舞陽鐵礦西排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

郭學(xué)軍

(河南安鋼集團(tuán)舞陽礦業(yè)有限責(zé)任公司)

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舞陽鐵礦西排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

郭學(xué)軍

(河南安鋼集團(tuán)舞陽礦業(yè)有限責(zé)任公司)

摘要針對(duì)舞陽鐵礦西排土場(chǎng)的實(shí)際情況，在巖土工程勘察和巖土物理力學(xué)性質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，采用瑞典圓弧法深入分析了該礦排土場(chǎng)典型剖面在3種工況下的穩(wěn)定性。結(jié)果表明：西排土場(chǎng)邊坡在現(xiàn)狀工況下整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但局部仍達(dá)不到安全要求，對(duì)于該礦排土場(chǎng)邊坡的安全治理有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞排土場(chǎng)穩(wěn)定性瑞典圓弧法典型剖面

排土場(chǎng)的穩(wěn)定性在露天礦的安全生產(chǎn)中占有極其重要的地位，一旦出現(xiàn)失穩(wěn)，排土場(chǎng)產(chǎn)生的滑坡及泥石流等災(zāi)害將嚴(yán)重影響礦山安全生產(chǎn)及礦區(qū)環(huán)境。隨著排土場(chǎng)的不斷堆高，實(shí)際排土中產(chǎn)生的軟弱層也將出現(xiàn)，其穩(wěn)定性不容忽視。為此，本研究以舞陽鐵礦西排土場(chǎng)為例進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。

1工程概況

舞陽鐵礦設(shè)計(jì)使用的西排土場(chǎng)位于露天采場(chǎng)西側(cè)，有效容積2 300萬m3，總堆置高度90 m，排棄方式按照汽車后卸，推土機(jī)配合分段排棄，沉降時(shí)間約為1 a。西排土場(chǎng)自1987年建礦投入使用至2014年，已累計(jì)排棄廢石2 330萬m3，堆置高度105 m，最大邊坡角35°。該礦排土場(chǎng)處于單面山北緣，位于丘陵斜坡，原始地形坡度15°～27°，西排土場(chǎng)均已到界，東距采場(chǎng)最近約50 m，下部界線分布有白灰燒結(jié)廠及數(shù)座大、小村莊，排土場(chǎng)一旦失穩(wěn)，將對(duì)采場(chǎng)及下游人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。2006年8月強(qiáng)降雨后，西排土場(chǎng)北部曾發(fā)生局部滑坡，采取上部卸載、下部反壓措施進(jìn)行了臨時(shí)治理。該礦排土場(chǎng)由碎石、塊石及少量砂土組成，結(jié)構(gòu)松散、混雜，塊石巖性主要為混合巖、片麻巖、礫巖等，大小混雜，一般厚數(shù)十米至100 m，西排土場(chǎng)北部眉線附近厚度接近100 m。堆積層下為原始地形，為直鼓山北坡或鞍部，山坡基巖為太古界、元古界混合巖、大理巖和片麻巖等。堆積層與新鮮基巖之間埋藏有殘坡積層和風(fēng)化殼。

據(jù)地質(zhì)調(diào)查、探井和鉆孔揭露并結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，將場(chǎng)地巖土劃分為：

(1)廢石堆積體。為露天礦區(qū)開采剝離的覆蓋層及圍巖組成，主要由第四系黃土、風(fēng)化砂和硬巖組成，總體比例約1∶1.3∶4.6。由于采用分段、分臺(tái)階排棄堆積，廢石堆積體在水平、垂直方向上均呈現(xiàn)無規(guī)律狀況。其中第四系黃土主要為粉質(zhì)黏土，灰黃—褐黃色，稍濕，可塑。風(fēng)化砂主要為中—粗砂，灰黃色，松散。硬巖成分復(fù)雜，顏色斑駁，大小不一，該層厚度即為排土場(chǎng)的堆置厚度，西排土場(chǎng)厚0～123 m。據(jù)廢石堆積體的顆粒組成和堆積特點(diǎn)，可將該層細(xì)分為：①-1層粗砂堆積體，灰黃色，松散，含少量碎石，主要分布于西排土場(chǎng)中下部，為回填反壓堆積；①-2層塊石、碎石土堆積體，雜色，松散，由塊石、碎石組成，該層穩(wěn)定，為構(gòu)成廢石堆積體的主要成分；①-3 層粗砂含礫石堆積體，灰黃—褐黃色，松散，礫石含量約20%，直徑30～100 mm，礫石成分以混合巖為主，該層主要分布于西排土場(chǎng)中部，為排土場(chǎng)早期堆積物；①-4層細(xì)砂堆積體，黃灰色，松散，含少量礫石，直徑10～30 mm，夾塊石，直徑100 mm，主要分布于西排土場(chǎng)南側(cè)附近，為碎石廠的廢棄石粉堆積形成。

(2)殘積、洪積、坡積層。為原始地表殘、洪、坡積層黏土、粉質(zhì)黏土及粉砂、礫石層，主要成分為粉質(zhì)黏土，局部夾粉砂、礫石，含全風(fēng)化巖石碎塊，該層分布穩(wěn)定，但厚度差別較大，厚1.40～32.15 m。

(3)條帶狀混合巖。據(jù)鉆孔揭露，西排土場(chǎng)下伏基巖華山群Ar3t條帶狀混合巖。據(jù)鉆孔揭露的深度和巖石風(fēng)化程度，將該層細(xì)分為：③-1層強(qiáng)風(fēng)化層，裂隙發(fā)育，裂隙面見水銹，錘擊易碎；③-2層中風(fēng)化層，風(fēng)化程度中等，巖芯呈短柱狀、柱狀，長(zhǎng)100～470 mm，裂隙較發(fā)育。

西排土場(chǎng)中廢石堆積體結(jié)構(gòu)松散，孔隙率大，滲透系數(shù)大，主要含有上層滯水，地下水埋深25.35～99.00 m，受大氣降水影響嚴(yán)重。在排土場(chǎng)前緣，有潛水出露，涌水量0.12 L/s,水質(zhì)清澈。

2西排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

為有效復(fù)核排土場(chǎng)在不同工況下的穩(wěn)定性，本研究將地震荷載作為特殊工況一并加以考慮，分3種工況進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析：①現(xiàn)狀穩(wěn)定性，地下水位以勘察期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算；②50 a一遇暴雨排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性，地下水位以模擬暴雨計(jì)算；③特殊工況下排土場(chǎng)的穩(wěn)定性，即同時(shí)考慮暴雨和地震荷載的影響。據(jù)西排土場(chǎng)的具體情況，共建立了8個(gè)工程地質(zhì)剖面，其中，4-4′、5-5′、6-6′、7-7′、8-8′剖面位于西排土場(chǎng)，而位于西排土場(chǎng)石料廠范圍內(nèi)的7-7′剖面，正對(duì)頂部平臺(tái)進(jìn)行卸載，該剖面地形變化快，邊坡趨于穩(wěn)定。結(jié)合邊坡地形、地質(zhì)情況以及危害性，判定西排土場(chǎng)的4-4′、5-5′剖面安全系數(shù)最小，為此，本研究主要針對(duì)4-4′、5-5′剖面進(jìn)行分析，并將4-4′剖面作為分析重點(diǎn)。

2.1計(jì)算公式與參數(shù)選取

本研究采用瑞典圓弧法進(jìn)行排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算[1-4]，計(jì)算涉及的幾何參數(shù)從工程地質(zhì)剖面圖上讀取，物理指標(biāo)取自室內(nèi)試驗(yàn)資料，強(qiáng)度指標(biāo)則采用試驗(yàn)資料并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，具體指標(biāo)見1。排土場(chǎng)正常運(yùn)行時(shí)采用實(shí)測(cè)資料確定浸潤線；暴雨季節(jié)運(yùn)行時(shí)，考慮到廢石堆積體的滲透性較高，將坡前地下水位抬高至地表出滲，坡后地下水位抬高10.0 m；特殊運(yùn)行時(shí)，抗震設(shè)防烈度由6度提高至7度，水平地震系數(shù)為0.10，地震作用綜合系數(shù)為0.25，地震作用重要性系數(shù)為1.00。

表1　土類力學(xué)參數(shù)

2.2計(jì)算方案

對(duì)于西排土場(chǎng)的4-4′、8-8′剖面分別就正常運(yùn)行、暴雨季節(jié)運(yùn)行和特殊運(yùn)行等3種工況進(jìn)行計(jì)算，荷載組合見表2。

表2　不同運(yùn)行情況下荷載組合

注：一為正常水位的滲透壓力，二為邊坡土石體自重，三為邊坡及地基中孔隙壓力，四為暴雨季節(jié)高水位有可能形成的穩(wěn)定滲透壓力，五為地震慣性力。

舞陽鐵礦西排土場(chǎng)屬于多臺(tái)階永久性排土場(chǎng)，據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2006)，按余推瑞典圓弧法計(jì)算，得到不同安全度的抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)(表3)。

表3　排土場(chǎng)余推法抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)

2.3安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

安全系數(shù)計(jì)算分剖面進(jìn)行，通過選擇北京理正巖土系列軟件(5.11版)的復(fù)雜土層土坡穩(wěn)定程序進(jìn)行計(jì)算。西排土場(chǎng)4-4′(圖1)、5-5′剖面的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4。

圖1　西排土場(chǎng)4-4′剖面

由表4可知：

(1)西排土場(chǎng)在正常運(yùn)行、雨季運(yùn)行、特殊運(yùn)行等3種工況下，4-4′、5-5′剖面的安全系數(shù)分別為1.045和0.988、0.951和1.082、1.075和1.029，均不符合《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2006)要求的正常級(jí)的安全度，特別是4-4′剖面在雨季和特殊運(yùn)行下，安全系數(shù)小于1.00，安全度達(dá)到了危險(xiǎn)級(jí)，須盡快采取治理措施。

(2)西排土場(chǎng)4-4′剖面最危險(xiǎn)的滑弧位于第1～第2平臺(tái)坡度較陡的邊坡上，與物探報(bào)告反演結(jié)果一致，屬于廢石堆積體內(nèi)的滑動(dòng)，主要原因是局部邊坡坡度較陡，邊坡腳坡度均在40°以上；5-5′剖面最危險(xiǎn)的滑弧位于第1平臺(tái)～坡腳間，屬于沿基底軟弱層的滑動(dòng)，最危險(xiǎn)滑弧切穿廢石堆積體和下臥殘坡積土層。

表4　舞陽鐵礦西排土場(chǎng)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

注：正常運(yùn)行、雨季運(yùn)行、特殊運(yùn)行等3種工況下的最小安全系數(shù)分別為1.2、1.15、1.05。

(3)4-4′剖面位于第1平臺(tái)～坡腳，正常運(yùn)行、雨季運(yùn)行、特殊運(yùn)行等3種工況下的最小安全系數(shù)分別為1.176、1.102、1.042，均小于《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2006)要求的正常級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，安全度屬于病級(jí)，最危險(xiǎn)滑弧均切穿廢石堆積體和下臥殘坡積土層，屬于沿基底軟弱層的滑動(dòng)；其他平臺(tái)間的安全系數(shù)均符合正常級(jí)要求；5-5′剖面除第1平臺(tái)至坡腳間外，其他平臺(tái)間的安全系數(shù)均符合正常級(jí)要求。

(4)西排土場(chǎng)第2平臺(tái)以上邊坡的安全系數(shù)均大于1.19，基本不會(huì)發(fā)生跨平臺(tái)間的滑動(dòng)，滑動(dòng)的最危險(xiǎn)滑弧深度也無法切穿廢石堆積體的底部。

(5)4-4′剖面安全系數(shù)最小，結(jié)合物探報(bào)告，該剖面及其以西底部第1～第2平臺(tái)形成小型滑坡的可能性最大，在較大暴雨的作用下可能形成小型滑坡或泥石流。

3討論

(1)西排土場(chǎng)在現(xiàn)狀工況下整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但局部仍達(dá)不到安全要求，其設(shè)計(jì)的堆置高度為90.0 m，經(jīng)削坡處理后，仍高達(dá)107.26 m，須盡快對(duì)排土場(chǎng)超載部分進(jìn)行削頂卸載，降低排土場(chǎng)堆置高度至設(shè)計(jì)要求。

(2)2006年8月，對(duì)局部滑坡地段采取了卸載和反壓措施，通過5-5′剖面的計(jì)算，現(xiàn)狀邊坡最小安全系數(shù)為1.082，對(duì)應(yīng)的滑弧位于第1平臺(tái)～坡腳處，說明通過治理，滑坡段處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)在西排土場(chǎng)投入使用前，未對(duì)植被和部分第四系軟弱層進(jìn)行清除，為西排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性埋下了隱患，因此，應(yīng)全部清除排土場(chǎng)反壓平臺(tái)最終境界100 m內(nèi)的植被或第四系軟弱層，并將地基削成階梯狀。

(4)西排土場(chǎng)安全系數(shù)最小的地段為4-4′剖面所處位置，該處局部邊坡較陡，邊坡腳坡度約48°，較容易發(fā)生滑坡。而第1平臺(tái)～坡腳段的總邊坡腳坡度也高達(dá)30°以上，安全系數(shù)也無法滿足正常級(jí)安全度要求。因此，應(yīng)盡快采取削坡減載和回填壓腳措施，將該地段較陡邊坡削坡至30°以內(nèi),或可輔以針對(duì)性的重力式擋土墻工程來解決上述問題。

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(收稿日期2016-04-07)

郭學(xué)軍 (1970—)，男，工程師，462500 河南省安陽市。