排土場邊坡穩定性分析及安全評價分析

馬永明

（甘肅省建設項目咨詢中心有限公司，甘肅 蘭州 730070）

1 礦山概況

以某地區礦山（后統稱為a礦山）為例進行分析，該礦山位于我國北方某地區，地質儲量達到22441Mt，實際生產能力達到20.0Mt/a。A礦山首采設置內排土場、東一排土場、西南排土場。在a礦山不斷開發過程中，發現內排土場北幫嚴重不穩定，故采用Bishop及FLAC3D對北幫排土場邊坡穩定性詳細分析，以此避免內排土場邊坡出現的變形，導致發生人員傷亡異常，造成重大經濟損失[1]。

2 排土場邊坡穩定性影響因素及邊坡滑坡模式

排土場為人工堆積形成，多為當地松散、破碎巖石混合物。受傳統價值觀念影響，礦山企業過于重視經濟效益，過分追求少征地、短運輸、大容量，逐漸發展形成礦山普遍排土場高且陡，易發生滑坡及泥石流[2]。

在礦產開發中，其不同臺階巖層不同，實際開采中往往需要用到爆破方式，后經過開發和運輸不斷深入，排土場實際堆積物理化性質發生變化，混合料強度低于原本巖層，且排棄后混合物分布不均，影響排土場穩定性，具體影響因素為：

（1）排土場地基，排土場地基巖土傾角等。

（2）排土場周圍水文地質。

（3）排土工藝及邊坡高度、最終邊坡角也對排土場穩定性有影響。

（4）一系列外在因素：邊礦年限、邊坡形狀、工程活動、安全管理等。

針對a礦山內排土場地形、巖土性質、排棄物性質，其可能存在三種變形：

（1）地基型滑坡：針對a礦山工程地質條件，內排土場為黃土，存在較多沖溝，黃土自然斜坡大，排棄物料及黃土接觸面抗剪強度在排棄物及黃土抗剪強度之下。雨季則排棄物和黃土接觸層受到雨水侵蝕，受到侵蝕后，其實際抗剪強度逐漸下降，且若實際排棄高度過高，達到極限，就會發生地基式滑坡[3]。

（2）沿采場、排土場邊坡內部容易出現圓弧破壞：采場邊坡巖土將受降水、外部載荷等因素影響，通過深入開發，則排棄物不斷累加，高度不斷上升，容易導致坡體滑力持續上漲，發生嚴重滑坡。

（3）沉降變形：受周圍地勢影響，排土場周圍地貌高低不平，且存在沖泡發育，隨著開采不斷開展，對應堆積高度增加，打破原本平衡狀態。礦山的實際排土高度增加，則其自身排土場就容易出現不均勻變形，導致邊坡應力不衡，局部邊坡存在明顯搓動，形成新平衡狀態。

3 Bishop及FLAC3D介紹

Bishop法對邊坡穩定分析圓弧滑動分析法（Fellenius）改進，Bishop提出安全系數理念，對條分法起到重要作用，其假定土條間作用力為水平方向，求土條間法向力。由于分條剪力計算困難，考慮到實際需求，Bishop忽略分條剪力作用。

FLAC3D源于美國，為有限差分軟件，其可將土、巖及其他材料三維結構受力分析，調整三維網絡多面體單元，結合實際單元，以線形/非線性本構模型代表單元材料，受外力影響，材料屈服后，網格也發生變形及移動，因此，采用FLAC3D可模擬實際工程中不同受力變化，有效模擬巖土工程問題，為解決問題打下堅實基礎。

4 Bishop計算結果分析

a礦場內排土場北幫邊坡高度達到193m，邊坡角達到20°，對內排土場幫樣本采集，以巖石力學試驗，測試得到巖體參數如表1所示。

表1 巖體物理力學參數

實際計算剖面如圖1所示。

圖1 排土場北幫計算剖面圖

以Bishop方式計算內排土場北幫邊坡穩定系數達到1.22，此時邊坡為極限平衡。

5 FLAC3D軟件計算結果

A礦場內排土場北幫剖面模型如圖2～圖7所示。

圖3 北幫剖面塑性區分布圖

圖4 北幫剖面X方向位移圖

圖5 北幫剖面Z方向位移

圖6 北幫剖面安全系數及最大主應力云圖

圖7 北幫剖面安全系數及最小主應力云圖

通過上圖顯示出邊坡變形及破壞規律狀態。其中，從圖4到圖5可以得到a礦山內排土場北幫邊坡X方向位移及Z方向位移實際變化情況。通過圖4和圖5得到，該邊坡整體穩定性突出，雖局部有塑性變形，但通過積極治理、管理，護腳，穩定性得到保障。此時該邊坡體為穩定蠕變形態，并不會短時間出現瞬時滑坡，影響礦山開發安全性。

從圖6到圖7可以得到，內排土場北幫邊坡實際安全系數及應力云圖，可有效觀察到邊坡變形破壞形式及實際破壞面。

6 對滑坡現象有效預防治理

針對以上a礦山開采遇到的問題，提出以下具體防治措施。

（1）對內排土場最下部的臺階坡底及采掘臺階坡底間設置足夠的安全距離，保證開采正常進行的同時，也保證排土場自身平整性及穩定性，積極修筑截泥設施及排水設施，保證開采現場安全性。

（2）內排土場需強化邊坡管理工作，對內排土場落實監測及科學管理，采取平整處理方式，對現場出現坡面裂縫的現象要及時填充。開采遇到雨季、春季雨雪剛剛融化的時期，尤其需注意對邊坡的管理和控制。要對邊坡積極觀測、巡檢，避免雨水及雪融化后逐漸深入到排土場底板，嚴重影響排土場實際質量。在旱季對礦山開采，則需注意沉降變形導致的不均勻性，避免沉降嚴重影響邊坡穩定性。

（3）要定期對滑坡區域的邊坡是否穩定切實分析，若穩定性降低或出現異常現象，需及時采取必要防治措施，控制不穩定現象發生。若滑坡已經發生，要針對滑坡區落實緊急安全措施，對滑坡進行專業勘查，對危害評價并設計具體治理工程。

（4）邊坡發生變形破壞后，其自身變形因素較為復雜，且影響因素具有不確定性，為后續治理及提前預防造成諸多不便，需采取必要的邊坡防護措施，并對邊坡進行有效監測。對邊坡狀態實施監控，從而掌握剝采中的邊坡狀態。在監測中國，可通過應力監測、位移監測、地下水監測及振動監測，有效了解邊坡狀態。以a礦山開采為例，該礦山開采中布置邊坡的監測線10條，設置40個監測點，監測上以鋼筋混凝土樁設置監測點，采用全站儀配合對應RTK、GPS系統對地表位移有效監督。

7 結語

綜上所述，文章通過對a礦山開采中內排土場北幫邊坡穩定性詳細分析，通過Bishop計算出具體的穩定系數為1.22，以FLAC3D軟件計算出穩定系數為1.25，該內排土場北幫邊坡為圓弧式滑坡模式，表示內排土場北幫邊坡狀態相對穩定。通過FLAC3D對內排土場北幫邊坡數據模擬分析，從而有效驗證平衡理論是否準確，結果發現邊坡基本處于穩定蠕變狀態，短時間內不會發生滑坡。