shù)取值為[FS]≥1.20，考慮地震、降雨工況下取值為[FS]≥1.15。

3 極限平衡法下的邊坡協(xié)同穩(wěn)定分析

3.1 理論基礎(chǔ)

極限平衡法的基本思想是假定邊坡沿巖土體內(nèi)某一確定的滑面滑移，根據(jù)靜力平衡原理和摩爾-庫侖破壞準則計算沿該滑裂面滑動的可能性，即安全系數(shù)FS的大小，從中選取多個可能的滑動面，并計算相應(yīng)的安全系數(shù)大小，安全系數(shù)最小值對應(yīng)的滑移面就是最可能發(fā)生滑動的面。極限平衡法中的安全系數(shù)定義為不斷衰減巖土體的剪切強度指標到C′/FS和tanΦ′/FS，使滑面(圓弧面或非圓弧面)整體達到極限平衡態(tài)時的強度折減系數(shù)即為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FS。目前極限平衡法主要有瑞典圓弧法，畢肖普法，Janbu法，Sarma法，Spencer法和Morgenstern-Price法等。各種方法不同之處在于相鄰土條間的內(nèi)力假定條件不同，使超靜定問題變成靜定問題。

結(jié)合《冶金礦山排土場設(shè)計規(guī)范》(GB51119—2015)，當排土場表現(xiàn)為內(nèi)部進程圓弧破壞時，可采用Morgenstern-price法、Bishop法、Spencer法或強度折減法；當破壞模式為沿表土-基巖或排土體-地基的折線破壞時，可采用傳遞系數(shù)法、Janbu法或強度折減法。因此，采用了基于極限平衡理論的Bishop法、Spencer法和Morgenstern-price法對該排土場的穩(wěn)定狀態(tài)進行了初步分析。

3.2 邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果分析

建立該排土場穩(wěn)定性分析2D模型并用極限平衡法對不同工況下的排土場邊坡穩(wěn)定性進行了計算，得到最危險滑移面位置和安全系數(shù)，計算結(jié)果見表1。鑒于篇幅所限，該文只列出了降雨工況下Bishop法的計算結(jié)果云圖，見圖2。

表1 不同工況下排土場邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果

計算結(jié)果表明：由表1看出不同方法計算得出的排土場邊坡最危險滑移面穩(wěn)定性系數(shù)只有在天然工況下大于規(guī)程要求的安全系數(shù)，在考慮外部地震荷載和降雨作用下邊坡體安全穩(wěn)定性系數(shù)均存在不同程度的衰減，已不滿足規(guī)范要求超出了協(xié)同穩(wěn)定范圍；由計算云圖發(fā)現(xiàn)，最危險滑面表現(xiàn)為貫通整體的滑移，因此應(yīng)對該土場邊坡采取一定的防護措施以防止其失穩(wěn)產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害。

4 強度折減法下的邊坡協(xié)同穩(wěn)定分析

4.1 強度折減法原理

極限平衡法同強度折減法的安全系數(shù)具有相同的物理意義，強度折減法在本質(zhì)上與傳統(tǒng)的極限平衡法一致，且實際中許多邊(滑)坡的發(fā)生常常是由于外界因素引起巖土體強度降低所致，而強度折減法的提出使得采用數(shù)值分析手段計算安全系數(shù)成為可能。連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日法(FLAC)具有使用強度折減法求解安全系數(shù)的功能，不僅可以得到復雜邊坡的安全系數(shù)，而且容易通過臨界狀態(tài)的剪應(yīng)變和節(jié)點速度判斷出滑動面的位置，所以越來越廣泛地應(yīng)用到工程實際中。

Duncan(1996)指出邊坡安全系數(shù)可以定義為使邊坡剛好達到臨界破壞狀態(tài)時，對土的剪切強度進行折減的程度。這種強度折減技術(shù)應(yīng)用到有限差分中可以表述為：保持巖土體的重力加速度為常數(shù)，通過逐步減小抗剪強度指標，將c，φ值同除以折減系數(shù)Fsr，得到一組新的強度指標c′，φ′，然后進行有限差分分析，反算及計算直至邊坡達到臨界破壞狀態(tài)，此時采用的強度指標與巖土體原有的強度指標之比即為該邊坡的安全系數(shù)Fs，公式如下。

(1)

(2)

式中：

c和φ—巖土體的抗剪強度；

ce和φe—折減后保持坡體穩(wěn)定的極限抗剪強度；

Fsr—強度折減系數(shù)。

4.2 強度折減計算結(jié)果分析

剪應(yīng)變率等值線表示剪切破壞面，即邊坡變形潛在滑坡破壞面的位置，見圖3。

通過FLAC2D進行驗算后，安全穩(wěn)定性系數(shù)在天然、地震、降雨下分別為1.24、1.12和1.15，只有天然工況滿足《有色金屬礦山排土場設(shè)計規(guī)范》要求，在降雨、地震荷載作用下邊坡穩(wěn)定明顯降低，剪切等值線已從坡腳貫通到坡頂，滑動區(qū)域增大，排土場邊坡存在較大的安全隱患超出安全協(xié)同范疇。

5 排土場邊坡綜合分析與治理

5.1 與slide極限平衡對比分析

運用極限平衡法和數(shù)值仿真模擬法計算了各種工況下排土場邊坡穩(wěn)定情況，計算結(jié)果相互驗證，可提供趨于合理的結(jié)論，為排土場穩(wěn)定提供理論依據(jù)。對比極限平衡法計算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最危險滑動面基本吻合，兩者所得的安全系數(shù)非常接近，最大誤差不超過3 %，表2給出了2種方法不同工況下的安全穩(wěn)定性系數(shù)。

表2 不同方法所得排土場邊坡最小安全穩(wěn)定性系數(shù)表Tab.2 Minimum safety and stability coefficient of waste dump slope obtained by different methods

鑒于上述分析，通過極限平衡和有限差分強度折減得出：邊坡在現(xiàn)狀下滿足協(xié)同穩(wěn)定，安全儲備較大，但考慮降雨、地震作用于排土場時，打破了系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間平衡，而系統(tǒng)內(nèi)部通過非線性機制作用改變應(yīng)力分布狀態(tài)、改變結(jié)構(gòu)產(chǎn)生協(xié)同現(xiàn)象，使系統(tǒng)形成具有一定功能的自組織結(jié)構(gòu)，宏觀上產(chǎn)生時間結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)或時空結(jié)構(gòu)，在非平衡態(tài)下出現(xiàn)新的有序態(tài)而超出邊坡協(xié)同穩(wěn)定范圍，未達到礦山排土場的安全要求，需對排土場邊坡進行適當整治。因此，為保證排土場安全運行應(yīng)從該排土場邊坡可能發(fā)生滑坡作用機理出發(fā)從控制工程、抑制工程角度進行有效防治。

5.2 設(shè)計、治理原則與理念

考慮排土場工程安全威脅主要是上部排土平臺工程機械和坡腳下游范圍內(nèi)的村莊、設(shè)施等。排土場散體未經(jīng)分層和碾壓控制，堆排時必出現(xiàn)較大的沉降變形和裂縫，導致局部垮塌和小范圍臺階滑坡，對于這一部分對邊坡體產(chǎn)生的災(zāi)害，不可能限制其變形，也沒必要。因此，基于該排土場對周邊環(huán)境的影響程度和范圍，考慮排土體與地基基礎(chǔ)的協(xié)同作用，按照適度變形設(shè)計原則，允許部分破壞理念思想，以滿足礦山經(jīng)濟性與安全性兼顧的要求。

滑坡失穩(wěn)是多因素綜合作用的結(jié)果，但對于某一特定的滑坡總存在對滑坡發(fā)生起關(guān)鍵控制作用的因素，因此，對于失穩(wěn)滑坡應(yīng)根據(jù)滑坡失穩(wěn)緣由采取主要工程措施消除或控制其發(fā)展進而穩(wěn)定滑坡，對其他因素采取一般性輔助措施達到綜合性治理。

5.3 排土場安全運行治理方案

5.3.1 控制工程

(1)完善泄洪系統(tǒng)。鑒于該地區(qū)降雨集中且強度高，可在外圍設(shè)置多道截水溝以攔截附近的地表水，對于滑坡區(qū)域修設(shè)排水系統(tǒng)，疏導地表及地下水，防止其滲入滑坡體內(nèi)而削弱巖土體抗剪強度指標以及增大坡體的下滑力，同時根據(jù)工程地質(zhì)勘查，雨季地下水的影響程度考慮設(shè)置盲溝、暗涵等排除地下水最大程度降低降雨對邊坡穩(wěn)定的影響。

(2)削方減載。削坡減載是治理滑坡常用的方法之一，常用于治理處于“頭重腳輕”狀態(tài)而在前方又沒有可靠抗滑地段的滑體。最經(jīng)濟、最合理的削坡處理措施，應(yīng)該是在獲得滑坡段滑坡推力及剩余滑坡推力的基礎(chǔ)上，按設(shè)計工況條件下滑坡體剪出口處的剩余下滑力來確定削坡位置及其規(guī)模。所謂“減重”是指在滑坡體的上部牽引段和部分主滑段產(chǎn)生剩余下滑力的部分挖去一部分滑體巖土，以減小滑體重量和滑坡推力的工程。即減少滑坡體的體積，改變坡體的幾何形態(tài)，從而減小滑坡的下滑推力，使滑坡體坡面形成規(guī)則的穩(wěn)定坡面形態(tài)，或?qū)⒌诙_階做成兩個平臺降低排棄高度，從而提高排土場的安全穩(wěn)定性系數(shù)。

5.3.2 抑制工程

建議對排土場坡腳壩體進行相應(yīng)的加固措施(注漿、抗滑擋墻、預應(yīng)力錨索等)，從而增加抗滑力，控制排土場邊坡的滑移。

6 結(jié) 語

通過對該排土場邊坡穩(wěn)定性計算分析，極限平衡和數(shù)值模擬結(jié)果表明，目前排土場邊坡在降雨、地震荷載下表現(xiàn)出不穩(wěn)定的因素，存在滑坡失穩(wěn)的趨勢，超出了協(xié)同作用的范圍。該排土場邊坡破壞滑坡失穩(wěn)表現(xiàn)為推移式，滑動面不深且具有上陡下緩形態(tài)，可采用削坡減載、排水等控制工程改變滑坡體的物理力學特性，從而減小下滑力進而削減支擋工程數(shù)量、節(jié)省投資，也為施工安全創(chuàng)造了條件，同時與注漿、擋土墻、樁工程等抑制工程相結(jié)合，增加抗滑力，同時結(jié)合土場區(qū)域工程水文地質(zhì)條件和外在因素進行滑坡綜合防治，實現(xiàn)經(jīng)濟安全最大化，以達到穩(wěn)定滑坡的目的。