多雨地區(qū)米拉多銅礦南排土場(chǎng)穩(wěn)定性研究

蓋仕鋒 張思佳

（1.中鐵建國(guó)際投資有限公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

排土場(chǎng)是礦產(chǎn)開發(fā)中排放固體廢物的重要場(chǎng)地，而散體堆積形式的排土場(chǎng)在降雨條件下極易發(fā)生滑坡等失穩(wěn)破壞，從而對(duì)礦山安全生產(chǎn)造成威脅。降雨是引發(fā)滑坡的最主要因素［1］。降雨后，排土場(chǎng)中地下水位上升，導(dǎo)致排土場(chǎng)中巖土體重度變大、抗滑力減弱；在非飽和土質(zhì)邊坡中，降雨入滲作用下土體基質(zhì)吸力減弱，強(qiáng)度降低；降雨后土體飽和度增加，部分土質(zhì)排棄物產(chǎn)生塑化，易形成軟弱夾層帶；同時(shí)降雨形成表面徑流沖刷坡面，產(chǎn)生排土場(chǎng)滑坡、泥石流等［2-4］。因此，本研究以米拉多銅礦南排土場(chǎng)為例，研究降雨對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性影響，并提出相關(guān)的建議與意見。

1 排土場(chǎng)工程概況

研究區(qū)排土場(chǎng)總體屬于山麓斜坡堆積地貌，多堆積有采礦場(chǎng)地開挖平整階段形成的棄土，排棄物料多為粉質(zhì)黏土及碎石，堆料總體邊坡角為19°左右，坡度較緩，植被較發(fā)育。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察相關(guān)資料，排土場(chǎng)地層基巖以中風(fēng)化的花崗閃長(zhǎng)巖為主，上覆為含漂礫粉質(zhì)黏土的沖洪積層，最上部為人工填積土石排棄物。排土場(chǎng)所在地區(qū)為濕潤(rùn)性赤道氣候，降雨充沛，礦區(qū)年平均降雨量1 855 mm（海拔820 m），采礦場(chǎng)區(qū)年降雨量2 300 mm，礦區(qū)紀(jì)錄的日降雨量最高為98 mm。地下水主要有賦存于第四系粉質(zhì)黏土含漂石的空隙中的上層滯水，以及賦存于花崗閃長(zhǎng)巖基巖裂隙中的基巖裂隙水。排土場(chǎng)邊坡典型剖面見圖1。

1.1 排棄物及原始場(chǎng)地基礎(chǔ)巖土層物理力學(xué)性質(zhì)

通過(guò)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)米拉多銅礦南排土場(chǎng)地層巖土各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)經(jīng)測(cè)試后，結(jié)果如表1所示。

2 降雨條件下排土場(chǎng)穩(wěn)定性研究

采用Slide 軟件對(duì)排土場(chǎng)安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，主要對(duì)降雨引起的邊坡滲流變化導(dǎo)致的邊坡隱患進(jìn)行研究，假設(shè)坡面接收降雨后直接入滲至土體，未滲入降雨形成表面徑流流出，排土場(chǎng)表面無(wú)積水。根據(jù)Van-Genuchten模型［5］：

式中，Se為飽和度；h為壓力水頭,m；α、m、n均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其中m=1-1/n，0＜m＜1；K為滲透系數(shù),m/d；Ks為飽和滲透系數(shù)。

對(duì)排土場(chǎng)上層非飽和含漂石粉質(zhì)黏土及土質(zhì)排棄物滲透系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，滲透系數(shù)及水土特征曲線如圖2、圖3所示。

在米拉多銅礦地區(qū)，單日降雨量最高達(dá)到98 mm。在雨量相同的情況下，降雨時(shí)間越長(zhǎng)，邊坡穩(wěn)定性越低［6］。為了研究極限狀態(tài)下排土場(chǎng)穩(wěn)定性，以最大降雨量設(shè)置降雨4 d，總降雨量為392 mm。為研究在不同形式降雨工況下的排土場(chǎng)穩(wěn)定性，在降雨總量確定的前提下，根據(jù)實(shí)際降雨情況，參考前人研究結(jié)果將降雨形式簡(jiǎn)化如圖4所示3種類型［7］。

在Ⅰ型降雨中，降雨強(qiáng)度恒定，連續(xù)降雨4 d 后停止；Ⅱ型降雨屬于降雨強(qiáng)度逐漸增大的遞增雨型，在4 d 內(nèi)逐漸到達(dá)頂峰，并于第4 d 停止；Ⅲ型降雨屬于突發(fā)性暴雨，降雨強(qiáng)度遞減雨型，逐漸減小直至第4 d停止。

3 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3.1 降雨條件下排土場(chǎng)滲流場(chǎng)

降雨前排土場(chǎng)滲流的初始狀態(tài)如圖5所示，地下水位較深，對(duì)上部較軟弱的粉質(zhì)黏土含漂石層及排棄物層影響較小。

從圖6可以看出在Ⅰ型降雨過(guò)程中，在1～2 d中，由于表面土體不飽和，降雨存在入滲情況，表面水位較淺，地下水位上升；在3～4 d 時(shí)，土體飽和，水位線與坡面線重合，地下水位基本變化較小，這說(shuō)明在土體飽和后，大部分降雨以徑流形式從表面排走。

同樣，從圖7可以看出，Ⅱ型降雨過(guò)程中，由于Ⅱ型降雨先期降雨量較少，土體飽和速度慢，1～2 d中表面水位線較Ⅰ型降雨深，在3～4 d 中同樣因?yàn)橥馏w飽和使得水位線與坡面線基本重合，地下水位情況與Ⅰ型降雨基本相同。

圖8 可以看出，在Ⅲ型降雨中，由于前期降雨量較大，在1～3 d 內(nèi)，地下水浸潤(rùn)線基本與坡面線重合，此時(shí)大部分降雨通過(guò)徑流形式從排土場(chǎng)坡面排走；在4 d 時(shí)，水位出現(xiàn)降低，坡面徑流降低。而地下水位變化與前2種基本相同。

3.2 簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算結(jié)果

在排土場(chǎng)穩(wěn)定性研究中，采用Slide 軟件，自動(dòng)搜索安全系數(shù)最小的推測(cè)滑移面的形式，利用簡(jiǎn)化Bishop 法對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)。排土場(chǎng)土質(zhì)表層滲透系數(shù)較高，降雨影響較大，各雨型計(jì)算結(jié)果中推測(cè)滑動(dòng)面如圖9所示，推測(cè)潛在滑動(dòng)面主要集中于排土場(chǎng)淺表層人工堆填土質(zhì)排棄物，在未降雨時(shí)，推測(cè)滑動(dòng)面處于邊坡上部較陡位置，且失穩(wěn)狀態(tài)影響較小。隨著降雨量增多，潛在滑動(dòng)面基本處于相同位置，為土質(zhì)排棄物與下部粉質(zhì)黏土含漂石接觸面，這表明降雨對(duì)松散堆積的土質(zhì)排棄物穩(wěn)定性影響極大。

不同類型降雨排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性如圖10所示。

3.3 綜合分析

（1）從計(jì)算結(jié)果可以看出，結(jié)合滲流場(chǎng)變化，3 種雨型狀態(tài)下，隨著降雨量增加，排土場(chǎng)最小安全系數(shù)均降低，且安全系數(shù)在1 d 后即有明顯下降，推測(cè)是由于降雨初期土層含水量較低，滲透系數(shù)較高，降雨后地下水位上升較快，導(dǎo)致土層物理力學(xué)參數(shù)變化較大，抗滑力迅速減小，當(dāng)降雨量增多，土體逐漸飽和，滲透系數(shù)減小，大部分降雨成徑流排走，地下水位基本不變，抗滑力減小程度較小，安全系數(shù)減小幅度較小。同時(shí)，降雨量相同的情況下，各雨型安全系數(shù)相差不大。

（2）對(duì)比Ⅰ、Ⅲ型降雨，Ⅲ型降雨安全系數(shù)在降雨前1～3 d 內(nèi)小于Ⅰ型降雨，而當(dāng)強(qiáng)度較小的第4 d，安全系數(shù)大于Ⅰ型。對(duì)比2種降雨情況，Ⅲ型降雨前期強(qiáng)度大、降雨量大，可以看出，此類短期強(qiáng)降雨對(duì)排土場(chǎng)的穩(wěn)定性影響較大。

（3）在3種類型降雨中，Ⅱ型降雨下1～2 d內(nèi)排土場(chǎng)安全系數(shù)均較Ⅰ、Ⅲ型大，Ⅱ型降雨前期強(qiáng)度較小，降雨量小，對(duì)排土場(chǎng)影響相對(duì)較小，安全系數(shù)大，隨后土體逐漸飽和，入滲條件較差，降雨形成徑流排走較多，3～4 d內(nèi)安全系數(shù)較小。隨著雨量增多，安全系數(shù)減小較多。

4 結(jié)論與建議

（1）降雨在排棄土體非飽和情況下入滲較快，能迅速降低排土場(chǎng)安全系數(shù)。

（2）降雨對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性影響較大，包括降雨類型與降雨量，其中短期高強(qiáng)度降雨對(duì)排土場(chǎng)影響最大。

（3）降雨對(duì)排土場(chǎng)安全服務(wù)有嚴(yán)重的不良影響，米拉多銅礦地區(qū)需要對(duì)排土場(chǎng)設(shè)置合理有效的排水系統(tǒng)，同時(shí)做好短時(shí)強(qiáng)降雨預(yù)防工作，如鋪設(shè)土工布等防滲材料，減少降雨入滲，提高排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性。