涂欣強，楊朝云，周鷺，陳斌，李立華，劉秋

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

0 引言

排土場是礦山生產過程中的重要工程設施，是礦山采礦排棄物集中排放的場所，其主要功能是堆積生產過程中產生的排棄物，包括腐植表土、風化巖土、堅硬巖石以及混合巖土，有時也包括可能回收的表外礦、貧礦等[1-2]。在排土場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)、長期的堆積后，排土場邊坡在應力及擾動作用下將產生各種裂縫、坍塌、滑坡等不良地質現象，對排土場的穩(wěn)定性產生不良影響，對周圍的人、設備及環(huán)境造成嚴重的災害危險[3-4]。

銀山礦業(yè)公司百嶺灣排土場從設計開始使用，隨著露采生產規(guī)模的擴大，排土場規(guī)模也隨之增大，堆積過程中，采用汽車將廢石運至排土場頂部，從頂部直接向下排放，中間未設置堆積平臺。目前排土場最大堆積標高為221.0 m。按照銀山礦業(yè)最新的生產規(guī)劃，在排土場上部還將繼續(xù)堆積廢石，堆積高度將再增加10.0 m，從安全生產與管理角度考慮，亟需對銀山百嶺灣排土場進行全面的穩(wěn)定性分析研究工作，以探究不同工況下排土場增高的可行性。

近年來，國內學者對排土場在不同工況下的穩(wěn)定性開展了大量研究，張文飛等[5]基于Biot 固結理論的直接耦合方法，運用GeoStudio 軟件開展了不同降雨工況下排土場邊坡的孔隙水壓力研究，得到不同降雨工況下排土場邊坡的孔隙水壓力及安全系數變化；周軍委[6]借助Slide 軟件對石寶鐵礦排土場3 個特征面進行危險面的搜索計算，得到排土場邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)；蔡文倩等[7]通過數值模擬手段，以嶺南沿海地區(qū)礦山排土場為工程案例，研究出不同降雨工況下排土場邊坡的含水量、滲透系數以及安全系數的變化規(guī)律；李鋼[8]結合室內試驗并利用GeoStudio 及FLAC3D 軟件分析了凍融條件下高寒高海拔地區(qū)排土場的穩(wěn)定性特，結果發(fā)現凍融循環(huán)作用對散體材料的抗剪強度影響顯著。

基于以上研究可知，排土場的穩(wěn)定性研究主要基于數值分析軟件對不同工況下排土場的安全系數進行評價。為評價銀山礦排土場在不同工況下的穩(wěn)定性特征，通過現場與室內試驗，獲取了排土場堆積散體材料的滲透系數與物理力學特征，通過Phase2 軟件分析了排土場特定剖面在降雨工況下的浸潤線變化，并結合余推力法計算了排土場在普通工況、降雨工況以及全飽和狀態(tài)下的安全系數變化。

1 排土場巖土材料物理力學性質研究

本項目基于現場所選取的排土場邊坡散狀巖土體樣本，通過室外滲流試驗以及在室內進行常規(guī)物理力學測試與大型直接剪切試驗，分析所取樣本的物理力學性質，具體的試驗過程與散體材料的直剪試驗類似[9]，得到的百嶺灣排土場地巖土體的物理力學性質試驗結果見表1。

表1 物理力學性質試驗結果

基于現場調查及室內試驗，在排土場的3 個臨空坡面選取4 個剖面對排土場的穩(wěn)定性進行數值模擬分析，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 降雨工況下排土場浸潤線分析

銀山礦百嶺灣排土場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，對堆積散體邊坡的力學性能產生弱化作用，其對邊坡的穩(wěn)定性影響很大[10-12]，因此，在進行排土場邊坡穩(wěn)定性分析之前，需要開展降雨工況下排土場堆積散體邊坡內滲流場的分布變化規(guī)律研究。

本研究主要以現有設計標高的排土場邊坡以及考慮后期規(guī)劃加高后的排土場邊坡為研究模型，分析二者在正常工況與降雨工況下的坡體內浸潤線變化規(guī)律，并進一步在地表浸潤線觀測與調查以及室內與現場滲透系數試驗的基礎上，進行滲流場的計算與分析。根據前述研究中所開展的現場及室內土工試驗的排土體滲透系數試驗結果（見表1），并考慮到排土場中顆粒體的各向異性，同時參考國內外研究中排土場滲流計算所取的滲透系數經驗值，選取了合理的計算參數。

在二維穩(wěn)定流場計算中，設水流運動符合達西定律[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；H為水頭值函數。

式中，Z為所討論點相對于基準線的高度；P為該處水壓力；γw為水容重。

根據穩(wěn)定條件可得到關于水頭值H的準調和微分方程式：

式中，Q為產生水的速率。

關于水頭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 對百嶺灣排土場的滲流變化進行計算，根據已知的水文地質條件對模型設置邊界條件（見圖2），通過迭代計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線變化，如圖3 所示。由圖3 計算表明，由于百嶺灣排土場邊坡堆積體滲透系數相對較大，降雨從坡體表面滲透進入堆積體后，入滲地下水與地表逕流在短時間內即從坡腳處排出，從而使得該排土場的浸潤線能保持相對較低的狀態(tài)；在排土場邊坡后期規(guī)劃加高模型中可以發(fā)現，雖然該工況下坡體的浸潤線較現有標高略微升高，但升高幅度相對較小，驗證了原設計規(guī)劃下排土場滲流的安全性。

圖2 1-1 剖面在降雨作用下的浸潤線計算邊界條件與網格

圖3 銀山礦百嶺灣排土場降雨作用下的浸潤線變化（單位：m）

3 排土場穩(wěn)定性計算分析

目前排土場的穩(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)定性分析應用較早、積累經驗最豐富且最常用的方法，因其應用簡便而被廣泛應用于邊坡的穩(wěn)定性分析，對于排土場的極限平衡分析法，根據研究經驗，采用極限平衡分析中的余推力法更適用于排土場的穩(wěn)定性分析[14-15]，余推力法適用于任意形狀的邊坡滑動面，該法假定條塊間力的合力與上一條塊底面相平行，其計算公式為：

式中，c′、φ′為材料的有效黏聚力和內摩擦角。

在對該排土場進行穩(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 種工況下的現狀標高及后期規(guī)劃加高后的排土場邊坡運行情況，一是堆積層處于正常工作狀態(tài)，此時排土場坡體內滲流狀態(tài)設置為實測的浸潤線位置，稱為正常工況；二是考慮兩百年一遇的降雨條件下，分析排土體內浸潤線變化規(guī)律，稱為最大降雨工況。參考《金屬非金屬礦山排土場安全生產規(guī)則》[16]，確定了排土場的安全等級見表2。

表2 排土場等級劃分

采用余推力法開展銀山礦百嶺灣排土場的現狀穩(wěn)定性分析，百嶺灣排土場在后期規(guī)劃加高至220 m 后的穩(wěn)定性，計算結果如圖4 所示。由圖4（a）可以看出，在正常工況下，計算得到的排土場邊坡安全系數均大于1.15，屬于正常級別，后期規(guī)劃加高后排土場處于正常工況時（見圖4（b）），所有剖面的余推力法的安全系數均大于1.15，滿足規(guī)范要求，且安全儲備均有一定富余；現有標高下排土場處于最大降雨工況時（見圖4（c）），余推力法計算得到的安全系數大于1.15，能滿足規(guī)范要求，但相對于正常工況來說，安全系數明顯下降，說明正常工況下降雨對排土場邊坡的穩(wěn)定性存在明顯影響；后期規(guī)劃加高至220 m 后排土場處于最大降雨工況時，余推力法計算得到的安全系數為1.0～1.15，屬于病級，不符合設計要求。

圖4 余推力法計算分析結果

4 排土場增高建議措施

根據前述分析可知，在現有標高下最大降雨工況時，排土場的安全系數儲備較低，后期規(guī)劃加高至220 m 后在最大降雨工況下排土場邊坡穩(wěn)定性處于病級狀態(tài)。因此，后期規(guī)劃加高采取如下措施：后期規(guī)劃加高在現有標高的基礎上預留一個20 m的堆積平臺，如圖5 所示。通過余推力法計算，該措施可有效提高排土場邊坡穩(wěn)定性，最大降雨工況時安全系數最小值為1.176，能滿足規(guī)范要求。

圖5 排土場增高建議（單位:m）

5 結論

（1）對從銀山百嶺灣排土場現場帶回的散體試樣開展室外滲透系數及室內物理力學試驗，獲得了百嶺灣排土場散體材料的物理力學特性與相應的強度參數。

（2）銀山露采百嶺灣排土場整體穩(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備不足，為了提高排土場的安全儲備，建議后期規(guī)劃加高時預留寬度約20 m 左右的平臺，以確保排土場的安全運行。