軟基排土場穩定性分析與工程應對措施

林遠航 熊齊歡

(1.紫金礦業集團股份有限公司紫金山金銅礦；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室)

排土場是露天采礦場用于堆積廢石圍巖的場所，由于經濟原因，排土場選址應盡量毗鄰采場，從而可以節省廢石運輸成本，與此同時，所選排土場場址應具備容納礦區廢石的空間，合理的場址還需考慮周邊工程與水文地質條件、生態環境、人文景觀等因素[1]。在諸多因素的限制下，有時排土不得不面臨其他不利因素，紫金山金銅礦北口排土場便面臨著坡腳軟基問題。紫金山金銅礦北口排土場設計標高為400～820 m，單臺階高度為30 m，總設計容量高達2.8億m3，屬于國內屈指可數的特大型排土場之一[2]。該排土場設計坡腳位于山地溝谷處，在堆排過程中，上游的雨水沖刷與侵蝕不斷帶走了采場中的細顆粒,并沉積在溝谷坡腳處，由于歷史原因，該區域已經形成了厚度超過50 m的淤泥質土，如圖1中的軟土層所示。排土場640 m有一個超寬平臺，將排土場分為上下兩部分，本文針對640 m以下的底部排土場進行研究，分析坡腳軟基對排土場穩定的影響，提出合理的工程治理措施,使其穩定性符合安全要求。

圖1 排土場剖面

1 排土場地下滲流場與降雨入滲

大氣降雨是地下水的主要來源，排土場作為人工廢石堆積體，本身也是大氣降雨的滯水蓄水體[3]。通過大氣降雨，排土場內部滲流場不斷發生變化，邊坡體中的水儲量和水荷載也不斷發生變化，內部形成了動態飽和帶與非飽和帶，當邊界排水條件不暢而降雨持續時間很長時，甚至引起地下浸潤線的抬升，這也是導致排土場地下滲流場發生季節性變化的原因[4]。

降雨形成的暫時蓄水對排土場內部顆粒有2種作用形式，在飽和區域主要以正孔隙水壓的形式存在，該壓力減小了排土場內部顆粒的粒間有效應力，使得顆粒間的分離變得更加容易；在非飽和區域或飽和區域邊界處，往往形成了負孔隙水壓力，也稱為基質吸力，根據有效應力原理，該壓力增加了內部顆粒的粒間有效應力，使得顆粒間的聯系更加緊密，有利于排土場邊坡的穩定，因此，孔隙水的性質與散體強度和邊坡穩定有較大關系。

根據紫金山金銅礦所在區域的水文氣象資料，歷史上最大持續降雨時間超過10 d，最大降雨量為242 mm/d，根據該資料確定數值模擬邊界條件q=2.8×10-6m/s。

在降雨入滲分析前，應分析原有地下滲流場，根據排土場工勘地質資料，排土場內部穩定水頭h1=502 m，未降雨時庫區水位h2=446 m，結合各成分的滲透性系數(表1)，得到未降雨狀態下的穩定滲流場(圖2)，持續降雨10 d后地下滲流場見圖3。

從圖2、圖3可以看出，在持續降雨時排土場表面形成一層飽和層，該飽和層的厚度與降雨的持續時間、降雨強度、排土場滲透性以及排滲條件有關。

表1 不同巖層物理力學參數

圖2 未降雨時穩定滲流場

圖3 降雨10 d后滲流場

在穩定性分析時飽和層中堆排散體的容重不再是天然容重，而是飽和容重，直接增加了滑體的重力，增加了邊坡失穩風險，這也是降雨容易誘發排土場失穩的主要原因。在排土場坡腳塊石棱體中，穩定水位線由原來的446 m提升至463 m，庫區水位升高使得更多堆排散體處于飽水狀態，其強度急劇降低，穩定性也會發生變化。

2 排土場穩定性分析

在滲流分析的基礎上，根據表1中各巖組的物理力學指標，采用極限平衡法對排土場進行穩定性分析，未降雨、持續降雨10 d后的穩定性結果見圖4、圖5，持續降雨期間邊坡最小安全系數的變化情況見圖6。

圖4 未降雨時最小安全系數

圖4～圖6計算結果表明，原設計中不論什么狀態排土場最小安全系數均小于1，即排土場坡腳不穩定。同時，隨著降雨時間的持續，邊坡最小安全系數呈現先增大后減小的趨勢，這主要與土體中含水量有關，當排土場中體積含水量較小(不飽和狀態時)，堆排散體內部形成較大的基質吸力(圖7)。當排土場的體積含水量低至殘余含水量時，基質吸力約1 000 kPa，大大增強了堆積體內部顆粒間的擠壓作用，也提高了堆積體的力學強度，因此，穩定性有所增加。但是隨著飽和帶的不斷增厚，更多堆積體處于飽和狀態，散體內部基質吸力不斷降低，穩定性也逐漸降低，因此，總體呈現了安全系數先增加后減小的趨勢。

圖5 降雨10 d后最小安全系數

圖6 最小安全系數隨持續降雨時間曲線

圖7 散體飽水狀態與基質吸力關系曲線

3 工程應對措施

從最危險滑面形態可以看出，滑動面底部主要位于坡腳軟基之中，即軟基是導致排土場邊坡穩定性欠缺的非常重要的因素，因此，必須對該軟土層進行硬化處理。同時，滑動面深度較大，需利用塊石棱體對軟土層進行壓坡處理，利用塊石重力增強滑動土體的抗滑力；塊石棱體質量大、透水性強，容易對軟土進行擠壓置換作用，增強軟土強度；塊石棱體中的大孔隙成為軟土的排水通道，可以促進軟土的壓縮固結與強度提高。

排土場坡腳工勘報告顯示，當上部堆載塊石厚度為60 m時，即1 320 kPa固結壓力時，軟土層強度參數有較大提升，根據固結后試樣試驗結果，內聚力C由固結前的11 kPa提升至80 kPa，內摩擦角由固結前的10°提升至14.5°。

針對原設計坡腳穩定性不足的問題，對排土場坡腳進行塊石壓坡腳和軟基處理，塊石堆載標高由原來470 m提升至500 m，同時對坡腳軟土層進行打碎石樁預壓固結，預壓荷載為1 320 kPa，處理厚度分別為0，10，15，20，25和30 m(圖8)，在連續降雨條件下，其穩定性結果見圖9。

圖8 工程治理剖面

在持續降雨條件下，考慮周邊爆破震動荷載，當坡腳處理深度不大于25 m時，其最小安全系數小于1.15，不能滿足規范要求。當坡腳處理深度為30 m時，其最小安全系數為1.153，略高于排土場規范要求下限值。

不同碎石樁深度的最小安全系數曲線見圖10。可以看出，隨著碎石樁深度的提高，最小安全系數逐漸增加，增加趨勢近似直線，其直線擬合方程為

fs=0.0018h+1.099 1 ,

式中,fs為最小安全系數；h為碎石樁深度，m。

按照規范要求，最小安全系數不應小于1.15，因此，令fs=1.15，可計算出最小基底處理深度為28.3 m，即碎石樁最小深度為28.3 m。

4 結 論

(1)長時間降雨是誘導排土場邊坡失穩的重要外因之一。短期的降雨入滲作用會引起排土場散體顆粒間的負孔隙水壓力，從而增大散體顆粒間的有效應力和強度，因此，排土場穩定性呈增加的趨勢，但是隨著降雨持續時間的增加，排土場表層所形成的飽和層不斷增加，邊坡發生破壞的風險不斷增加。

(2)軟基是導致原排土場坡腳不穩的重要因素。紫金山金銅礦排土場坡腳處于軟基之上，原設計邊坡在各種降雨條件下均不能保持邊坡的穩定狀態，必須進行工程處理方可排土堆載。

(3)通過碎石樁和堆載的方法可以有效解決紫金山金銅礦北口排土場坡腳不穩的情況。當排土場坡腳采用塊石堆積60 m，碎石樁深度不小于28.3 m時，排土場在區域最大持續降雨條件下，排土場最小安全系數仍符合規范要求。

圖9 坡角不同處理深度時最小安全系數

圖10 不同碎石樁深度的最小安全系數曲線