吳翔偉 余新洲3

（1.長沙礦山研究院有限責任公司；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室）

礦山排土場是在采礦過程中剝離的表土、廢石集中堆放所形成的，堆放的廢石土屬于松散介質(zhì)，整體強度較低，隨著排土物料的增高、自重荷載的增加以及雨水作用等因素影響，在排土場薄弱區(qū)易發(fā)生沖剪破壞，從而產(chǎn)生泥石流或滑坡災(zāi)害，甚至威脅下游工業(yè)場地、居民的安全，因此，對排土場邊坡進行穩(wěn)定性分析對礦山安全管理具有極大的指導(dǎo)意義［1-2］。

1 排土場地址

本排土場設(shè)置在露天采場西北側(cè)溝谷中，距離露天塹溝口1.6 km，溝谷坡向為東西向，北、東及南側(cè)均為丘陵斜坡，在溝谷西側(cè)僅有一個收口，地形向西側(cè)傾斜，場地中部為帶狀凹地。溝谷北側(cè)地形分水嶺最高標高為152.00 m，南側(cè)分水嶺最高標高為176.00 m，東側(cè)最高標高為230.00 m，西側(cè)最低標高為35.00 m，高差為165 m。溝谷兩側(cè)山體坡度為20°～35°，溝底坡度為5°～12°，岸坡植被較好，溝谷內(nèi)無常流水。將山谷作為排土場地址，能利用山谷的凹形，阻止排土水平位移，溝谷上寬下窄有利于排土場整體穩(wěn)定性。

根據(jù)《排土場詳細勘察報告》，排土場場地范圍內(nèi)無全新世活動斷裂通過，在勘察范圍內(nèi)亦未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造等，巖體較完整?？辈靾鰠^(qū)地形起伏大，地層結(jié)構(gòu)較簡單，未發(fā)現(xiàn)陡坎、滑坡、危巖和崩塌、泥石流等不良地質(zhì)作用。未見坡體內(nèi)存在明顯的潛在滑動面或軟弱（夾層）結(jié)構(gòu)面，溝谷兩側(cè)自然邊坡較穩(wěn)定。排土場及附近均無大的地表水系通過，地表水體主要為局部沼澤、溝涌等，地表水主要受大氣降水的影響，季節(jié)性影響明顯。排土場所在溝谷三維模型見圖1。

2 外部防護距離

參考冶金礦山和有色金屬礦山排土場設(shè)計要求，根據(jù)排土場的等級及下游鐵路、公路、工業(yè)場地、居住區(qū)、村鎮(zhèn)等情況，確定排土場坡底線與下游設(shè)施之間的防護距離。

本排土場總堆置高度為125.0 m，為二等排土場，排土場下游距攔擋壩坡底線200 m 范圍內(nèi)無相關(guān)設(shè)施及建（構(gòu)）筑物，滿足安全距離要求；下游900 m 處為西江，西江是珠江流域第一大水系，上游發(fā)源于云南省沾益縣馬雄山，流經(jīng)黔、桂、粵等省。

3 排土場設(shè)計參數(shù)

（1）根據(jù)本項目生產(chǎn)規(guī)模、地形地質(zhì)條件、剝采比及資源綜合利用情況，排土場主要堆放前期剝離的土層及廢石，采用30 t自卸汽車運輸排土。露天采場基建期表土量為294.0 萬m3，考慮沉降后的松散系數(shù)1.15和排土場富余系數(shù)1.02，設(shè)計排土場設(shè)計容量為344.9 萬m3，排土場總堆置高度為125.0 m，為二等排土場。

（2）在排土場收口處設(shè)置一個攔擋壩，采用透水碾壓堆石壩結(jié)構(gòu)，攔擋壩頂標高為60.0 m，壩底標高為40.0 m，上下游坡率均為1∶2，在50.0 m 標高處設(shè)10 m寬平臺。

（3）排土場臺階高度為15 m，臺階之間留10 m 寬平臺，排土場終了后形成8 個臺階，臺階標高為60～165 m。

（4）降雨是排土場穩(wěn)定性的重要影響因素之一，尤其是高臺階排土場，阻止大氣降雨進入排土場，場區(qū)不產(chǎn)生大量的匯水，能有效地阻止泥石流發(fā)生，并降低滑坡的可能性［3-4］。本項目排土場防排洪按50 a一遇標準進行設(shè)計，場外截洪溝采用C20素混凝土結(jié)構(gòu)，梯形斷面，內(nèi)坡均為1∶0.5，沿程最小坡降均為1%。排土場每級臺階形成后，及時在臺階坡腳和兩側(cè)設(shè)置平臺排水溝及兩側(cè)壩肩排水溝，均采用矩形斷面，平臺排水溝由中間坡向兩側(cè)接入肩部排水溝。

（5）本次設(shè)計以不同的臺階邊坡坡率進行排土場穩(wěn)定性分析，模擬出穩(wěn)定性曲線，根據(jù)曲線參數(shù)選取合理的邊坡坡率，再驗算邊坡穩(wěn)定性。排土場平面布置見圖2，沿排土場縱向A—A剖面進行穩(wěn)定性分析。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 穩(wěn)定性標準

參考冶金礦山和有色金屬礦山排土場設(shè)計要求，排土場穩(wěn)定性標準要求詳見表1［5-6］。

表1 排土場安全標準

該排土場為二等排土場，安全系數(shù)判別標準為天然工況Fs≥1.25，降雨工況Fs≥1.20。

4.2 分析方法

本排土場設(shè)置在露天采場西北溝谷中，在溝谷東側(cè)僅有一個收口，溝谷上寬下窄，有利于排土場整體穩(wěn)定性，溝底坡度在5°～12°，較為平緩，經(jīng)分析認為，該排土場沿排土體—山谷接觸帶、排土場基礎(chǔ)薄弱面的滑坡幾率較小，沿排土體內(nèi)部近呈圓弧滑動的幾率較大［7］。在極限平衡分析法中，選取了Bishop法、Morgenstern-Price 法、Spencer 法等常用方法進行分析，可有效減少計算誤差對結(jié)果造成的影響。

4.3 場地巖土層力學(xué)參數(shù)

根據(jù)《排土場詳細勘察報告》，通過巖土力學(xué)試驗，得出巖土參數(shù)建議值，詳見表2。

表2 巖土參數(shù)建議值

4.4 穩(wěn)定性計算

影響排土場穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)有臺階高度、平臺寬度、邊坡坡率，本次計算以A—A剖面建立模型，臺階高度15 m、平臺寬度10 m 為恒定值不變，以臺階邊坡坡率1∶1.0、1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0 分別分析計算，根據(jù)不同坡比下得到的安全穩(wěn)定性系數(shù)建立安全系數(shù)—邊坡坡率變化曲線，分析安全系數(shù)與臺階邊坡坡率之間的關(guān)系，尋找最優(yōu)的臺階邊坡坡率［8］。

本排土場邊坡的穩(wěn)定性分析采用極限平衡計算軟件Rocscience-Slide，該軟件能夠通過自動尋找潛在的破壞位置或者由設(shè)計者確定位置進行分析。

A—A剖面模型見圖3，本工程所在地地震基本烈度為6 度，因此，本排土場安全穩(wěn)定性僅校核自然工況及降雨工況。附圖僅列舉Bishop法計算結(jié)果，詳見圖4～圖7。安全系數(shù)計算結(jié)果匯總見表3。安全系數(shù)—邊坡坡率變化曲線見圖8。

表3 安全系數(shù)計算結(jié)果匯總

由表5 可知：3 種計算方法測得的安全系數(shù)基本相近，在臺階高度15 m、平臺寬度10 m 為恒定值不變的前提下，當邊坡坡率為1∶1.0 時，在自然工況和降雨工況下均不能滿足安全穩(wěn)定的要求；當邊坡坡率為1∶1.5 時，在自然工況和降雨工況下均不能滿足安全穩(wěn)定的要求；當邊坡坡率為1∶1.75 和1∶2.0 時，2 種工況下均滿足要求且富余較多。根據(jù)安全系數(shù)曲線，當邊坡坡率為1∶1.6 時，自然工況下Fs=1.251，降雨工況下Fs=1.207，2 種工況下的安全系數(shù)均滿足要求，且有一定的富余。因此，將排土場邊坡坡率調(diào)整到1∶1.6，在Slide 軟件中驗證安全系數(shù)是否符合要求［9-11］，見圖9。

由圖9可知，當邊坡坡率為1∶1.6時，自然工況下Fs=1.276，降雨工況下Fs=1.257，比安全系數(shù)—邊坡坡率變化曲線上推斷出來的安全系數(shù)略大，均能滿足安全驗算要求。因此，將排土場邊坡坡率設(shè)計為1∶1.6，安全系數(shù)滿足要求。

排土場邊坡坡率越小，排土場邊坡穩(wěn)定性越高，排土場有效容積就越小，土地的有效利用率就越低；排土場邊坡坡率越大，排土場邊坡穩(wěn)定性越低，排土場有效容積就越大，土地的有效利用率就越高。排土場穩(wěn)定性分析研究是在排土場的穩(wěn)定性與有效容積之間尋找到一個平衡點，在保證排土場邊坡穩(wěn)定的前提下，有效提高排土場容積。

5 結(jié) 論

（1）排土場設(shè)置在露天采場西北溝谷中，在溝谷東側(cè)僅有一個收口，溝谷上寬下窄，場內(nèi)地質(zhì)條件有利于排土場整體穩(wěn)定性；排土場下游防護距離滿足要求；截排水設(shè)計按50 a 一遇標準進行設(shè)計，設(shè)置場外截洪溝和場內(nèi)排水溝，降低泥石流、滑坡發(fā)生的風(fēng)險。

（2）排土場穩(wěn)定性分析是一個試算的過程，在邊坡高度、平臺寬度不變的前提下，計算排土場在不同邊坡坡率下的安全系數(shù)，根據(jù)計算結(jié)果，繪制安全系數(shù)—邊坡坡率變化曲線，根據(jù)曲線，選擇合適的邊坡坡率，并進行驗算。

（3）通過極限平衡法對排土場穩(wěn)定性分析計算，結(jié)果表明，最危險滑移面出現(xiàn)在中部邊坡，當邊坡坡率為1∶1.6 時，自然工況下Fs=1.276，降雨工況下Fs=1.257，安全系數(shù)均能滿足安全驗算要求，在保證排土場邊坡穩(wěn)定的前提下，有效提高了排土場容積。