青銅溝尾礦邊坡穩定性分析

崔永剛

（陜西耀杰礦山設計有限公司，陜西 西安 710000）

隨著國家近年來對礦山生態環境綜合治理工作的重視程度不斷加大，國家在礦山生態恢復工作中的資金投入力度也逐漸增大。尾礦庫是礦山生態環境中較為脆弱的一部分，針對尾礦庫采取安全治理和生態恢復是重要的工作內容[1-3]。尾礦庫邊坡的穩定性對邊坡生態環境恢復具有十分重要的影響，當尾礦庫 穩定性處于較低的水平時，其坡面的植被也是難以恢復的。因此，在進行礦山生態環境恢復治理工作前，分析尾礦庫邊坡的穩定性是十分必要的。目前，針對尾礦庫邊坡穩定性的主要研究方法包括：數值模擬方法[4-7]和物理模擬方法[8-10]，有較多的專家學者對這方面內容進行了相應的研究，并取得了較為豐碩的成果。青銅溝是一座汞銻礦，在多年的開采過程中，礦區生態環境遭受了嚴重的破壞，亟需采取措施恢復礦山生態。

1 工程概況

青銅溝礦區位于陜西省旬陽縣北部，面積4.32km2。大青銅溝礦體最低開拓水平是300 m；礦山現生產能力近10×104t/a礦石，300 m標高以上采礦采用地下開采方式。礦床主要由HT21、HT24（含HT24支）、HT31等中－大型規模含礦體組成的、具有“大、富、斷、中、深”等特征的巨型汞銻礦床。通過對采空區進行回填后，可保證礦區不塌陷，但尾礦庫的穩定性仍然較差需要采取治理措施。

2 尾礦邊坡穩定性分析

2.1 計算方法及參數

2.1.1 計算方法

主要采用數值模擬方法進行研究，根據現場調查，尾礦庫邊坡主要采用“放坡+擋墻”的方式進行治理。現狀尾礦庫邊坡坡度較大，植被難以生長，邊坡穩定性較低，采用放坡支護，按照一定坡比對現狀尾礦庫邊坡進行削坡處理，并在坡腳修建擋墻以保證邊坡的整體穩定性。

2.1.2 計算參數

計算參數的選取主要來自室內試驗，在巖土工程勘察過程中獲取現場原狀試驗，進行室內試驗，數值模擬計算參數建議值見表1。

2.2 計算結果

表1 計算參數

2.2.1 計算模型

計算模型主要根據鉆探成果，進行連層，概化數值模擬模型，計算剖面選擇最不利剖面，壩基高程約694 m，壩頂高程為772 m，邊坡最大高程超過80 m，邊坡706 m以上部分進行放坡，坡高66 m，共分3級邊坡，每級邊坡高為22 m，中間預留2 m寬的平臺，坡腳以下部分采用擋墻，墻凈高12 m。計算參數根據表1參數進行選取，巖土體采用摩爾-庫倫模型，主要計算正常工況和洪水工況下的滲流特性。

2.2.2 正常工況

正常工況下壩體的滲流情況見圖1。從圖1中可知，在設計水位下，尾礦庫邊坡的安全系數Fs=1.11，在地震（0.05 g）工況下，尾礦庫邊坡的安全系數Fs=1.07；在地震影響下，尾礦庫邊坡安全系數有所降低，但整體穩定性滿足要求。在設計水位下，尾礦庫邊坡的變形主要集中在最下級邊坡部位，影響范圍較小。

圖1 正常工況

2.2.3 洪水工況

洪水工況下壩體的滲流情況見圖2。從圖2中可知，在洪水位下，尾礦庫邊坡的安全系數Fs=1.03，在洪水+地震（0.05 g）工況下，尾礦庫邊坡的安全系數Fs=1.01；在地震影響下，尾礦庫邊坡安全系數有所降低，但整體穩定性滿足要求。在洪水位下，尾礦庫邊坡的變形主要集中在最下級邊坡部位，但第二級坡仍有部分區域受到影響，邊坡變形范圍增大。水位高低對尾礦庫邊坡的穩定性具有重要影響，在尾礦邊坡治理工程中，應當加強截、排水措施，避免雨水在坡面匯集、入滲，軟化巖土體參數，對邊坡整體穩定性產生威脅。

圖2 洪水工況

2.2.4 植被恢復后尾礦庫穩定性分析

恢復礦區生態環境是礦區綜合治理的重要目標，因此，坡面植被恢復后邊坡的穩定性分析也是十分必要的。植被生長對邊坡穩定性的影響可以從以下幾個方面分析：

1）植被根系對松散堆積體的固定作用，植被生長后根系與尾礦渣散粒體之間的粘合力可在一定程度上保證面層的穩定。

2）植被防止坡面直接被沖刷。植被恢復后，枝葉可防止雨水直接對尾礦庫斜坡坡面的沖刷，在一定程度上保護了坡面平整。

3）植被根系可在一定程度上增大巖土體的抗剪強度，根據室內力學試驗結果（見圖3），隨著巖土體內植被根系數量的不斷增大，巖土體的抗剪強度參數（內聚力C、內摩擦角φ）均有一定程度的提升，C、φ值對邊坡的整體穩定性具有重要影響，C、φ值增大，可在一定程度上保證邊坡面層的穩定。

4）植被生長后，根系發達的植被可能會造成巖土體顆粒空隙增大，利于雨水入滲，降低巖土體參數，從而對邊坡的穩定性產生不利影響。

從圖3中可知，抗剪強度參數（內聚力C、內摩擦角φ）隨著試樣中植被根系的數量的增大而增大。

其中內聚力C與根系數量n關系如下：

內摩擦角φ與根系數量n關系如下：

這主要是由于植被根系具備一定的“韌性”，即抗剪斷能力，且植被根系多發育于巖土體內部的空隙，增大了巖土體的密實程度。

圖3 抗剪強度參數與根系數量關系

3 結論

1）通過數值模擬分析，采用“放坡+擋墻”相結合的治理措施可保證青銅溝尾礦庫邊坡在設計+洪水工況下保持較高的安全系數；在洪水位下水位上升造成巖土體力學參數下降造成邊坡變形范圍增大，但整體安全系數較為可靠。

2）尾礦庫邊坡植被恢復后對其穩定性的影響主要集中在：根系對松散巖土體的固定作用；枝葉防止坡面直接被雨水沖刷；根系提高巖土體抗剪參數；根系對巖土體的崩解影響。

3）根據室內力學試驗，抗剪強度參數與植被數量關系如下：內聚力C與根系數量n關系如下：

內摩擦角φ與根系數量n關系如下：