呂林洪，許 波

(1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650000；2.中國(guó)銅業(yè)有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

露天礦山排土場(chǎng)是堆放剝離廢巖(土)的場(chǎng)所，其穩(wěn)定性既是一個(gè)關(guān)系到礦山安全生產(chǎn)的技術(shù)問(wèn)題，又是一個(gè)關(guān)系到人員生命財(cái)產(chǎn)的安全和環(huán)保問(wèn)題。對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，它的各個(gè)系統(tǒng)都是遵循一定的方式協(xié)同有次序的運(yùn)動(dòng)，即協(xié)同發(fā)展具有規(guī)律性。然而對(duì)于露天礦山邊坡非線性的復(fù)雜的開(kāi)放系統(tǒng)，由于其本身規(guī)律的不確定性、模糊性和復(fù)雜性使得技術(shù)人員對(duì)協(xié)同作用認(rèn)識(shí)不足或缺少認(rèn)識(shí)。由于系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展是有規(guī)律的，當(dāng)土場(chǎng)邊坡系統(tǒng)內(nèi)部組成部分出現(xiàn)不配套、不和諧可能使得協(xié)同作用減弱或超出了協(xié)同的范圍，削弱了系統(tǒng)的協(xié)同程度。系統(tǒng)中某些參數(shù)的漸變將可能導(dǎo)致系統(tǒng)的突發(fā)失穩(wěn)，致使出現(xiàn)了排土場(chǎng)邊坡的局部坍塌、整體失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，也就是削弱了系統(tǒng)的協(xié)同程度，從而打破原有的平衡破壞系統(tǒng)的協(xié)同。因此，進(jìn)行排土場(chǎng)邊坡系統(tǒng)協(xié)同穩(wěn)定的研究從而避免不協(xié)同帶來(lái)的地質(zhì)災(zāi)害地或土地資源的浪費(fèi)是十分有必要的。

眾所周知，排土工程是礦山生產(chǎn)的伴隨過(guò)程，它不產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)效益，但如果排土場(chǎng)邊坡發(fā)生失穩(wěn)垮塌超出系統(tǒng)協(xié)同穩(wěn)定范圍，將會(huì)導(dǎo)致礦山大系統(tǒng)的協(xié)同出現(xiàn)矛盾，輕則使礦山承受經(jīng)濟(jì)損失，重則影響礦山生產(chǎn)正常運(yùn)行。排土場(chǎng)是礦山連續(xù)生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，分析排土場(chǎng)邊坡失穩(wěn)機(jī)制，研究排土場(chǎng)邊坡體協(xié)同穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)礦山安全生產(chǎn)至關(guān)重要。

邊坡防治工程措施的設(shè)計(jì)與實(shí)施是巖土工程研究的重要內(nèi)容，它是一套復(fù)雜而嚴(yán)密的系統(tǒng)工程，行之有效的設(shè)計(jì)和施工方案，必須建立在對(duì)邊坡體結(jié)構(gòu)特征、幾何形態(tài)及坡體變形破壞形成演化機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)之上。鑒于露天排土場(chǎng)在礦山生產(chǎn)中的重要地位，文章依托某一具體排土場(chǎng)工程實(shí)際，從協(xié)同角度出發(fā)，考慮邊坡變形和破壞由內(nèi)外因綜合作用的結(jié)果，采用極限平衡和數(shù)值仿真模擬方法對(duì)該土場(chǎng)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性初析，從而為排土場(chǎng)穩(wěn)定狀態(tài)提供理論支撐，保證礦山安全生產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)效益最大化。

1 工程概述

排土場(chǎng)壩體軸線部位處侵蝕凹地收斂地段，壩體2側(cè)均為厚層狀弱風(fēng)化的石灰?guī)r，巖層呈弱風(fēng)化，強(qiáng)度較高。排土場(chǎng)堆置高度94 m，總?cè)萘?0萬(wàn)m3，邊坡坡比1：1.7，分為2個(gè)臺(tái)階，第一臺(tái)階堆置高程1 570 m，安全平臺(tái)寬6 m，第二臺(tái)階堆置高程1 615 m。攔渣壩為M10水泥砂漿砌石壩，壩頂標(biāo)高1 550 m，基礎(chǔ)標(biāo)高1 521 m，最大壩高H=29 m(不含清基)，壩頂寬B=3 m，壩體內(nèi)外坡比均為1：0.5。該排土場(chǎng)堆棄物料主要為采場(chǎng)剝離的棄石土，結(jié)構(gòu)疏松，呈散體狀結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)協(xié)同性較弱，其典型工程地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖1。

2 邊坡安全系數(shù)規(guī)范規(guī)程要求

所謂穩(wěn)定性系數(shù)是沿滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度與其上的剪應(yīng)力之比，是客觀存在的，可計(jì)算出。安全系數(shù)則是穩(wěn)定性系數(shù)的一個(gè)閥值，它是參考分析對(duì)象的重要性、危害性以及使用時(shí)間、參數(shù)的不確定性等人為確定的一個(gè)系數(shù)，嚴(yán)格地講安全系數(shù)是穩(wěn)定性系數(shù)中的一個(gè)點(diǎn)值。穩(wěn)定性系數(shù)是用定值法表示的實(shí)際具有的安全儲(chǔ)備，安全系數(shù)是用定值法表示的要求達(dá)到的安全儲(chǔ)備，是為穩(wěn)定性系數(shù)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)。

《冶金礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB51119—2015)中說(shuō)明，安全穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)排土場(chǎng)等級(jí)和計(jì)算工況確定。自然工況下(重力、穩(wěn)定地下水、正常施工荷載的組合)，當(dāng)排土場(chǎng)等級(jí)為三級(jí)時(shí)，排土場(chǎng)整體安全穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)為1.15～1.20，排土場(chǎng)下游存在村莊、居民區(qū)、工業(yè)場(chǎng)地等設(shè)施時(shí)，相應(yīng)區(qū)域排土場(chǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)取上限值；排土場(chǎng)整體穩(wěn)定性在降雨及地震工況下可在自然工況的標(biāo)準(zhǔn)下降低0.05，最低安全系數(shù)不低于1.10。

安全系數(shù)是滑坡治理工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，對(duì)安全系數(shù)的確定應(yīng)從滑坡滑動(dòng)可能造成的后果，治理工程措施目的，地表建筑物的重要性，對(duì)滑坡性質(zhì)、滑動(dòng)因素、滑體和滑帶巖土結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度等因素掌握的準(zhǔn)確程度，控制滑坡發(fā)展的把握性及其工程修復(fù)的難易程度等方面綜合考慮。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于規(guī)模較小、變形較快且易于查清性質(zhì)的滑坡，安全系數(shù)值可取小值，而對(duì)于危害較大，滑動(dòng)后可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果，或?qū)碌牧私獬潭炔粔蛏钊霑r(shí)，安全系數(shù)可以適當(dāng)取得大一些。

因此，基于排土場(chǎng)失穩(wěn)對(duì)周邊環(huán)境的影響程度、范圍和該排土場(chǎng)邊坡的工程特點(diǎn)，按照適度變形設(shè)計(jì)原則，允許部分破壞思想理念，以滿足礦山經(jīng)濟(jì)性與安全性兼顧的要求并結(jié)合上述各規(guī)范對(duì)邊坡安全系數(shù)的要求，同時(shí)結(jié)合《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)《和滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T029—2006)，確定該排土場(chǎng)邊坡在天然(自重)工況下邊坡安全系數(shù)取值為[FS]≥1.20，考慮地震、降雨工況下取值為[FS]≥1.15。

3 極限平衡法下的邊坡協(xié)同穩(wěn)定分析

3.1 理論基礎(chǔ)

極限平衡法的基本思想是假定邊坡沿巖土體內(nèi)某一確定的滑面滑移，根據(jù)靜力平衡原理和摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則計(jì)算沿該滑裂面滑動(dòng)的可能性，即安全系數(shù)FS的大小，從中選取多個(gè)可能的滑動(dòng)面，并計(jì)算相應(yīng)的安全系數(shù)大小，安全系數(shù)最小值對(duì)應(yīng)的滑移面就是最可能發(fā)生滑動(dòng)的面。極限平衡法中的安全系數(shù)定義為不斷衰減巖土體的剪切強(qiáng)度指標(biāo)到C′/FS和tanΦ′/FS，使滑面(圓弧面或非圓弧面)整體達(dá)到極限平衡態(tài)時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)即為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FS。目前極限平衡法主要有瑞典圓弧法，畢肖普法，Janbu法，Sarma法，Spencer法和Morgenstern-Price法等。各種方法不同之處在于相鄰?fù)翖l間的內(nèi)力假定條件不同，使超靜定問(wèn)題變成靜定問(wèn)題。

結(jié)合《冶金礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB51119—2015)，當(dāng)排土場(chǎng)表現(xiàn)為內(nèi)部進(jìn)程圓弧破壞時(shí)，可采用Morgenstern-price法、Bishop法、Spencer法或強(qiáng)度折減法；當(dāng)破壞模式為沿表土-基巖或排土體-地基的折線破壞時(shí)，可采用傳遞系數(shù)法、Janbu法或強(qiáng)度折減法。因此，采用了基于極限平衡理論的Bishop法、Spencer法和Morgenstern-price法對(duì)該排土場(chǎng)的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行了初步分析。

3.2 邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果分析

建立該排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析2D模型并用極限平衡法對(duì)不同工況下的排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算，得到最危險(xiǎn)滑移面位置和安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。鑒于篇幅所限，該文只列出了降雨工況下Bishop法的計(jì)算結(jié)果云圖，見(jiàn)圖2。

表1 不同工況下排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：由表1看出不同方法計(jì)算得出的排土場(chǎng)邊坡最危險(xiǎn)滑移面穩(wěn)定性系數(shù)只有在天然工況下大于規(guī)程要求的安全系數(shù)，在考慮外部地震荷載和降雨作用下邊坡體安全穩(wěn)定性系數(shù)均存在不同程度的衰減，已不滿足規(guī)范要求超出了協(xié)同穩(wěn)定范圍；由計(jì)算云圖發(fā)現(xiàn)，最危險(xiǎn)滑面表現(xiàn)為貫通整體的滑移，因此應(yīng)對(duì)該土場(chǎng)邊坡采取一定的防護(hù)措施以防止其失穩(wěn)產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害。

4 強(qiáng)度折減法下的邊坡協(xié)同穩(wěn)定分析

4.1 強(qiáng)度折減法原理

極限平衡法同強(qiáng)度折減法的安全系數(shù)具有相同的物理意義，強(qiáng)度折減法在本質(zhì)上與傳統(tǒng)的極限平衡法一致，且實(shí)際中許多邊(滑)坡的發(fā)生常常是由于外界因素引起巖土體強(qiáng)度降低所致，而強(qiáng)度折減法的提出使得采用數(shù)值分析手段計(jì)算安全系數(shù)成為可能。連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日法(FLAC)具有使用強(qiáng)度折減法求解安全系數(shù)的功能，不僅可以得到復(fù)雜邊坡的安全系數(shù)，而且容易通過(guò)臨界狀態(tài)的剪應(yīng)變和節(jié)點(diǎn)速度判斷出滑動(dòng)面的位置，所以越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到工程實(shí)際中。

Duncan(1996)指出邊坡安全系數(shù)可以定義為使邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)，對(duì)土的剪切強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度。這種強(qiáng)度折減技術(shù)應(yīng)用到有限差分中可以表述為：保持巖土體的重力加速度為常數(shù)，通過(guò)逐步減小抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，將c，φ值同除以折減系數(shù)Fsr，得到一組新的強(qiáng)度指標(biāo)c′，φ′，然后進(jìn)行有限差分分析，反算及計(jì)算直至邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，此時(shí)采用的強(qiáng)度指標(biāo)與巖土體原有的強(qiáng)度指標(biāo)之比即為該邊坡的安全系數(shù)Fs，公式如下。

(1)

(2)

式中：

c和φ—巖土體的抗剪強(qiáng)度；

ce和φe—折減后保持坡體穩(wěn)定的極限抗剪強(qiáng)度；

Fsr—強(qiáng)度折減系數(shù)。

4.2 強(qiáng)度折減計(jì)算結(jié)果分析

剪應(yīng)變率等值線表示剪切破壞面，即邊坡變形潛在滑坡破壞面的位置，見(jiàn)圖3。

通過(guò)FLAC2D進(jìn)行驗(yàn)算后，安全穩(wěn)定性系數(shù)在天然、地震、降雨下分別為1.24、1.12和1.15，只有天然工況滿足《有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，在降雨、地震荷載作用下邊坡穩(wěn)定明顯降低，剪切等值線已從坡腳貫通到坡頂，滑動(dòng)區(qū)域增大，排土場(chǎng)邊坡存在較大的安全隱患超出安全協(xié)同范疇。

5 排土場(chǎng)邊坡綜合分析與治理

5.1 與slide極限平衡對(duì)比分析

運(yùn)用極限平衡法和數(shù)值仿真模擬法計(jì)算了各種工況下排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定情況，計(jì)算結(jié)果相互驗(yàn)證，可提供趨于合理的結(jié)論，為排土場(chǎng)穩(wěn)定提供理論依據(jù)。對(duì)比極限平衡法計(jì)算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面基本吻合，兩者所得的安全系數(shù)非常接近，最大誤差不超過(guò)3 %，表2給出了2種方法不同工況下的安全穩(wěn)定性系數(shù)。

表2 不同方法所得排土場(chǎng)邊坡最小安全穩(wěn)定性系數(shù)表Tab.2 Minimum safety and stability coefficient of waste dump slope obtained by different methods

鑒于上述分析，通過(guò)極限平衡和有限差分強(qiáng)度折減得出：邊坡在現(xiàn)狀下滿足協(xié)同穩(wěn)定，安全儲(chǔ)備較大，但考慮降雨、地震作用于排土場(chǎng)時(shí)，打破了系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間平衡，而系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)非線性機(jī)制作用改變應(yīng)力分布狀態(tài)、改變結(jié)構(gòu)產(chǎn)生協(xié)同現(xiàn)象，使系統(tǒng)形成具有一定功能的自組織結(jié)構(gòu)，宏觀上產(chǎn)生時(shí)間結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)或時(shí)空結(jié)構(gòu)，在非平衡態(tài)下出現(xiàn)新的有序態(tài)而超出邊坡協(xié)同穩(wěn)定范圍，未達(dá)到礦山排土場(chǎng)的安全要求，需對(duì)排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行適當(dāng)整治。因此，為保證排土場(chǎng)安全運(yùn)行應(yīng)從該排土場(chǎng)邊坡可能發(fā)生滑坡作用機(jī)理出發(fā)從控制工程、抑制工程角度進(jìn)行有效防治。

5.2 設(shè)計(jì)、治理原則與理念

考慮排土場(chǎng)工程安全威脅主要是上部排土平臺(tái)工程機(jī)械和坡腳下游范圍內(nèi)的村莊、設(shè)施等。排土場(chǎng)散體未經(jīng)分層和碾壓控制，堆排時(shí)必出現(xiàn)較大的沉降變形和裂縫，導(dǎo)致局部垮塌和小范圍臺(tái)階滑坡，對(duì)于這一部分對(duì)邊坡體產(chǎn)生的災(zāi)害，不可能限制其變形，也沒(méi)必要。因此，基于該排土場(chǎng)對(duì)周邊環(huán)境的影響程度和范圍，考慮排土體與地基基礎(chǔ)的協(xié)同作用，按照適度變形設(shè)計(jì)原則，允許部分破壞理念思想，以滿足礦山經(jīng)濟(jì)性與安全性兼顧的要求。

滑坡失穩(wěn)是多因素綜合作用的結(jié)果，但對(duì)于某一特定的滑坡總存在對(duì)滑坡發(fā)生起關(guān)鍵控制作用的因素，因此，對(duì)于失穩(wěn)滑坡應(yīng)根據(jù)滑坡失穩(wěn)緣由采取主要工程措施消除或控制其發(fā)展進(jìn)而穩(wěn)定滑坡，對(duì)其他因素采取一般性輔助措施達(dá)到綜合性治理。

5.3 排土場(chǎng)安全運(yùn)行治理方案

5.3.1 控制工程

(1)完善泄洪系統(tǒng)。鑒于該地區(qū)降雨集中且強(qiáng)度高，可在外圍設(shè)置多道截水溝以攔截附近的地表水，對(duì)于滑坡區(qū)域修設(shè)排水系統(tǒng)，疏導(dǎo)地表及地下水，防止其滲入滑坡體內(nèi)而削弱巖土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)以及增大坡體的下滑力，同時(shí)根據(jù)工程地質(zhì)勘查，雨季地下水的影響程度考慮設(shè)置盲溝、暗涵等排除地下水最大程度降低降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。

(2)削方減載。削坡減載是治理滑坡常用的方法之一，常用于治理處于“頭重腳輕”狀態(tài)而在前方又沒(méi)有可靠抗滑地段的滑體。最經(jīng)濟(jì)、最合理的削坡處理措施，應(yīng)該是在獲得滑坡段滑坡推力及剩余滑坡推力的基礎(chǔ)上，按設(shè)計(jì)工況條件下滑坡體剪出口處的剩余下滑力來(lái)確定削坡位置及其規(guī)模。所謂“減重”是指在滑坡體的上部牽引段和部分主滑段產(chǎn)生剩余下滑力的部分挖去一部分滑體巖土，以減小滑體重量和滑坡推力的工程。即減少滑坡體的體積，改變坡體的幾何形態(tài)，從而減小滑坡的下滑推力，使滑坡體坡面形成規(guī)則的穩(wěn)定坡面形態(tài)，或?qū)⒌诙_(tái)階做成兩個(gè)平臺(tái)降低排棄高度，從而提高排土場(chǎng)的安全穩(wěn)定性系數(shù)。

5.3.2 抑制工程

建議對(duì)排土場(chǎng)坡腳壩體進(jìn)行相應(yīng)的加固措施(注漿、抗滑擋墻、預(yù)應(yīng)力錨索等)，從而增加抗滑力，控制排土場(chǎng)邊坡的滑移。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析，極限平衡和數(shù)值模擬結(jié)果表明，目前排土場(chǎng)邊坡在降雨、地震荷載下表現(xiàn)出不穩(wěn)定的因素，存在滑坡失穩(wěn)的趨勢(shì)，超出了協(xié)同作用的范圍。該排土場(chǎng)邊坡破壞滑坡失穩(wěn)表現(xiàn)為推移式，滑動(dòng)面不深且具有上陡下緩形態(tài)，可采用削坡減載、排水等控制工程改變滑坡體的物理力學(xué)特性，從而減小下滑力進(jìn)而削減支擋工程數(shù)量、節(jié)省投資，也為施工安全創(chuàng)造了條件，同時(shí)與注漿、擋土墻、樁工程等抑制工程相結(jié)合，增加抗滑力，同時(shí)結(jié)合土場(chǎng)區(qū)域工程水文地質(zhì)條件和外在因素進(jìn)行滑坡綜合防治，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)安全最大化，以達(dá)到穩(wěn)定滑坡的目的。