凹山排土場坡腳挖損后的安全評價及治理方案

洪振川 王廣成 朱末琳 陳樹召 韓 流

（1.馬鋼（集團）控股有限公司南山礦業公司，安徽 馬鞍山243000；2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州221116）

排土場是露天礦用于堆放剝離物或者尾礦等廢棄物的場所［1-2］，其穩定與否直接影響到整個礦區的生產作業安全［3］。比如露天礦靠近端幫的排土場出現失穩，會影響到下部幫坡的安全和道路設備的正常布置；外排土場的穩定性將直接影響排土場容量設置以及后期排土工程的接續；內排土場的安全穩定會影響采場下部工作臺階的人員設備安全［4］。因此，對于露天礦而言，保證露天礦山的安全生產首先應保證其排土場在服役期間的安全穩定［5］。

1 凹山排土場現狀

馬鋼（集團）控股有限公司南山礦業公司凹山排土場主要承擔凹山采場、和尚橋采場土巖以及礦石預選粗粒尾砂的堆排任務。凹山排土場北側邊坡坡腳多處被挖損、取土，造成排土臺階邊坡角增大，產生局部滑坡，見圖1，坡腳排水溝局部被堵塞。目前排土場北部最上臺階標高+135 m，最下臺階標高+81 m，其間設置+115 m和+135 m 2個排土平臺，臺階局部位置已實現并段排棄，并段后臺階高度10～45 m。排土場北側與馬鞍山市環衛向山垃圾處理廠垃圾填埋區僅一路之隔。排土場北側坡腳處靠西頭堆置有少量尾砂，尾砂堆高1～3 m。

為了確保凹山排土場的邊坡安全，防止其對于周邊地區和馬鞍山市南山礦業公司的生產造成影響，應當采取相應的理論方法同時結合相關技術手段對坡腳挖損區域的邊坡穩定性進行分析，并結合分析結果為排土場提供治理方案，避免發生重大邊坡安全事故。

2 區域地質地形條件分析

2.1 排土場基底地質地形條件

凹山排土場地基地形地貌屬剝蝕丘陵，地形地伏平緩，排土場四面環山，西臨金山和殿安山，南部為徐山，東北部為大橋山。排土場基底地形基本呈北高南低，梯田、水塘、水庫零星分布，北部低洼處標高約60～70 m，南部低洼處標高約30～40 m。場地內有零星小山頭，高程在+60～80 m之間。場區內主要有4條溝谷，由北至南高程逐漸降低，西高東低，溝谷縱坡平緩，寬度較大，多呈“U”形溝。

排土場原溝谷和洼地部分分布有第四系沖擊亞黏土及坡積物。基底內未見斷層。地基巖體裂隙相當發育，以陡傾角裂隙為主，排土場基底地形平緩，層狀堆排的排土臺階與裂隙垂直，因此由于節理裂隙造成的影響可以不用考慮。

2.2 排土場區水文地質條件

整治區屬北亞熱帶濕潤性季風氣候，年平均降雨量1 174 mm，年平均氣溫為16℃，年最高氣溫39.5℃，年最低氣溫為-13℃。含水層方面，凹山排土場主要包括基巖裂隙含水層與孔隙含水層。

排土場范圍內未見大量流水，且地形平緩。凹山礦區位于銅陵～揚州地震帶西南段，小震活動比較頻繁，有記錄的最大地震是1967年7月11日發生于馬鞍山的4.6級地震，震中烈度為6度，因此設計基本地震加速度值為0.05g。北東向的長江破碎帶及北西向斷裂帶是區內的主要新構造，活動強度一般，區內應屬較穩定區。

3 排土場穩定性分析方法

近年來，在邊坡穩定性方面表現得較為科學有效的方法包括極限平衡法、有限差分法和有限元法［6-7］。尤其以極限平衡法最為突出，作為應用最多、認可度最廣泛一種分析方法，極限平衡法在諸多邊坡穩定性分析中得到應用。極限平衡法采用將抗滑力與下滑力作比或將抗滑力矩與下滑力矩作比，作比后得到的數值即為邊坡穩定系數Fs，Fs的判別標準數值是1：大于1則判定邊坡穩定，小于1則判定邊坡將失穩，等于1時邊坡處于極限平衡狀態。經典的極限平衡分析法有Fellenius條分法、Bishop法、Janbu普通條分法、Spencer法、Sarma法等條分法。

根據極限平衡法的基本計算方法，將所要計算的滑體等分或者不等分地劃分為多個垂直的計算分條，并假設每個計算分條上所受的所有力都通過分條底面的中點，通過計算每一分條上的抗滑力和下滑力對圓心的矩，并將所有的計算值分別求和后作比，得到該邊坡沿該滑面滑動時的穩定系數，如圖2所示。然后分別計算不同滑面圓心位置的穩定性系數，最后得到的多組數值中，最小的一組即為該邊坡的穩定性系數。

采用Fellenius條分法計算滑體穩定系數Fs為：

式中，Fs為穩定性系數；C為土體的黏聚力，kPa；li為滑動面圓弧總長，m；Wi為第i條條塊土體重力，kPa；βi為第i條條塊底化面傾角，（°）；φ為土體的內摩擦角，（°）。

基于極限平衡分析原理，選擇GEO-studio軟件中的Slope模塊進行穩定性分析。GEO-studio作為二維分析軟件，在巖體工程上的應用效果良好，對于存在弱層、斷層、含水量大等特殊位置的穩定性分析［8］，可以選擇特殊位置的剖面進行針對性分析，Slope模塊分析之后得到的Bishop法、Janbu法、Spencer法及Morgenstern-Price法的結果進行對比，選取較為合適且相對保守的穩定系數。在計算過程中，邊坡整體結構可以直接導入軟件中，方便快捷，準確度高。綜合以上的基礎條件，最終確定選擇GEO-studio這款軟件進行凹山排土場穩定性分析。

4 排土場巖體分層及物理力學參數分析

4.1 排棄物成分和特點

排土場尤其是金屬礦山排土場排棄的物料主要為散體物料，凹山排土物料主要包括凝灰巖基巖、地基土，部分區域尚有少量尾砂。不同礦山之間由于地質條件、排土工藝等方面的差異使得礦山排土場內排棄物料的塊度分布規律不盡相同。而在排土場穩定性計算及分析過程中，介質分區和力學指標的選取均受排棄物塊度分布影響極大。從實際來看，無論采取推土機間斷排土工藝還是排土機連續排土工藝，物料的自然滾落決定了大塊物料被置于排土場底部，較小塊的物料位于排土場中部位置，而小塊物料則分布于排土場表層。這是排土場物料的基本分布規律。

排土場物料的分布規律決定了其力學性質主要表現為散體物料的特點，而散體物料的力學性質又多取決于原巖巖性、散體本身的塊度及重度等參數。在采用相同爆破工藝情況下，堅硬巖石的粉碎程度較軟巖表現得相對較弱，即硬巖多形成塊度較大的破碎體，而軟巖爆破后的塊度則相對較小，因而通過分析散體塊度組成可以得到其巖性構成。而對于排土場散體物料重度而言，其與塊度有密不可分的關系：當松散體塊度較為均勻時，其重度也相對較大。因此，決定排土場排棄物料力學特征的主要參數為松散體原巖性質及塊度組成。

除此之外，松散物料在排土場堆載的時間不同［9-10］，受到堆載壓力和水的影響，散體物料開始重塑膠結，強度也隨著變化，這樣就造成了排土場不同層位的巖性強度存在差異［11-12］。因此，如果將排土場作為均質邊坡進行穩定性評價，則會造成評價結果不準確。為了保證排土場邊坡穩定性評價的準確性，對排土場進行分層參數賦值就顯得十分必要，其評價結果可信度也相對較高。

4.2 排棄場層位劃分及力學參數確定

根據排土場的排土程序，按照高程從上向下依次劃分為排土層1、排土層2和排土層3這3個層位，排土場下部為地基土，見圖3。根據圖3中的邊坡結構可以進行排土場穩定性的評價。

根據排土場的排棄順序和時間，將排土場劃分為3個層位，每個層位和基底的物理力學參數指標如表1所示。

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排土場物料力學性質、內部孔隙水壓力、外部載荷以及其他多種因素均對排土場穩定性造成影響，但各個因素對于穩定性影響程度大小卻不盡相同，理論研究及工程實踐均反映出各因素之間存在主次之分。因此，在排土場穩定性分析過程中應抓住主要影響因素，將其余因素用作對分析結果的調整及驗證，便能相對準確地得到排土場穩定性分析結果。

5 排棄場穩定性評價及治理方案

根據圖3中的排土場邊坡結構和表1中的力學強度指標，采用GEO-studio分析軟件建立對應的排土場邊坡模型，將排土場相關力學參數賦予模型中，最終得到排土場邊坡穩定系數為1.023，見圖4。

從評價結果可知，排土場目前的穩定性接近于極限平衡狀態（Fs=1.0），受到其他荷載的影響，很容易形成滑坡。按照邊坡設計規范，長期存在的邊坡，其穩定系數應達到1.20以上。因此，需要對挖損的坡腳進行回填，起到壓腳的作用，并對回填后的邊坡進行穩定性評價，確定最佳的回填尺寸。回填區域由于是剛排棄的松散物料，因此，其力學參數按照排土層1的參數進行計算。不同回填寬度對應的穩定系數如圖5所示。

根據以上不同壓腳寬度對應的排土層穩定性分析結果，排土場穩定性與壓腳寬度的變化規律擬合后的結果如圖6所示。從圖6可知，排土場穩定性隨著回填壓腳寬度的增長呈線性增長，擬合度較高。按照這一線性規律，排土場穩定性要滿足不小于1.20時，回填壓腳的寬度應達到15.9 m，按照這一寬度建立回填后的排土場邊坡模型，并進行穩定性評價，得到此時穩定系數為1.201，見圖7。

從上述分析結果可知，在排土場挖損區域的回填壓腳寬度為15.9 m時，可以保證排土場達到安全標準，即Fs＞1.20。因此，可以確定最佳的回填寬度為15.9 m。

6 結論

（1）分析了凹山排土場基底的地層結構呈北高南低的特點，區域內的水源主要來自地下水和地表水下滲補給，該排土場不存在形成泥石流的隱患，區域地震烈度不高。

（2）根據排土場的邊坡特點，選擇極限平衡法進行穩定性計算，考慮排土程序和堆載時間的差異，將排土場進行分層賦參數，建立了排土場邊坡模型。

（3）采用GEO-studio分析現狀排土場穩定系數為1.023，接近極限平衡狀態，不滿足規范要求，采用回填壓腳的方式，可提高排土場穩定性。

（4）排土場穩定性隨著回填壓腳寬度的增大呈線性增長，當壓腳寬度達到15.9 m時，穩定系數達到1.20以上。