元寶山露天煤礦3號排土場邊坡穩(wěn)定性分析

摘要：通過野外工程地質(zhì)勘察，查明了元寶山露天煤礦3號排土場的地形地貌、地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件，在此基礎(chǔ)上采用剛體極限平衡法中的畢肖普條分法計(jì)算了3號排土場各勘察剖面的穩(wěn)定系數(shù)，同時(shí)計(jì)算排了棄物基底的承載力和排棄高度，指出了影響邊坡穩(wěn)定的因素以及治理措施，保證了排土場邊坡形成過程中和形成后的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：工程地質(zhì)勘察 排土場 邊坡穩(wěn)定系數(shù) 排棄高度 元寶山露天煤礦

概述

元寶山露天煤礦3號排土場區(qū)位于Ⅰ級、Ⅱ級玄武巖臺地（地面高程一般540—640m）之上，其臺地表面賦存的粉土、粉質(zhì)黏土呈疏松狀黃土斜坡地形。總體地勢為南、東、西三面高，北面低，呈剝蝕狀低山、丘陵地貌。

區(qū)內(nèi)主要由一條ＮＮＥ向的主沖溝與另外一條ＮＷ方向的支沖溝匯合而成（溝底高程520m），占地面積約2.7km2，設(shè)計(jì)排棄物一次排高為600m水平、二次663m水平；排棄物堆積量約1.7×108m3，堆積高度近百米。

3號排土場北面400m處是農(nóng)田和村莊，東面200m處是林場，一旦發(fā)生滑坡災(zāi)害，將會對人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的威脅。本文即是在專門地質(zhì)勘察工作的基礎(chǔ)上，建立數(shù)值模型、分析計(jì)算出邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，并對排土場邊坡整體穩(wěn)定性做出客觀的評價(jià)（包括剝離物排棄高度），從而保證了排土場邊坡形成過程中和形成后的穩(wěn)定。

1. 排土場區(qū)環(huán)境地質(zhì)條件

1.1地層巖性

1.1.1白堊系元寶山組泥巖、粉砂巖(K1yμ)

灰黃色-淺灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀，微風(fēng)化，易軟化、崩解；局部相變強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，疏松、易破碎。呈層狀結(jié)構(gòu)，巖體穩(wěn)定程度較好。

1.1.2新近系上新統(tǒng)玄武巖(N2β)

黑色，致密塊狀或氣孔狀，孔內(nèi)有白色鈣質(zhì)結(jié)核，頂部巖芯破碎，下部堅(jiān)硬，節(jié)理、裂隙面彼此交切、支離破碎（碎屑泥質(zhì)充填）。呈碎裂結(jié)構(gòu)，巖體穩(wěn)定程度一般。

1.1.3第四系松散層(Q)

棕黃色粉質(zhì)黏土(Q2eol)：稍有光澤感，韌性較好，強(qiáng)度較高。具黏著感，呈可塑-軟塑狀。

黃色粉土(Q3eol)：稍濕，無光澤，韌性差，干強(qiáng)度低，聚團(tuán)結(jié)構(gòu)，土質(zhì)松散，垂向節(jié)理發(fā)育，具微濕陷性。

上述黃土（一般厚度2.40-33.90m）構(gòu)成了排棄物的基底，但由于抗剪強(qiáng)度較低，具蠕滑變形特性，穩(wěn)定性較差。

1.2水文地質(zhì)條件

場區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件簡單，僅為孔隙、裂隙潛水和局部弱上層滯水。

1.2.1孔隙、裂隙潛水

由大氣降水入滲補(bǔ)給，地下水賦存于玄武巖的節(jié)理、裂隙中以及沖溝底部的含礫粉土中，地下水受節(jié)理、裂隙網(wǎng)絡(luò)控制由南向北徑流、排泄。

另據(jù)調(diào)查，在Ⅰ號主沖溝內(nèi)分布一下降泉水，水位高程519.50m，徑流量1.2-2.1L/S(雨季徑流量將增大)。該泉水在與II號支沖溝交匯處潛入滲透性良好的沙礫石層內(nèi)轉(zhuǎn)為地下潛流。

1.2.2局部弱上層滯水

由大氣降水入滲補(bǔ)給，并通過垂直節(jié)理或弱透水層在粉土、粉質(zhì)黏土內(nèi)的適宜蓄水部位聚積形成透鏡體狀分布的局部弱上層滯水，但在鉆孔控制深度內(nèi)基本無水。

1.3影響排土場穩(wěn)定的不良因素

1.3.1沖溝的分布

3號排土場內(nèi)沖溝發(fā)育，沖溝兩側(cè)多由粉土及含礫粉土峭壁組成，坡度一般為45-60°，規(guī)模大小各異。

Ⅰ號主沖溝沿南西北東向延伸，沖溝長約2，000余米，縱坡降一般為9.0 ‰，溝寬為23.0-120.0 m，呈開闊的“U”字形，溝深一般為13.0～20.0m，溝沿兩側(cè)分布的樹枝狀支溝則呈陡峭的“V”字形。

Ⅱ號支沖溝呈南東北西向延伸，長約1，000m，縱坡降一般為15.0‰，底寬約6.0m，頂寬約50.0m，溝深一般15.0-32.0m，溝源呈陡峭的“V”字形。

沖溝的分布使玄武巖臺地表面完整性變差，同時(shí)又具備良好的臨空面，影響了整體邊坡的穩(wěn)定性。

1.3.2地層的蠕變性

分布于玄武巖臺面頂部的粉土、粉質(zhì)黏土具黏著感，滲流下呈塑性，具備蠕滑變形的特性，不利于邊坡的穩(wěn)定。

1.3.3排棄物的松散性

呈壓縮狀松散堆積的排棄物、厚層近百米，透水性好而近乎無聯(lián)結(jié)，穩(wěn)定性極差。

2. 排土場穩(wěn)定性分析

3號排土場的穩(wěn)定性分析采用剛體極限平衡分析法（因其物理意義明確，計(jì)算方法簡單，所獲結(jié)果可靠而在實(shí)際工程中被廣泛應(yīng)用），該方法滿足力和力矩的平衡條件，摩爾—庫侖破壞準(zhǔn)則和應(yīng)力邊界條件。

采用畢肖普推力條分法計(jì)算，分別將第1-1′、2-2′、3-3和4-4′勘察剖面線作為計(jì)算剖面，由此建立條塊的靜力平衡方程，并通過求解靜力平衡方程得到各勘察剖面邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)。

2.1關(guān)于邊坡安全儲備系數(shù)的確定

邊坡安全儲備系數(shù)是衡量邊坡穩(wěn)定性的最終定量指標(biāo)，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》和《煤炭工業(yè)露天開采設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，綜合確定排土場安全儲備系數(shù)Fs≥1.3。

2.2排土場穩(wěn)定性計(jì)算

3號排土場基底地形復(fù)雜、相對高差較大，土質(zhì)疏松，上覆排棄物松散堆積、厚度較大、且部分排棄方向與山體傾伏方向一致，因此工程地質(zhì)條件較差。

茲通過對3號排土場邊坡變形模擬分析[2]，最終確定3號排土場的邊坡破壞模式為上部排棄物沿圓弧滑面剪切滑移和下部粉土、粉質(zhì)黏土弱層組合滑坡面滑坡。

2.2.1極限平衡法基本原則

(1)關(guān)于安全系數(shù)的定義

邊坡沿著某一滑裂面滑動的安全系數(shù) F是將土巖的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低為 和 ，則巖土體沿著此滑裂面處處達(dá)到極限平衡，即

式中：

(2)摩爾—庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則

設(shè)想巖土體的一部分沿著某一滑裂面滑動。在這個(gè)滑裂面上，巖土體處處達(dá)到極限平衡，即正應(yīng)力 和剪應(yīng)力 滿足摩爾—庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。設(shè)條塊底的法向力和切向力分別為 N 和 T，則有：

其中 為條塊底傾角，

u為孔隙水壓力，通常定義孔隙水壓力系數(shù)

。

(3)力平衡條件

將滑動巖土體分成若干條塊，每個(gè)條塊和整個(gè)滑動巖土體都要滿足力和力矩平衡條件。

2.2.2穩(wěn)定性分析

分別以1-1′、2-2′、3-3′和4-4′勘察剖面線作為計(jì)算剖面，依次分析計(jì)算出各勘察剖面線邊坡整體的穩(wěn)定系數(shù)是否滿足安全儲備系數(shù)的要求。

2.3基底極限承載力分析

2.3.1基底承載力分析方法

在上覆排棄物料的荷載作用下，排土場基底應(yīng)滿足以下穩(wěn)定條件，否則基底內(nèi)部將出現(xiàn)破壞，引起基底粉土、粉質(zhì)黏土層的整體剪切破壞并導(dǎo)致排土場整體失穩(wěn)。排土場整體穩(wěn)定應(yīng)滿足以下條件： Ps≤Pu/fs(2-1)

式中：Ps—排土場上覆排棄物料主荷載，kPa；Pu—基底土層極限承載力，kPa；fs—基底承載力儲備系數(shù)(安全系數(shù))。其中Ps由下式確定：Ps =γH(2-2)

式中：γ—排棄物料容重，KN/m3；H—排土場的排棄物排高，m。

由上兩式可以得出排土場允許排高計(jì)算公式：

(2-3)

當(dāng)fs=l時(shí)，排土場處于極限平衡狀態(tài);當(dāng)fs

2.3.2基底承載力計(jì)算方法

目前，尚無適合于軟基底高排土場整體穩(wěn)定的承載力計(jì)算方法。在此，引用修正的普朗特爾(Prandtal) 關(guān)于土體整體剪切破壞的極限承載力理論進(jìn)行極限承載力計(jì)算。

普朗特爾(Prandtal)根據(jù)平衡理論，假定基底面光滑無摩擦力時(shí)，推導(dǎo)出基底表面（γ=0）的條形基礎(chǔ)的極限荷載公式如下：Pu=cNc(2-4)

(2-5)

式中：Nc—承載力系數(shù)，是僅與 有關(guān)的無量綱系數(shù)；c—計(jì)算基底土層的黏聚力(kPa)

普朗特爾(Prandtal)公式是假定基礎(chǔ)設(shè)置于基底的表面，但一般基礎(chǔ)均有一定的埋置深度，而將這部分土作為分布在基礎(chǔ)兩例的均布荷載 。由此產(chǎn)生的公式為：

(2-6)

式中：Nq—承載力系數(shù)，是僅與 有關(guān)的無量綱系數(shù)；q—計(jì)算基底土層的壓腳荷載(kPa)；D—計(jì)算基底土層埋深(m)；γr—計(jì)算基底土層的上覆土層平均重度，當(dāng)土層位于地下水位以下時(shí)，取浮容重(kN/ m3)。

(2-7)

Nc=（Nq-1）cotφ (2-8)

排土場允許排高指基底土層所能承受的上覆排棄物料的最大垂直高度，綜合(2-3)、(2-6)，可得排土場允許排高計(jì)算公式：

(2-9)

對于建筑物來說，基底土層容許承載力為極限承載力除以承載力儲備系數(shù)，這個(gè)儲備系數(shù)一般不小于2，但是對于排土場來說，由于它對變形要求不甚嚴(yán)格，基底承載力儲備系數(shù)fs取1.5即可以滿足要求。

3. 結(jié)論及措施

（1）計(jì)算結(jié)果表明，各勘察剖面線的Fs﹥1.30，滿足安全儲備系數(shù)的要求，說明整體邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）隨著排土場逐漸形成和排棄荷載的增大（在允許排棄高度內(nèi)），基底土層被進(jìn)一步壓密，由于土層本身為隔水層，大氣降水易通過排棄物滲透到基底處積聚、形成演化弱層，從而造成排土場失穩(wěn)。因此，必須采取基底排水措施（即排土場最下一個(gè)臺階全部排棄沙礫石層）確保排土場穩(wěn)定、安全。

（3）鑒于下降泉水的影響，需對Ⅰ號主沖溝在排土場境界范圍區(qū)段進(jìn)行清理，按5‰坡度開挖3×3m2排水渠（再回填碎石），形成排土場基底輸水盲溝。再將Ⅱ號支沖溝底部排棄砂礫石，確保地下水向Ⅰ號主沖溝滲流，防止排土場發(fā)生大規(guī)模滑坡災(zāi)害。

（4）建議在排土場與長勝溝門村之間建立應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控排土場的穩(wěn)定狀態(tài)，并制定相應(yīng)的滑坡預(yù)警預(yù)案，從而保證排土場邊坡形成過程中和形成后的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉大野，陳志宏.元寶山露天煤礦3號線長勝排土場邊坡工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].內(nèi)蒙古赤峰：內(nèi)蒙古自治區(qū)煤田地質(zhì)局104勘探隊(duì).2009.

[2] 劉大野，李德全.元寶山露天煤礦3號排土場邊坡變形模擬分析[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì).2011.10.

[3]中華人民共和國建設(shè)部.GB50197-2005煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京.中國計(jì)劃出版社.2005.

[4]中華人民共和國建設(shè)部.GB50021-2001巖土工程勘察規(guī)范[S].北京.中國建筑工業(yè)出版社.2002.