楊江波

（云南磷化集團(tuán)有限公司）

尖山磷礦地處昆明市?？阪?zhèn)，隨著礦山生產(chǎn)規(guī)模不斷增大，現(xiàn)有排土場已不能滿足生產(chǎn)需要，必須新建排土場或?qū)υ信磐翀鲞M(jìn)行擴(kuò)容。通過對(duì)礦區(qū)的踏勘以及現(xiàn)行建設(shè)條件，現(xiàn)有尖山箐排土場周邊環(huán)境簡單，地處平緩地段，且尖山箐尾礦庫已完成尾礦庫回采施工設(shè)計(jì)。結(jié)合地形地貌及地質(zhì)情況，擬確定尖山箐排土場具備擴(kuò)容條件。

尖山箐排土場位于尖山箐上游地段，區(qū)域地形基本呈V 型，占地面積約70.7 hm2，沖溝近乎南北向，南高北低，自然地形高差約為24 m，主溝地形坡度約2°，左岸坡平均坡度13°，右岸坡平均坡度14°。

擴(kuò)容區(qū)域西側(cè)臨近尖山磷礦露天采礦場，南側(cè)沿現(xiàn)尖山箐排土場，距離東側(cè)及東南側(cè)分水嶺水平距離約200 m。擴(kuò)容區(qū)域排土場外部匯水面積較小，北側(cè)（下游）約1 km 為有320 國道及昆孟線鐵路。擬擴(kuò)容區(qū)域周邊環(huán)境較為簡單，無村莊及居民住宅。

排土場作為收納礦山廢石的場所，是礦山生產(chǎn)運(yùn)營環(huán)節(jié)中的重要組成部分［1］。排土場在礦山整個(gè)持續(xù)生產(chǎn)期間內(nèi)能否保持安全可靠，是堆排布置設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析中的重點(diǎn)問題，其中邊坡穩(wěn)定性的分析評(píng)價(jià)是邊坡工程的核心安全問題。因此，本研究就該排土場所處地形地貌及工程地質(zhì)條件進(jìn)行堆排設(shè)計(jì)和邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。

1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)勘察鉆探取芯揭露情況，勘察區(qū)內(nèi)主要巖土層由第四系人工堆積（Q4ml）壓實(shí)填土層，第四系坡洪積（Q4dl＋pl）粉質(zhì)黏土，第四系坡殘積（Q4dl＋el）粉 質(zhì)黏土層，基底為寒武系梅樹村組（∈1m）泥質(zhì)粉砂巖及震旦系上統(tǒng)燈影組（Zbdn）強(qiáng)風(fēng)化粉晶白云巖層等地層所構(gòu)成。將各巖土單元層巖性及分布特征敘述如下。

1.1 第四系人工堆積（Q4m）l層

壓實(shí)填土①層為褐黃、黃紅色，主要由黏性土及約15～30%的粉砂巖碎石、角礫、礫砂等組成。結(jié)構(gòu)呈稍密～中密狀，稍濕，透水性弱。系機(jī)械分層、分期碾壓回填形成，表部0～0.3 m 為碎石，主要分布于尾礦壩體位置。該層層厚為4.2～8.4 m。

1.2 第四系坡洪積（Q4dl＋pl）層

紅黏土②層為次生紅黏土，呈褐紅、棕紅色，以硬塑狀為主，少量呈可塑狀，稍濕，含少量碎石、角礫。除局部地段存在缺失外，其余大部分地段均有分布，層厚為1.4～18.2 m，最大埋深為11.5 m。

1.3 第四系坡殘積（Q4dl＋el）層

紅黏土③層為原生紅黏土，呈褐黃、棕黃色，主要呈硬塑狀，局部呈可塑狀，稍濕，含5%～10%的白云巖礫砂。切面稍光滑，無搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度和韌性中等。大部分土體中夾含有褐黑色鐵錳質(zhì)氧化物，整個(gè)場地均有分布，層厚為0.8～13.2 m。

粉質(zhì)黏土層為褐黃、褐紅色，主要呈硬塑狀態(tài)，局部呈可塑狀，稍濕，含5%～10%的粉砂巖碎石、角礫、礫砂，除局部地段存在缺失外，其余大部分地段均有分布，層厚介于1.5～15.5 m。

1.4 寒武系梅樹村組（∈1 m）

泥質(zhì)粉砂巖④2層灰黃、淺灰色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄～中厚層狀構(gòu)造，全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體風(fēng)化破碎較嚴(yán)重，巖質(zhì)較軟，巖芯多呈碎屑狀、碎塊狀及少量土狀，風(fēng)化碎塊手可折斷?？辈熘形唇掖┰搶?，揭示最大厚度為33.7 m，埋深為0～40 m，層頂標(biāo)高為1 919.46～1 966.85 m。

1.5 震旦系上統(tǒng)燈影組（Zbdn）巖層

強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)白云巖⑤層灰黃、灰白、淺灰色，砂晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄-中厚層狀及塊狀構(gòu)造，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理、裂隙極發(fā)育，節(jié)理面被紅色薄膜渲染，巖體破碎，巖體溶蝕、風(fēng)化現(xiàn)象較嚴(yán)重，巖質(zhì)較硬，干鉆不易鉆進(jìn)，巖芯多呈砂土狀、碎粒狀及少量碎塊狀，揭示最大厚度為7.20 m，埋深為17.3～3 m，層頂標(biāo)高為1 923.42～1 939.10 m。

各分布地層材料的物理力學(xué)指標(biāo)賦值見表1。

2 排土場堆排設(shè)計(jì)

尖山磷礦露天采礦場剝離廢石量約1 200萬m3/a，根據(jù)露天采礦場生產(chǎn)作業(yè)面位置、礦巖運(yùn)輸?shù)缆番F(xiàn)狀及尖山磷礦露天采礦場作業(yè)安排，約900 萬m3/a剝離廢石堆排至西部廢石場，剩余約300 萬m3/a堆排至尖山箐排土場。

注：括號(hào)內(nèi)為降雨工況下的力學(xué)參數(shù)。

據(jù)現(xiàn)場踏勘，結(jié)合業(yè)主方提供的資料和礦山服務(wù)年限，經(jīng)計(jì)算，擬確定尖山箐排土場擴(kuò)容部分排土場容量為3 200 萬m3，按照1.3 的庫容系數(shù)計(jì)算，尖山箐擴(kuò)容排土場服務(wù)年限為8.3 a。排土場堆排設(shè)計(jì)思路如下。

（1）排土場堆排方案設(shè)計(jì)遵循現(xiàn)行的專業(yè)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，力求環(huán)保、安全、經(jīng)濟(jì)、簡潔，使項(xiàng)目對(duì)周邊環(huán)境的影響降低到最低。

（2）符合礦山建設(shè)總體規(guī)劃，排土場堆排設(shè)計(jì)做到安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、施工易于操作。

（3）排土場方案設(shè)計(jì)應(yīng)能容納礦山服務(wù)年限內(nèi)的剝離廢石，并考慮2%～5%的富余量，避免重新選址建設(shè)新的排土場。

2.1 廢石物理特性

（1）根據(jù)工勘報(bào)告與湯家箐、尖山箐排土場的實(shí)際堆存情況，取C=7.0 kPa，φ＝34°。

（2）棄土屬于以塊石、碎礫石為主，土為輔的廢石類型。

（3）廢石（采場）松散系數(shù)Ko=1.6。

（4）廢石自然安息角平均值取32°。

2.2 堆排設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)排土堆排設(shè)計(jì)思路和借鑒類似排土場堆排設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該排土場堆排設(shè)計(jì)參數(shù)選取如下。

（1）排土場設(shè)計(jì)堆存廢石（實(shí)方）量V=2 500 萬m3；庫容量V0=3 200萬m3。

（2）廢石場廢石堆置總高為150 m（標(biāo)高1 930 ～2 080 m）。

（3）堆置段高為20 m。

（4）堆排段數(shù)為6 段（標(biāo)高1 960～1 980 m、1 980～2 000 m、2 000～2020 m、2 020～2 040 m、2 040～2 060 m、2 060～2 080 m）。

（5）分段安全平臺(tái)寬度為20 m，平臺(tái)設(shè)反坡，坡度i=3%。

（6）設(shè)計(jì)邊坡坡面角按32°繪圖和計(jì)算廢石堆存量。

（7）整體邊坡角為22°。

2.3 攔渣壩設(shè)計(jì)方案

2.3.1 壩體幾何尺寸

壩長約210 m，壩高為39.30 m，壩頂寬度為5 m；壩體前（內(nèi)）坡坡比為1∶1.75，臺(tái)階高度為10.0 m；壩體后（外）坡坡比為1∶1.6，臺(tái)階高度為10.0 m；

2.3.2 壩體結(jié)構(gòu)

（1）壩體結(jié)構(gòu)為碾壓式堆石壩。

（2）壩體內(nèi)設(shè)DN1000 鋼筋砼涵管與場內(nèi)毛石濾水盲溝連通。

2.3.3 基底處理方案

攔渣壩擬定于尖山箐尾礦庫回采采空區(qū)，攔渣壩區(qū)域尾礦庫回采后地形標(biāo)高為1 956～1 930 m。為保證擴(kuò)容后排土場整體安全性，經(jīng)計(jì)算分析，擬對(duì)基底紅黏土層進(jìn)行清除并換填具有較高強(qiáng)度及硬度的塊石，使攔渣壩壩基進(jìn)入穩(wěn)定巖層。植被覆蓋區(qū)域先清除地表植被，再清除耕植土及不穩(wěn)定土層。耕植土堆排于現(xiàn)有排土場后緣，待排土場擴(kuò)容完畢后作復(fù)墾土使用。粉質(zhì)黏土層通過汽車運(yùn)輸至南端湯家箐排土場與現(xiàn)有尖山箐排土場間洼塘區(qū)域，運(yùn)輸距離約3.5 km。圖1 為排土場邊坡主溝剖面圖。

2.4 排土場穩(wěn)固技術(shù)措施

（1）對(duì)壩前基底紅黏土層進(jìn)行清除并換填具有較高強(qiáng)度及硬度的塊石，使攔渣壩壩基進(jìn)入穩(wěn)定巖層。因?yàn)樵摷t黏土層長期被泡在尾礦下部，含水量很大，力學(xué)性質(zhì)很差，易于形成軟弱滑移面。

（2）場地周邊設(shè)置有漿砌毛石截洪溝，為防止雨水對(duì)外坡沖刷，在安全平臺(tái)內(nèi)側(cè)設(shè)置排水溝，排土臺(tái)階邊坡的雨水匯集到排水溝后匯入場外截水溝，這樣就形成場外截洪、場內(nèi)排水，避免產(chǎn)生泥石流。排水溝斷面參數(shù)為0.6 m×1 m（寬×深）。

（3）場底設(shè)滲水盲溝，疏干場內(nèi)積水，避免形成場內(nèi)軟弱層和滑移面，盲溝斷面參數(shù)為2 m×2 m（寬×深）。

（4）清除場內(nèi)植被，避免形成場內(nèi)腐植質(zhì)夾層或軟弱層，影響廢石場的穩(wěn)定。

（5）為了保證安全卸載和充分利用排土場的容積，排土?xí)r考慮下沉系數(shù)，臺(tái)階頂面保持2%～3%的反向坡。

（6）排土場分段平臺(tái)、坡面和終了頂面按政策要求以≥85%的指標(biāo)進(jìn)行復(fù)墾和復(fù)耕，以恢復(fù)生態(tài)平衡，再現(xiàn)自然景觀，防止水土流失。

2.5 排土場排廢工藝

（1）采用礦山現(xiàn)有的沃爾沃鉸接式卡車運(yùn)排廢石，配CAT JS-12型推土機(jī)作眉線轉(zhuǎn)排和作業(yè)平面壓實(shí)等輔助作業(yè)。

（2）根據(jù)尖山磷礦露天采礦場位置，初期形成上下2個(gè)排廢平臺(tái)，后期按規(guī)劃形成堆置終了臺(tái)階。采用場地式排土方式即汽車在排土平臺(tái)上順序卸載，其調(diào)車場地寬度大于汽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑，最后汽車后退靠近邊坡翻卸排土。排棄一個(gè)分層后由推土機(jī)壓實(shí)和平整。如此循環(huán)，排土臺(tái)階逐漸加高。

3 邊坡穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)

尖山箐排土場工程主要利用兩岸坡之間的溝谷進(jìn)行堆存，溝谷地形整體較緩，總體地形有利于石渣堆存。排土場下游約1 km有320國道及昆孟線鐵路，加上尖山箐排土場庫容3 200 萬m3，堆存高度較高，最高達(dá)到155 m，根據(jù)《冶金礦山排土場設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB51119-2015）和《有色金屬礦山排土場設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50421-2007）中對(duì)排土場整體安全穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，該排土場安全等級(jí)為一級(jí)，邊坡安全系數(shù)判別標(biāo)準(zhǔn)為天然工況Fs≥1.25；地震工況Fs≥1.20；降雨工況Fs≥1.20［2-5］。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

采用數(shù)值分析法FLAC2d7.0 軟件和極限平衡法GEO-Slope 軟件針對(duì)該排土場擴(kuò)容后的最終邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算和相互驗(yàn)證［6-9］。

當(dāng)基底紅黏土層清除后，運(yùn)用上述兩2種方法進(jìn)行了天然、地震、降雨3 種不同工況下的排土場邊坡安全系數(shù)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見表2 和表3。根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，該排土場按照抗震設(shè)防烈度8度進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性抗震驗(yàn)算。

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圖2 為GEO-Slope 巖土軟件得出的最危險(xiǎn)圓弧滑動(dòng)面圖。圖3 為FLAC2d軟件可求得任意形狀的臨界滑移面云圖。

通過以上2 種計(jì)算方法得出的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)相互驗(yàn)證可知，尖山箐排土場擴(kuò)容后的最終邊坡潛在的不利滑動(dòng)面是先穿過堆積體而后沿著基底穿出（圖2、圖3），邊坡安全系數(shù)在天然工況下滿足Fs≧1.25 的要求；在降雨工況下安全系數(shù)Fs≧1.20 的要求；在8 度地震擾動(dòng)作用下邊坡安全系數(shù)Fs≧1.20；均達(dá)到排土場規(guī)范規(guī)定的安全等級(jí)一級(jí)的要求，排土場邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，堆排后的最終邊坡安全有保障，具備一定的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

5 結(jié)論與建議

（1）結(jié)合尖山箐排土場擴(kuò)容要求及現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行排土場堆排設(shè)計(jì)，為確保排土場總體穩(wěn)定性能在安全上滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求以及在施工上操作可行，建議排廢采取自下而上，由近而遠(yuǎn)，由里向外的堆放工藝；采取汽車在排土平臺(tái)上順序卸載，然后將靠近邊坡臨空處的堆積體按每30 cm 由推土機(jī)推平和壓實(shí)，如此循環(huán)，排土臺(tái)階逐漸加高；遠(yuǎn)離邊坡以外的堆積體無需碾壓，靠其自重慢慢固結(jié)壓實(shí)。

（2）通過邊坡穩(wěn)定性分析，潛在滑動(dòng)面先從最終邊坡頂面進(jìn)入，后經(jīng)基底面穿出，說明邊坡滑移的風(fēng)險(xiǎn)來源于廢石堆體與基底的接觸面。該排土場基底清基換填堅(jiān)硬塊石以及設(shè)置攔渣壩，為該邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生了強(qiáng)大的積極阻擋作用，進(jìn)而使得排土場邊坡整體安全有保障，也論證了該排土場堆存設(shè)計(jì)方案具有一定的可行性和可靠性。

（3）通過數(shù)值模擬法和極限平衡法計(jì)算得出，在天然、地震、降雨3種不同工況下，邊坡安全系數(shù)均滿足要求，達(dá)到排土場規(guī)范規(guī)定的一級(jí)安全等級(jí)，堆排后的最終邊坡安全有保障，具備一定的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

（4）目前該排土場順利實(shí)現(xiàn)了基建生產(chǎn)過程中的安全堆排和安全設(shè)施驗(yàn)收，現(xiàn)場事實(shí)證明了該排土場邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)排土場后期安全有序順利堆排具有很重要的指導(dǎo)意義。