露天礦山排土場邊坡穩定性分析

劉獻真，邱丹丹，李 麗

(武漢工程大學 資源與安全工程學院，湖北 武漢 430000)

1 引言

排土場是露天煤礦開采和工程實施中常見的人工堆積體，受不同因素作用時，容易發生滑坡、泥石流等地質災害[1]，為保障礦山安全運行將對其進行穩定性分析。眾多學者就排土場邊坡穩定性展開大量研究，韓雪等[2]基于FLAC3D有限差分軟件，分析了滲流作用對邊坡位移滑移面分布的影響。李小武等[3]就自重、降雨等不同工況下使用極限平衡法進行數值模擬得出邊坡穩定性安全系數。曾強[4]利用Geo-Studio軟件分析降水對邊坡體積含水率的影響，得出淺層土體剪應變化與位移變化對邊坡穩定性有明顯影響。李丞等[5]運用非飽和滲流原理和非飽和土強度理論計算不同滲流與降雨因素下的滲流特征與安全系數變化規律。秦馳越等[6]將排土場剖面初期設計中的邊坡穩定性評估問題，提出了2種用于預測排土場邊坡安全系數的機器學習模型。楊幼清等[7]采用有限元法模擬分析了5種不同堆載高度工況下排土場邊坡變形破壞模式并確定排土場邊坡安全系數和穩定性評價。然而目前的研究仍以二維模型為基礎，采用剖面計算邊坡穩定性時無法考慮斜坡頂部的抗滑效應，二維邊坡安全系數只含剖面數據，但滑坡本質是邊坡失穩破壞，仍屬于三維問題，因此采用三維安全系數求解更符合實際情況。盧坤林等[8]就針對二維與三維邊坡穩定性分析結果進行比較，得出在一定條件下三維的安全系數相較于二維安全系數更高的結論。

本文以武漢市某露天礦山排土場為研究對象，結合極限平衡法與強度折減法對排土場邊坡進行穩定性計算。由于邊坡變形是動態過程，同一高度不同位置的穩定性系數仍有差異，因此通過三維模型結合二維極限平衡法做出更加全面深入的邊坡穩定性分析。

2 工程地質背景

該礦山北排土場位于中部地區內，受降雨影響少，不位于板塊交接地區且不受地震直接影響。區內地形屬丘陵地貌，海拔高程范圍約30～150 m，地勢較平緩。該排土場有山北和丁字山兩座排土場，均為1958年設計使用的，這兩座排土場堆置范圍大、堆置時間長，均為1等排土場(容積超過1000 萬m3)，其中山北排土場排高約79 m、整體邊坡角約12°；丁字山排土場排高約110 m，整體邊坡角度約34°。本次主要研究對象為山北排土場，該排土場圖層由人工填積層、第四系上更新統坡積+洪積、第四系殘積+坡積層、下二疊系(P1)灰巖組成。根據巖土性質，露天排土場可分為3層。上部為碎石土厚度約10 m，素填土約5 m，中部為粉質粘土約10 m、紅黏土約5 m，底層為中微風化灰巖。

綜合現場調查數據，該排土場其他部位有發生過土質滑坡，且部分位置連續發生兩次滑坡，滑坡寬度約30 m，滑坡高度約25 m，滑坡舌厚度約3 m，滑坡體積約2250 m3。為防止排土場再次發生滑坡事故，需對其進行穩定性分析。

3 邊坡穩定性分析

根據《露天煤礦邊坡穩定性年度評價技術規范》[9]規定，露天煤礦邊坡穩定性評價應采用定性分析和定量分析相結合的辦法進行，定性分析主要是以工程類比法和圖解分析法進行。定量分析主要采用極限平衡分析法，基于極限平衡理論和邊坡的破壞性計算其穩定系數[10]。本次研究的滑坡為牽引式土質滑坡，潛在滑動面為圓弧形。由于上層堆積的碎石土粒徑差別較大，在風化后可能會發生沉降產生空隙，使土體強度降低，抗剪強度減弱，導致坡體產生變形滑動。

3.1 數值計算

對現場調查數據分析處理后，結合各個地層數據，選取典型剖面建立剖面圖。在進行邊坡穩定性分析時，主要依靠極限平衡法獲取穩定性系數。下文將結合簡化畢肖普法、Morgenstern-Price法和普通條間法獲取邊坡穩定系數，邊坡自然狀態下簡化畢肖普法和Morgenstern-Price法求得安全系數為1.17，普通條間法求得的安全系數為1.10。

根據表1《露天煤礦邊坡穩定性年度評價技術規范》規定中邊坡穩定安全系數的限制可以看出，自然狀態下該排土場邊坡處于穩定狀態。數值計算結果表明，3種算法下的安全系數數值近似，邊坡安全系數為1.17，處于臨界穩定狀態。若繼續使用該排土場將發生滑坡事故，影響礦山排土場發展的安全合理性。

表1 邊坡穩定安全系數的限制

3.2 三維邊坡穩定性分析

與數值計算相比，三維模型可以更大限度的還原實際地形，綜合地質測繪、工程鉆探、重型動力初探實驗等手段探明各土體的力學參數，利用軟件建立邊坡三維數值模型。排土場的堆置參數如下：臺階高度10 m，臺階破面角34°，最終平臺寬度：安全平臺4 m，清掃平臺6 m，堆置高度：自+43 m水平堆至+77 m水平，堆高34 m，臺階數：3，以此為+57 m、+67 m、+77 m。礦山排土場為采場廢石廢土，塊度<800 mm，排土利用礦山運輸車推土機由低到高分層堆排。

根據排土場堆置參數建模時，考慮到部分土體材料的厚度很小，故合并一部分碎石土和粉質粘土層，模型材料參數如表2所示。

表2 模型材料參數

對現場勘探數據處理后，建立有效三維模型，對模型底面創建XYZ方向的約束條件，對側面創建XY方向的約束條件，施加初始狀態的地應力，計算土體材料強度折減后的內摩擦角和粘聚力，計算只考慮排土場自重時邊坡穩定性系數和改變工況考慮自重與滲流共同作用時邊坡穩定性系數。最后利用combine函數分析位移與強度折減系數的曲線，分析位移突變點判斷穩定性系數和不同工況下邊坡穩定性系數變化[11～13]。分析流程圖如圖1所示。

圖1 模擬流程

第一類工況為只考慮排土場自重情況，選取坡面9個特征點參考分析，選取參考點為D233、D229、D225位于第一級臺階，D266、D262、D258位于第二級臺階，D290、D286、D282位于第三級臺階。從圖2第一類工況下坡面監測點數據可知，只考慮自重情況下坡面各特征點安全系數均大于等于1.2，處于穩定狀態，根據監測結果中不難得出三層臺階初始狀態下各點的穩定性系系數在1.2～1.5范圍，位移量在強度折減系數1.2以后發生突變，確定其安全系數均大于1.2。根據礦山安全規定此時邊坡仍處于穩定狀態。數值模擬結果顯示每級臺階的3個監測點中邊緣兩點穩定性系數高于中間點的穩定性系數，且第一級臺階的位移量最小，隨著高度的增加土體的位移量也隨之增加，第三級臺階的位移量最顯著，是最先發生滑動的位置，需要重點防范。

圖2 第一類工況下坡面監測點數據

圖3模擬邊坡變形圖中三維云圖與剖面圖顯示塑性變形區域均為貫穿排土場斜坡的一個滑動區，坡頂和坡腳淺層等效塑性區域范圍較廣。在三維模型中隨著時間改變邊坡塑性區域在坡面上呈擴展狀態。由此說明，若果不對邊坡加以治理，隨著時間推移，邊坡變形將持續增大，產生塑性形變，排土場穩定性持續降低，發生滑坡危害的可能性將增大。

圖3 模擬邊坡變形云

綜合露天排土場中粉質黏土與紅黏土的占比量，該排土場邊坡滲透系數區別于一般土質邊坡，當露天排土場長期遭受降雨影響時會對其穩定性產生影響[14]。因此除排土場自重影響外，考慮滲流作用下排土場邊坡穩定性變化。圖4是自重+滲流(工況2)作用下9個相同觀測點的邊坡穩定性系數折線圖。圖中明顯觀察到位移突變點的前移，說明邊坡穩定性系數降低。再選取一個特征點D229對比兩種工況下安全系數的變化，從圖5可見滲流作用影響排土場邊坡穩定性。

圖4 第二類工況下坡面監測點數據

綜上所述，結合剖面計算結果與三維模型分析結果計算結果均顯示改排土場邊坡處于穩定狀態，各級臺階安全系數符合安全要求。由于該礦山其他部位排土場已有滑坡先例，結合數值模擬分析結果，推測隨著采場邊坡使用年限的增加穩定性將逐漸降低并導致滑坡，建議該礦區排土場做出有效治理。

4 優化方案

治早治小是滑坡防治工程的一項重要基本原則。

如果對有發生滑坡危害的斜坡不能及早處理，將會導致滑坡在巖土體的時效作用下，抗剪強度不斷減小，滑坡規模不斷擴大，從而導致后期滑坡處理工程規模的增大和處治難度與費用不斷上升。同時，隨著邊坡的巖土力學性質不斷減弱，坡體的時效作用越強[15]。因此對于排土場邊坡這類人工堆積的順層坡體更要貫徹治早治小的理念。針對該排土場邊坡，在上述結論支撐的結果下，現提出優化方案，從而有效防止因坡體的力學參數在時效作用下降低。例如可在安全平臺寬度不變的基礎上將排土場邊坡的坡度設計的更加平緩，為保證排土場坡面的穩定性，也可以各級永久坡面采用覆土+混凝土格子梁+綠化進行防護，增加邊坡穩定性。帶入實際工況驗證坡度平緩以后邊坡穩定性系數的變化。改變坡比為1∶2后可以看出邊坡自然狀態下簡化畢肖普法和Morgenstern-Price法求得安全系數為1.37，普通條間法求得的安全系數為1.36。穩定性系數明顯提高，證明改變坡比可以有效提升穩定性系數。

5 預防邊坡滑坡措施

通過現場勘探結果與數值模擬分析綜合分析可知，該排土場邊坡目前處于穩定性狀態，但如果繼續堆積不加以治理，邊坡應力場發生破壞，抗剪強度降低，塑性應變增大，將導致排土場發生滑坡事故，未避免造成經濟損結合排土場實際情況提出以下措施[16～20]。

(1)削幫壓腳加固。將滑坡區的滑體進行清理并擴寬臺階寬度，減小滑體的后緣載荷。原邊坡坡面角為34°，將臺階滑體清理后按照坡面角26°、臺階高度10 m進行修整。將剝離出來的碎石土回填到邊坡坡腳增加前緣滑體的體積以減小位移滑力。同時采取護坡加固措施對局部失穩的坡體進行加固，防止坡體滑坡。當出現坡體局部失穩時可以選取堅硬的巖石作為錨點使用錨桿對坡體進行加固。

(2)及時處理邊坡裂縫。由于邊坡在出現破壞前通常會在坡體頂部產生拉伸裂縫，邊坡裂縫的產生標志著坡邊已經發生變化。因此，可以采用強力錨桿及預注漿措施對坡體進行加固，預防坡體產生裂縫。

(3)加強動態監測治理。由于露天礦山邊坡具有復雜性、動態性和時效性等特點，因此在邊坡治理時應堅持動態治理、長期治理原則。對排土場邊坡上安裝位移監測系統，采用多個監測點觀測邊坡的位移異常狀態，在容易發生滑坡的位置布置檢測線觀測邊坡坡面滑動情況。

6 結論

結合現場勘測報告與實地考察，利用數值模擬軟件對該礦山西區排土場地質剖面計算并建立三維地質模型計算出該采場邊坡處于穩定狀態。由剖面計算結果可知排土場安全系數為1.17，結合三維模型驗證后，得到坡面上各特征點的安全系數約為1.3，符合《露天煤礦邊坡穩定性年度評價技術規范》要求。邊坡穩定性系數計算結果中二維相較于三維穩定性系數更加保守，三維模型考慮其動態變化過程穩定性系數更具可靠性。在三維模型中可以觀察到排土場邊坡的不穩定地區，檢測到滑坡發生的部位由中心向邊緣位置開始擴散，擴散范圍從上至下，考慮滲流作用后，邊坡穩定性系數發生顯著變化，存在安全風險。當遭遇雨季或其他開采條件變化等影響因素時，極有可能發生滑坡事故。

根據數值模擬所得結論，結合排土場邊坡實際情況提出加固措施，削幫壓腳、高強度錨桿加固、完善疏干排水系統、及時處理拉伸裂縫、加強監測巡查和邊坡維護等預防措施，保障礦山排土場邊坡穩定性，確保礦山安全運營。

對于礦山排土場邊坡穩定的監測過程中，要始終貫徹治早治小的原則，防范于未然，加強邊坡土體位移監測，針對監測結果分析破壞規律，制定更加合理有效的治理措施控制減緩邊坡破壞變形，降低排土場邊坡滑坡事故的發生。