甘海闊 周漢民 崔 旋

（1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京102628；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實驗室，北京102628）

露天礦排土場剝離廢石總量大，占地面積大。據(jù)資料統(tǒng)計，我國排土場、矸石山等的占地面積已達(dá)（1.4～2.0）×104km2，而國力只能支撐6%復(fù)墾率［1］。近些年來，隨著我國礦山企業(yè)新建排土場所面臨的征地、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等方面的壓力增大，在確保安全的前提下盡可能提高原有排土場排棄高度、增大廢石堆排量成了礦山的追逐目標(biāo)。如海南礦排土場計劃堆排高度為200 m，南芬礦廟兒溝排土場設(shè)計高度280 m，廠壩七架溝則計劃建設(shè)約400 m的超高排土場等［2-3］。但現(xiàn)實條件下我國大多已建排土場所面臨的現(xiàn)狀為：受先天選址條件制約（排土場的復(fù)雜地形、地質(zhì)條件、不規(guī)則邊界條件）以及后天排土條件影響（特定排土工藝、堆置方式、不均勻的排土物料特性），排土場的穩(wěn)定性成為關(guān)注的重點(diǎn)［4］，隨著排土場進(jìn)一步向高堆排，無疑將造成排土場的安全問題更加突顯。

作為大量土石混合料經(jīng)搬運(yùn)至特定場地按照一定堆排方式堆積所形成的大體積人工土石邊坡，排土場的穩(wěn)定性呈現(xiàn)出多區(qū)域多因素影響的空間效應(yīng)。表現(xiàn)為：①由于排土場往往占地面積較大，處在同一排土場的不同區(qū)域由于場地地形及地質(zhì)條件差異性大，造成其穩(wěn)定性存在差別；②排土場的不同區(qū)域由于堆置方式以及排土質(zhì)量控制有所差別，使得各區(qū)域排土體排土段高、坡度等條件差別較大并由此造成排土物料力學(xué)特性空間變異性較大［5-7］，從而影響各區(qū)域邊坡穩(wěn)定性；③受制于不均排土邊界條件下的排土場邊坡形成極不規(guī)則的空間排土體形態(tài)，使得排土場在空間上表現(xiàn)為凹形夾持和凸形發(fā)散效應(yīng)［8］，表現(xiàn)為凹形區(qū)域、凸形區(qū)域和較規(guī)則區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性存在一定差異性；④根據(jù)工程實例記錄所得的各典型排土場的滑坡失穩(wěn)均呈現(xiàn)出明顯的空間滑移體形態(tài)［9］。因此準(zhǔn)確反映排土場多區(qū)域多因素影響下的空間效應(yīng)，分析排土場邊坡的空間破壞過程，并合理評價排土場整體安全度，對于保證排土場的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。

本文將針對當(dāng)前我國排土場邊坡穩(wěn)定性研究的上述問題，以國內(nèi)某復(fù)雜條件下大型高排土場邊坡為例，依據(jù)該排土場特定的幾何邊界條件、地形地質(zhì)條件、排土現(xiàn)狀等，將排土場劃分多個區(qū)域建立三維模型，開展多區(qū)域下的空間穩(wěn)定性分析研究。基于邊坡穩(wěn)定性強(qiáng)度折減系數(shù)法評價其安全度，通過對邊坡開展逐步的強(qiáng)度折減研究排土場邊坡漸進(jìn)破壞失穩(wěn)過程及失穩(wěn)機(jī)制。并通過對三維空間穩(wěn)定性與平面結(jié)果開展對比分析，研究不規(guī)則地形、邊界及排土體空間效應(yīng)對排土場穩(wěn)定性的影響狀況，揭示平面分析和空間分析穩(wěn)定性結(jié)果存在差異的原因，建立排土場整體安全度控制指標(biāo)。通過該項研究獲得許多有益結(jié)論，并可為相關(guān)類似工程的評價、研究等提供參考。

1 工程背景

受礦區(qū)場地及選址條件限制，某排土場坐落于中低山區(qū)溝谷地形中。場地原始地形標(biāo)高+75～ +173 m，溝谷坡度10°～30°，區(qū)域地形起伏變化較大。排土場基底表層為厚0～24.93 m的第四系殘坡積土，平均深度約8 m；下伏地層為厚大堅實的太古界強(qiáng)（中）風(fēng)化黑云混合片麻巖組，排土場合計占地面積約3.5 km2。排土場北側(cè)區(qū)域分+160 m、+195 m、+240 m、+285 m、+330 m共5個臺階進(jìn)行堆排；南側(cè)區(qū)域由于區(qū)域狹窄，劃分+160 m、+195 m、+240 m、+285 m共4個臺階堆排，排土場設(shè)計最大堆積高度265 m，最大堆土方量約3.60億m3，屬國內(nèi)超大型排土場。

目前，該排土場采用“膠帶+排巖機(jī)”方式排土作業(yè)，但由于受制于地形條件、征地界線及周邊建筑物最小安全距離等限制，形成了極不規(guī)則的空間形態(tài)，如圖1所示。同時該排土場周邊存在著村落、學(xué)校以及選廠車間等設(shè)施，生產(chǎn)生活設(shè)施距離排土場的距離較近。目前排土場已堆排至約+200 m標(biāo)高，隨著該排土場后期堆排物的逐步增加、堆排高度進(jìn)一步增大，無疑將加大周邊構(gòu)筑物的安全風(fēng)險。因此，基于該排土場特定的地形、邊界、排土條件，將排土場劃分多個區(qū)域開展全面的空間穩(wěn)定性分析研究顯得尤為必要。

2 多區(qū)域空間安全度分析

2.1 數(shù)值模型與材料參數(shù)

本次空間穩(wěn)定性研究選擇排土場在空間形態(tài)、地形、地質(zhì)及邊界差異性較大的4個區(qū)域作為研究對象，各區(qū)域劃定的研究范圍如圖2所示，所建立的多區(qū)域三維空間數(shù)值分析模型如圖3所示。由于該排土場一直采用膠帶運(yùn)轉(zhuǎn)排巖機(jī)堆排剝離的廢石土料且采取了較為嚴(yán)格的分臺階控制措施，多組取樣所得出的各區(qū)域排土料粒徑分級差異性較小，排土物料及其他各分區(qū)材料力學(xué)參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

2.2 空間穩(wěn)定性分析

本文將基于所建立數(shù)值分析模型和試驗獲取的各分區(qū)力學(xué)參數(shù)，采用邊坡穩(wěn)定性分析的強(qiáng)度折減系數(shù)法，對排土場各區(qū)域空間穩(wěn)定性開展研究。

邊坡穩(wěn)定性強(qiáng)度折減系數(shù)法是指通過降低排土場物料力學(xué)參數(shù)的黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ，直至邊坡發(fā)生破壞失穩(wěn)，以此來評價邊坡的安全度。具體降強(qiáng)度方法如式（1）所示。

?

式中，Cf，φf分別對應(yīng)強(qiáng)度折減后的黏聚力和內(nèi)摩擦角，Kfos為安全度系數(shù)值。

圖4為強(qiáng)度折減的最終階段各區(qū)域排土場的剪切應(yīng)變增量云圖及其對應(yīng)安全系數(shù)，經(jīng)分析可得：

（1）排土場各滑坡體區(qū)域均呈現(xiàn)出明顯的三維空間滑移體形態(tài)。結(jié)合典型切面下剪切應(yīng)變增量速度矢量圖5可得：各區(qū)域排土場滑坡失穩(wěn)時，表現(xiàn)為排土體頂部下滑、中間部位沿坡面?zhèn)认蛳蛳禄?，坡腳區(qū)域水平剪出，呈現(xiàn)出自頂部外緣沿坡面至坡腳滑出的趨勢；對應(yīng)于排土場邊坡實際破壞現(xiàn)狀往往為頂部下滑產(chǎn)生拉裂縫，坡腳底鼓錯動；數(shù)值模擬分析的破壞現(xiàn)象符合排土場邊坡滑坡失穩(wěn)的一般規(guī)律。

（2）排土場4個區(qū)域的空間安全度分別為Kfos=1.867、1.929、1.975、1.844。依據(jù)GB50421-2007《有色金屬礦山排土場設(shè)計規(guī)范》可得：排土場各區(qū)域安全度Kfos≥1.30～1.50，排土場各區(qū)域均較為穩(wěn)定。

（3）通過各區(qū)域結(jié)果的對比分析，區(qū)域D與區(qū)域A（或區(qū)域B）相比，雖降低了45 m高的堆載高度（+330 m堆載平臺），但排土場區(qū)域D的空間安全度為各研究區(qū)域中最小。結(jié)果表明，排土場各區(qū)域穩(wěn)定性規(guī)律不僅受堆排高度單因子的影響，是受地形、邊界、排土條件等因素綜合影響的結(jié)果。

2.3 空間滑坡破壞過程分析

在計算各區(qū)域排土場邊坡安全度的基礎(chǔ)上，通過對排土場開展逐步的強(qiáng)度折減，并沿排土場各區(qū)域坡腳位置分散設(shè)置1組位移監(jiān)測點(diǎn)記錄在整個強(qiáng)度折減過程中排土場坡腳水平向位移變化情況，以研究排土場各區(qū)域失穩(wěn)破壞過程。圖6為不同強(qiáng)度折減過程中排土場典型剖面塑性區(qū)演化；圖7則為強(qiáng)度折減過程中對應(yīng)坡腳特征點(diǎn)位移演化曲線。各區(qū)域演化規(guī)律基本相似，限于篇幅本文只列出區(qū)域A下計算結(jié)果。結(jié)合區(qū)域A下計算結(jié)果，經(jīng)分析可得：

（1）在未進(jìn)行強(qiáng)度折減時（Kf=1.0），排土場塑性破壞區(qū)范圍較小，僅表現(xiàn)為基礎(chǔ)殘坡積層區(qū)域小范圍的破壞，排土場邊坡整體較為穩(wěn)定。

（2）隨著強(qiáng)度折減的逐步進(jìn)行（Kf=1.10～1.40），排土場邊坡塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，主要表現(xiàn)為基礎(chǔ)殘坡積層首先破壞，內(nèi)部排土體塑性區(qū)范圍逐步增大，且呈現(xiàn)自坡腳至坡頂逐步貫通趨勢。

（3）特征剖面塑性區(qū)范圍自坡腳貫通至坡頂位置貫通之后（Kf＞1.40時），塑性區(qū)貫通范圍進(jìn)一步由特征剖面向整個排土體延伸，形成空間大范圍的塑性破壞區(qū)直至滑坡失穩(wěn)。

（4）在整個強(qiáng)度折減過程中（Kf=1.0～Kfos），隨著邊坡塑性區(qū)范圍的不斷增大，排土場坡腳特征點(diǎn)位移變化規(guī)律也表現(xiàn)為逐步增大趨勢；當(dāng)各區(qū)域排土場邊坡坡腳特征點(diǎn)位移發(fā)生規(guī)律性大規(guī)模突變時，數(shù)值迭代計算不收斂，此時可認(rèn)為排土體已發(fā)生滑坡失穩(wěn)破壞，此時所對應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)即可作為排土場各區(qū)域的安全度。

3 與平面穩(wěn)定性結(jié)果的對比分析

為進(jìn)一步衡量評價排土場各區(qū)域安全度，比較平面分析結(jié)果與空間穩(wěn)定性分析下排土場穩(wěn)定性的差異，對上述4個空間穩(wěn)定性分析的區(qū)域選取10個典型剖面（見圖2）開展平面穩(wěn)定性計算分析。圖8為選取的多個特征剖面下排土場穩(wěn)定性計算剪切應(yīng)變增量云圖，表2則為空間安全度與平面安全度對比匯總表。通過和空間穩(wěn)定性結(jié)果對比分析可得：

（1）平面穩(wěn)定性分析下排土場的剪切應(yīng)變增量及矢量同樣表現(xiàn)為排土體頂部下滑、中間部位沿坡面?zhèn)认蛳蛳禄?，坡腳區(qū)域水平剪出趨勢，該規(guī)律與空間穩(wěn)定性分析下排土場滑坡規(guī)律相同。

（2）平面穩(wěn)定性分析可反映單一平面條件下地形、地質(zhì)、邊界及排土條件的變化，但未能反映排土體的空間效應(yīng)的影響。相比而言，不同特征剖面計算出的平面安全度差異性及離散型較大，其安全度結(jié)果在1.625～2.305之間變化。

（3）平面穩(wěn)定性分析結(jié)果的代表性很大程度上依賴于特征剖面的選取。與空間破壞區(qū)域相近區(qū)域下的典型切面下的平面安全度普遍低于空間穩(wěn)定性分析結(jié)果0.10～0.20左右；而與空間破壞區(qū)域非同側(cè)區(qū)域下的典型切面下的安全度結(jié)果差異離散較大，未能表現(xiàn)出明顯的規(guī)律相似性。

4 結(jié)論

（1）受場址地形及地質(zhì)條件、排土邊界形態(tài)、堆置方式及排土物料特性等因素綜合影響下的排土場邊坡安全度具有明顯的空間效應(yīng)；基于多區(qū)域的空間穩(wěn)定性分析及平面分析研究，該排土場整體安全情況受關(guān)鍵部分的局部穩(wěn)定性控制。正常情況下該排土場邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)在1.844～1.975之間，排土場較為穩(wěn)定。

（2）排土場各區(qū)域在滑坡失穩(wěn)時呈現(xiàn)出明顯的三維空間滑移體形態(tài)及特征，表現(xiàn)為排土體頂部下滑產(chǎn)生拉裂縫，底部剪出呈坡腳底鼓現(xiàn)象。對應(yīng)于數(shù)值計算，表現(xiàn)為排土體大面積塑性區(qū)貫通，并產(chǎn)生邊坡位移發(fā)生突變。

?

（3）經(jīng)過空間與平面穩(wěn)定性結(jié)果的綜合比較分析：與空間破壞區(qū)域同側(cè)區(qū)域下的典型切面下的平面安全度結(jié)果能夠近似反映排土場的整體安全度，其安全度結(jié)果普遍低于空間穩(wěn)定性分析結(jié)果0.10～0.20左右。

（4）平面安全度分析的結(jié)果可靠性和代表性依賴于特征剖面的選取。對于受地形、地質(zhì)、排土邊界等空間因素影響較大的排土場邊坡，在開展穩(wěn)定性計算時，宜采取空間穩(wěn)定性和平面穩(wěn)定性2種分析手段相結(jié)合的方式，以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠。

［1］ 王光進(jìn)，楊春和，張 超，等．超高排土場的粒徑分級及其邊坡穩(wěn)定分析研究［J］．巖土力學(xué)，2011，32（3）：905-913．Wang Guangjin，Yang Chunhe，Zhang Chao，et al．Research on particle size grading and slope stability analysis of super-high dumping site［J］．Rock and Soil Mechanics，2011，32（3）：905-913．

［2］ 曹 陽，黎劍華，顏榮貴，等．超高臺階排土場建設(shè)決策研究與實踐［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21（12）：1858-1862．Cao Yang，Li Jianghua，Yan Ronggui，et a1．Practice and decision study of building super-high bench dumping-site［J］． Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21（12）：1858-1862．

［3］ 王光進(jìn)，楊春和，孔祥云，等．超高臺階排土場散體塊度分布規(guī)律及抗剪強(qiáng)度參數(shù)的研究［J］．巖土力學(xué)，2012，33（10）：3087-3092．Wang Guangjin，Yang Chunhe，Kong Xiangyun，et al．Research on fragmentation distribution and shear strength parameters of accumulate granulae with super-high bench dumping site［J］． Rock and Soil Mechanics，2012，33（10）：3087-3092．

［4］ 王運(yùn)敏，項宏海．排土場穩(wěn)定性及災(zāi)害防治［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2011．Wang Yunmin，Xiang Honghai． Stability of Dump and Disaster Prevention［M］．Beijing：Metallurgical Industry Press，2011．

［5］ 任 偉，李小春，汪海濱，等．排土場級配規(guī)律及其對穩(wěn)定性影響的模型試驗研究［J］.江科學(xué)院院報，2012，29（8）：100-105．Ren Wei，Li Xiaochun，Wang Haibin，et a1．Model test on the discipline of waste dump gradation and its impact on the stability［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2012，29（8）：100-105．

［6］ 黃廣龍，周 建，龔曉南．礦山排土場散體巖土的強(qiáng)度變形特性［J］．浙江大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2000，34（1）：54-59．Huang Guanglong，Zhou Jian,Gong Xiaonan，et al． Stress-strain and shear strength properties of rock and soi1 matoria1s of waste pile in open pit mines［J］．Journal of Zhejiang University：Engineering Science，2000，34（1）：54-59．

［7］ 謝學(xué)斌，潘長良．排土場散體巖石粒度分布與剪切強(qiáng)度的分形特征［J］．巖土力學(xué)，2004，25（2）：287-291．Xie Xuebin，Pan Changliang．Fractal characteristics of size distribution and shear strength of bulky rock material in waste pile of mines［J］．Rock and Soft Mechanics，2004，25（2）：287—291．

［8］ 汪海濱，李小春，米子軍，等．排土場空間效應(yīng)及其穩(wěn)定性評價方法研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30（10）：2103-2111．Wang Haibin，Li Xiaochun，Mi Zijun，el a1．Researches on space effect of waste dumps and its stability evaluation method［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30（10）：2103-2111．

［9］ 汪海濱，李小春，米子軍，等．黃土地基排土場滑坡演化機(jī)制研究［J］．巖土力學(xué)，2011，32（12）：3672-3678．Wang Haibin，Li Xiaochun，Mi Zijun，et a1．Researches on fornlation evolution mechanism of waste dumps landslides on loess foundation［J］．Rock and Soil Mechanics，2011，32（12）：3672-3678．