周曉超

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

露天礦山排土場安全穩(wěn)定既是一個關(guān)系到礦山安全生產(chǎn)的技術(shù)問題，又是一個關(guān)系到下游居民生產(chǎn)生活的社會問題。眾所周知，排土場排廢工程是礦山生產(chǎn)的伴隨過程，不產(chǎn)生直接的經(jīng)濟效益，但如果系統(tǒng)中某些參數(shù)的漸變使其邊坡失穩(wěn)并超出系統(tǒng)協(xié)同穩(wěn)定的范圍，將會導(dǎo)致礦山整體系統(tǒng)的協(xié)同出現(xiàn)矛盾：輕則使礦山承受經(jīng)濟損失，重則影響礦山正常生產(chǎn)運行和周邊居民生活穩(wěn)定[1]。因此，進行排土場邊坡系統(tǒng)協(xié)同穩(wěn)定研究，進而避免不協(xié)同帶來的地質(zhì)災(zāi)害是十分有必要的。

露天礦山形成的排土場邊坡為大量土石混合體經(jīng)搬運至特定場地，并按照一定堆排工藝主動調(diào)控堆積所形成的人工土石邊坡。區(qū)別于建筑邊坡、公路邊坡等，基于對周鄰環(huán)境的影響程度，排土場邊坡允許局部坍塌、變形和裂縫的出現(xiàn)，以兼顧安全性和經(jīng)濟性的雙重管理理念[2]。研究發(fā)現(xiàn)：排土場系統(tǒng)穩(wěn)定性受場地地形影響呈現(xiàn)出一定的空間效應(yīng)(敞口發(fā)散效應(yīng)和收口夾持效應(yīng))，而排土場的凹形空間夾持效應(yīng)以及三維空間滑動存在的端部效應(yīng)使得平面應(yīng)變2D分析與實際情況可能存在偏差[3-4]。因此，排土場邊坡穩(wěn)定應(yīng)兼顧排土體系統(tǒng)與地基基礎(chǔ)的協(xié)同作用，充分利用排土場的空間效應(yīng)，減少征地，最大限度增加容量，以更好地指導(dǎo)工程實踐。

鑒于露天排土場在礦山生產(chǎn)中的重要地位，本文依托某一具體的排土場工程實例，從系統(tǒng)協(xié)同穩(wěn)定角度出發(fā)，考慮露天礦邊坡允許適度變形的設(shè)計原則和可部分破壞的理念，采用二維和三維數(shù)值仿真模擬方法對該排土場邊坡穩(wěn)定性進行了分析，從而為礦山排土場設(shè)計提供理論支撐并反饋設(shè)計方法，保證礦山安全生產(chǎn)并實現(xiàn)效益最大化。

1 工程概況

排土場場址為一封閉溝谷洼地，南北向長約 600 m，東西向長約 400 m，場地地形南西高，北東低，山坡北緩南陡，主溝底較平緩，坡度在5～10°之間，總體縱坡降約6.3%，匯水面積約 1.10 km2。主溝近南—北向展布，系呈“U”字型的平緩沖溝，溝底寬15～40 m，總長約 800 m。場地西、南、東3面地勢較高的山體地帶出露全風(fēng)化粉砂巖，局部地表零星有少量頁巖露頭；低洼溝谷地段為第四系土層覆蓋；北面山體為中等風(fēng)化白云巖出露。場地巖層走向為北西—南東向(280～320°)，傾角7～14°。

排土場位于礦區(qū)東面，礦區(qū)北面有鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路與排土場相連，西面有礦區(qū)公路與排土場相連。排土場設(shè)計堆置平臺為 2 075～2 185 m，堆置高度 110 m，堆置段高為 20～30 m。排土場擬堆棄物料為露天開采磷礦產(chǎn)生的廢棄渣土、碎石，渣土成分主要有強風(fēng)化、中等風(fēng)化粉砂巖，少量殘積粘土、強風(fēng)化頁巖和中等風(fēng)化白云巖。

2 平面應(yīng)變下的邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 強度折減法原理

強度折減法在本質(zhì)上與傳統(tǒng)的極限平衡法一致，且實際中許多滑坡的發(fā)生常常是由于外界因素(開挖、降雨等)引起的巖土體強度降低所致。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(fù)雜巖土質(zhì)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[5]。

Duncan[6]指出邊坡安全系數(shù)可定義為使邊坡剛好達到臨界破壞狀態(tài)時，對巖土體的抗剪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：通過逐步減小抗剪強度指標，將c、φ值同除以折減系數(shù)Fs，得到一組新的強度指標c′、φ′，然后進行有限差分分析，反算計算直至邊坡達到極限狀態(tài)發(fā)生剪切破壞，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(1)(2)中c和φ為巖土體的抗剪強度;c′、φ′為折減后保持坡體穩(wěn)定的極限抗剪強度;Fs為強度折減系數(shù)。

圖1 模型邊坡網(wǎng)格劃分圖Fig.1 Meshing diagram of model slope

2.2 計算工況選取及模型建立

考慮排土場邊坡穩(wěn)定影響因素，并結(jié)合《有色金屬礦山排土場設(shè)計標準》(GB 50421—2018)[7]和《冶金礦山排土場設(shè)計規(guī)范》(GB 51119—2015)[8]選取自然工況、降雨工況和地震工況進行該排土場邊坡穩(wěn)定性驗算，其中地震工況下地震烈度按VIII度(0.20 g)考慮。

根據(jù)數(shù)值差分特點，對模型邊界進行處理，同時考慮模型邊界效應(yīng)，對分析剖面的兩側(cè)進行適當(dāng)延伸。結(jié)合所選擇工程地質(zhì)剖面，對其進行簡化處理概化出模型，將模型進行網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2.3 模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬強度折減法計算得出，排土場在現(xiàn)設(shè)計的堆存狀態(tài)下，其邊坡穩(wěn)定性系數(shù)在天然(自重)、降雨和地震工況下滿足本工程設(shè)定的天然狀態(tài)安全系數(shù)[Ks]≥1.25以及降雨、地震工況下安全系數(shù)[Ks]≥1.10的要求。不同工況下排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)見表1。圖幅有限，本文僅給出了排土場邊坡東西幫天然工況下安全穩(wěn)定性系數(shù)云圖，如圖2、3所示。

1)排土場邊坡在各工況下均滿足本工程要求的安全標準，安全儲備較大，考慮地震、降雨作用于排土場系統(tǒng)協(xié)同性較差，但仍滿足本工程安全規(guī)范要求的安全系數(shù)，屬于系統(tǒng)協(xié)同量變的范疇，說明該排土場堆排方案具有一定的可行性和合理性。

2)不同工況下排土場邊坡最危險滑動面(剪切等值線)出現(xiàn)在局部臺階且發(fā)生在邊坡淺部，易出現(xiàn)表層垮塌及剪切破壞，表現(xiàn)為排土場的邊坡穩(wěn)定，而非整體協(xié)同穩(wěn)定問題，潛在滑動趨勢表現(xiàn)為內(nèi)部近程，這主要受控于排土場堆棄物料特性；而基底層多以蠕動變形為主，排土場整體是穩(wěn)定的。

表1 排土場邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果Tab.1 Stability calculation results of dump slope

圖2 天然工況-西幫邊坡剪應(yīng)變率等值線圖(Fs=1.30)Fig.2 Shear strain rate isogram of west slope under natural conditions(Fs=1.30)

圖3 天然工況-東幫邊坡剪應(yīng)變率等值線圖(Fs=1.29)Fig.3 Shear strain rate isogram of east slope under natural conditions(Fs=1.29)

3 三維空間效應(yīng)下邊坡穩(wěn)定性驗證

根據(jù)排土場邊坡平面應(yīng)變穩(wěn)定性計算結(jié)果，考慮排土場邊坡自身特性的復(fù)雜性以及排土場空間效應(yīng)地形底部對排棄邊坡土石混合體水平應(yīng)力的轉(zhuǎn)移和位移的牽制阻礙影響，為更好地評價排土場邊坡穩(wěn)定及其潛在滑動趨勢，本文利用FLAC3D并結(jié)合地形的空間效應(yīng)進行了三維邊坡穩(wěn)定性評價。

圖4 排土場邊坡速度發(fā)展矢量圖(Fs=1.34)Fig.4 Speeding vectorgraph of dump slope (Fs=1.34)

通過三維數(shù)值模擬分析，本文從三維整體模型中“抽出”與平面應(yīng)變數(shù)值模擬中同一位置處的切面，由計算結(jié)果可得出：

1)排土場邊坡不存在整體貫通的趨勢，只是在排土場的局部臺階存在潛在的滑動趨勢，且滑動勢能最大位置發(fā)生在坡頂(2 165 m 平臺)，向坡腳滑動趨勢逐漸減弱，東幫速度矢量發(fā)展較西幫的速度矢量略低(圖4)；這一結(jié)果與前述平面二維分析計算的結(jié)果比較吻合，表觀現(xiàn)象只是排土場的邊坡穩(wěn)定，而非排土場的整體穩(wěn)定。

圖5 西幫不同位置水平臺階位移監(jiān)測圖(放大10倍)Fig.5 West displacement monitor graph of different location level (10x mag)

2)三維強度折減法與二維平面分析結(jié)果基本一致，整體穩(wěn)定性相當(dāng)，排土場地形空間夾持效應(yīng)較弱，這主要是本次研究場址地形介于敞口式和收口式山谷地形間，且更多地表現(xiàn)為敞口式發(fā)散效應(yīng)，因此，地基對排土體下部的水平力轉(zhuǎn)移有限，進而與二維分析的結(jié)果較為接近。

3)從西幫不同標高位置處的放大位移監(jiān)測圖(圖5)(2點-2 075 m 水平、3點-2 105 m 水平、4點-2 135 m 水平、5點-2 165 m 水平)，坡頂(2 165 m)到坡腳(2 075 m)位移逐漸減小，最大值發(fā)生在排土場頂部為 0.40 m，最小值出現(xiàn)在攔渣壩上部坡腳處可忽略不計。這從側(cè)面進一步反映出排土場邊坡不存在排土場內(nèi)部貫通的滑動，僅是表現(xiàn)在局部臺階滑動。

4 結(jié) 語

本文采用平面二維強度折減法對不同工況下露天礦山排土場邊坡進行了穩(wěn)定性分析。實踐證明，設(shè)計滿足本工程要求的安全標準，系統(tǒng)處于協(xié)同穩(wěn)定范圍內(nèi)，說明該排土場堆排方案具有一定的可行性和合理性。

充分考慮排土場系統(tǒng)與地基基礎(chǔ)的協(xié)同夾持作用，本文采用三維強度折減法進行了排土場整體穩(wěn)定性評價；分析了系統(tǒng)整體的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律，得出的穩(wěn)定性系數(shù)和潛在滑動趨勢與平面計算結(jié)果較為一致，說明該排土場所處場地地形空間夾持效應(yīng)不明顯，對排土場管理和堆排具有一定的指導(dǎo)意義。