云南某鉛鋅露天礦山排土場邊坡穩(wěn)定性分析

黃建君，劉家文，陳愛明

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

為了解排土場邊坡最終堆存形態(tài)后的穩(wěn)定性狀態(tài)，避免在沉降及今后的堆排過程中出現(xiàn)意想不到的安全隱患，危及相關(guān)的作業(yè)人員及工業(yè)設(shè)施，需要在調(diào)查、現(xiàn)場試驗結(jié)果及分析的基礎(chǔ)上，采用穩(wěn)定性分析法對排土場堆排方案進(jìn)行穩(wěn)定性安全計算。

鑒于某鉛鋅礦排土場邊坡的實際特殊情況，要對排土場邊坡的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性計算分析研究以此鑒定該排土場堆排設(shè)計的合理性和可靠性，加強(qiáng)對邊坡穩(wěn)定性影響因素的認(rèn)識，更深層面上分析了滑坡產(chǎn)生的機(jī)理。了解排土場滑坡的發(fā)展演化規(guī)律，以便對該工程的具體實施進(jìn)行指導(dǎo)。

1 工程概況

云南某鉛鋅露天礦山排土場位于礦山歪山梁子溝內(nèi)，場區(qū)地形坡度10°～20°，局部達(dá)45°，標(biāo)高2 750.0～3 020.7 m，相對高差270.7 m。場區(qū)東南端鳳凰山海拔為3 440 m，為區(qū)內(nèi)最高點。區(qū)內(nèi)發(fā)育有2條近東-西向展布沖溝，C1溝長513.18 m，溝底寬5.0 m，匯水面積0.19 km3，縱坡降23.5 %，平面呈“Y”字型，橫向呈“V”型，表層為殘坡積層含角礫粉質(zhì)粘土，切割深度較大，溝床岸坡植被較發(fā)育，勘察期間溝內(nèi)有水流，現(xiàn)狀沖溝溝岸穩(wěn)定，為青年期沖溝；C2溝長413.0 m，溝底寬4.0 m，匯水面積0.056 km3，縱坡降13.5 %，平面呈“I”字型，橫向呈“V”型，表層為殘坡積層含角礫粉質(zhì)粘土，切割深度較大，溝床岸坡植被較發(fā)育，勘察期間無水流，現(xiàn)狀沖溝溝岸穩(wěn)定，為青年期沖溝。現(xiàn)狀下區(qū)內(nèi)地勢東高西低，坡體植被發(fā)育，屬中等切割構(gòu)造-剝蝕高中山區(qū)山間溝谷地貌。

該排土場設(shè)計等級1級，設(shè)計總?cè)莘e2 925.31 萬m3，堆存廢石實方量2 285.40 萬m3，堆置總高230 m，分7段堆排，臺階高度30 m，臺階坡面角35.0°，安全平臺寬度30.00～44.00 m，北端邊坡整體坡面角為21.00°，中部邊坡整體坡面角為19.37°，南端邊坡整體坡面角為22.00°，排土場總用地62.749 萬m2，沿排土場坡腳設(shè)置有碾壓石攔渣壩見圖1，沿排土場周邊設(shè)置有截洪溝。

圖1 排土場攔渣壩Fig.1 Blocking dam of the waste dump

該排土場所排廢堆料為生產(chǎn)剝離的廢石，廢石主要由強(qiáng)-中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)-中風(fēng)化泥巖、強(qiáng)-中風(fēng)化砂巖、強(qiáng)-中風(fēng)化灰?guī)r及部分殘坡積混角礫、碎石粉質(zhì)粘土組成，其母巖主要為果郎組下段(E2g1)粉砂質(zhì)泥巖、云龍組(E1y)泥質(zhì)粉砂巖、景星組下亞段(K1j11)粉砂巖、壩注路組上段(J3b2)泥質(zhì)粉砂巖、花開左組下段(J2h1)粉砂巖、麥初箐組(T3m)細(xì)砂巖、三合洞組(T3s)灰?guī)r。堆排物料易風(fēng)化、遇水易崩解。

2 排土場堆置參數(shù)

(1)堆置總高：230 m(標(biāo)高2 750.00～2 980.00 m)；

(2)堆置段高：20～30 m；

(3)堆置段數(shù)

①西側(cè)(主坡面)堆排段數(shù)：8段(標(biāo)高2 750～2 770 m、標(biāo)高2 770～2 800 m、2 800～2 830 m、2 830～2 860 m、2 860～2 890 m、2 890～2 920 m、2 920～2 950 m、2 950～2 980 m)；

②南側(cè)堆排段數(shù)：4段(標(biāo)高2 860～2 890 m、2 890～2 920 m、2 920～2 950 m、2 950～2 980 m)；

③北側(cè)堆排段數(shù)：5段(標(biāo)高2 830～2 860 m、2 860～2 890 m、2 890～2 920 m、2 920～2 950 m、2 950～2 980 m)；

(4)安全平臺寬度

①西側(cè)(主坡面)分段安全平臺綜合寬度：44.00 m，平臺設(shè)返坡i=3 %；

②南側(cè)及北側(cè)分段安全平臺寬度：30.00 m，平臺設(shè)返坡i=3 %；

(5)臺階坡面角：設(shè)計邊坡坡面角按35.00°繪圖和計算廢石堆存量；

(6)整體坡面角

北端邊坡整體坡面角為21.00°；中部邊坡整體坡面角為19.37°；南端邊坡整體坡面角為22.00°。

(7)排土場總用地62.749 萬m2，其中：道路用地3.480 萬m2，排土場用地56.975 萬m2，表土堆場2.294 萬m2；已征地面積20.321 萬m2，新征地面積2.014 萬m2，臨時用地面積40.415 萬m2。

(8)攔碴壩：

攔碴壩類型為；碾壓漿砌石壩。

攔碴壩壩體幾何尺寸：

①壩頂長度：471.83 m；

②壩體高度：Δh=20.00 m(中心縱橫軸線壩頂標(biāo)高—壩谷底標(biāo)高)；

③壩頂標(biāo)高：2 770.00 m；

④壩頂寬度：5.00 m；

⑤壩體面坡坡比1：1.00；壩體背坡坡比1：1.00。

該排土場總平面布置圖，見圖2，堆排斷面圖，見圖3。該次計算模型中選用的排土場力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 排土場巖層力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Mechanical parameters of the waste dump’s rock formations

圖2 該排土場總平面布置圖Fig.2 General layout of the waste dump

圖3 排土場堆排形態(tài)剖面圖Fig.3 The waste piling profile

3 邊坡穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)排土場設(shè)計規(guī)范中對排土場整體安全穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，該排土場周邊關(guān)系較簡單，無村莊、居民區(qū)和直接相鄰的工業(yè)場地，但堆存高度較高，擬定安全等級：2級。邊坡安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)：自然工況：Fs≥1.25；地震工況：Fs≥1.15；降雨工況：Fs≥1.15。

4 基于極限平衡理論的理正巖土邊坡穩(wěn)定性驗算

該工程抗震設(shè)防烈度為7度。選取排土場不同區(qū)域有代表性的邊坡結(jié)構(gòu)剖面圖，結(jié)合邊坡巖土體力學(xué)性質(zhì)，建立計算分析模型，采用極限平衡法進(jìn)行了設(shè)計排土場邊坡穩(wěn)定性計算分析。

分別計算天然狀態(tài)、天地震狀態(tài)、降雨狀態(tài)3種工況下的邊坡安全系數(shù)，邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果見表2。

表2 排土場場邊坡安全系數(shù)(極限平衡)Tab.2 Safety factors of the dump slope(limit equilibrium)

5 基于有限差分法的FLAC2D邊坡穩(wěn)定性驗算

采用數(shù)值分析法借助巖土工程邊坡分析軟件FLAC2D進(jìn)行了排土場邊坡穩(wěn)定性計算分析。FLAC2D它會根據(jù)巖土體的不利地帶搜索圓弧+折線型滑面，見圖4-7，對這3種不同工況進(jìn)行穩(wěn)定性計算。計算結(jié)果見表3。

表3 排土場邊坡安全系數(shù)(FLCA2D)Tab.3 Safety factor of the dump slope(FLCA2D)

圖4 3-3剖面滑動面分布云圖Fig.4 Sliding surface of the 3-3 profile

圖5 5-5剖面滑動面分布云圖Fig.5 Sliding surface of the 5-5 profile

圖6 6-6剖面滑動面分布云圖Fig.6 Sliding surface of the 6-6 profile

圖7 排土場主斷面邊坡滑坡變形破壞速度矢量圖Fig.7 Vector of the slope sliding deformation rate in the main cross-section

6 結(jié) 語

基底巖層的強(qiáng)度指標(biāo)和地形坡度決定了邊坡穩(wěn)定性好與差，一旦雨季期間，堆積物料力學(xué)指標(biāo)就會弱化，容易誘發(fā)滑坡風(fēng)險，因此通過以上計算得出如下結(jié)論：

(1)因該排土場邊坡自然狀態(tài)下安全系數(shù)[Fs]≥1.25，說明排土場具有很高的自穩(wěn)能力，未對下部露采邊坡、歪山梁子和南部大溝施加剩余下滑力，再加上該排土場壩腳距離露采境界有380 m遠(yuǎn)，距離歪山梁子排土場頂部有500～600 m遠(yuǎn)，距離南大溝排土場頂部有630 m左右遠(yuǎn)，因此該排土場頂部排土場的堆排對緊鄰的露采邊坡的穩(wěn)定性不會產(chǎn)生影響。

(2)排土場在現(xiàn)設(shè)計的堆存狀態(tài)下，潛在滑動面位于堆積體中，未穿過基底，其潛在的滑面在自然工況下滿足安全等級2級要求；在降雨工況下，其安全系數(shù)達(dá)到安全等級2級的要求，該邊坡處于穩(wěn)定的狀態(tài)，排土場設(shè)計堆排方案安全有保障，為后期廢土石堆排提供了指導(dǎo)依據(jù)。

(3)考慮地震情況下，排土場邊坡具備抗振動能力。

(4)通過6-6主剖面安全系數(shù)云圖可以看出，下部2#難選礦堆場未開挖與開挖后安全系數(shù)對比分析可知，該排土場安全系數(shù)幾乎沒有任何變化，再加上2#難選礦堆場距離該排土場壩腳尚有60～100 m距離之遠(yuǎn)，說明2#難選礦堆場開挖與否都不會對該排土場穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。