李芳瑋，王 東

（1.應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，阜新 123000）

2019 年，我國露天煤炭產(chǎn)量為600 Mt，露天采煤量占國內(nèi)煤炭產(chǎn)量比重為16%[1]，預(yù)計(jì)在“十三·五”末期將達(dá)到20%，而在已探明的露天煤礦可采儲(chǔ)量中軟巖露天礦占比將近1/3。同時(shí)，我國現(xiàn)有近20 座10 Mt/a 以上的軟巖露天煤礦，均發(fā)生過一定規(guī)模的滑坡或邊坡大變形現(xiàn)象[2]，邊坡穩(wěn)定性控制是制約軟巖露天煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問題之一。

露天煤礦排土場(chǎng)主要包括承納廢石的基底和基底以上排棄物2 部分，排土場(chǎng)基底承載力直接影響排土場(chǎng)的穩(wěn)定程度，尤其對(duì)于基底承載力不足的情況，在剝離土石方的壓力作用下可能會(huì)產(chǎn)生沿基底傾斜滑移現(xiàn)象，進(jìn)一步引起排土場(chǎng)滑塌，形成牽引式滑坡。因此，分析排土場(chǎng)穩(wěn)定性時(shí)應(yīng)考慮基底承載力，在分別計(jì)算基底的極限承載力和容許承載力的基礎(chǔ)上，確定排土場(chǎng)的容許排高，可為排土場(chǎng)設(shè)計(jì)與工程實(shí)施提供依據(jù)，為解決排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性及控制技術(shù)難題提供強(qiáng)有力的科技支撐，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

1 邊坡工程地質(zhì)條件

勝利東二號(hào)露天煤礦南排土場(chǎng)水文地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，地表起伏變化不大，基底為近水平基底，地表標(biāo)高呈現(xiàn)由西北向東南逐漸增大的趨勢(shì)?；诪樗缮⒌牡谒南祹r層，全區(qū)分布。巖性主要由淺黃-灰黃色砂礫及粗、中、細(xì)粉砂和亞黏土、亞砂土、覆蓋土組成。全層厚1.00～128.92 m，平均厚37.01 m。其厚度變化由西南向東、東北逐漸變薄。因此，勝利東二號(hào)露天煤礦南排土場(chǎng)南幫為典型的厚層黃土基底排土場(chǎng)。

露天礦剝離物料主要是第四系黃土、第三系上新統(tǒng)棕黃色、桔黃色的黏土（巖）類，其次是灰黃、杏黃泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖、砂礫巖。在采場(chǎng)被剝離前，根據(jù)水文地質(zhì)資料上覆巖土結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度較低，經(jīng)過采動(dòng)之后，剝離物料形成的排土場(chǎng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度將進(jìn)一步降低，孔隙度加大。查閱有關(guān)資料，邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)與獲取方法見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)選取值與獲取方法Table 1 Selection values and acquisition method of physical and mechanical indexes of rock and soil

2 排土場(chǎng)基底承載力

針對(duì)該礦南排土場(chǎng)實(shí)際條件，分析基底的變形破壞模式，研究排土場(chǎng)基底承載力的計(jì)算方法，確定各種排土場(chǎng)的容許排高。

2.1 基底的破壞過程和破壞模式

排土場(chǎng)基底主要是在排棄物載荷作用下發(fā)生變形和破壞的，參考建筑地基破壞過程中的荷載沉降p-s 曲線對(duì)基底破壞過程進(jìn)行分析[3]，一般情況下其破壞要經(jīng)歷3 個(gè)階段：①彈性變形階段即壓密階段；②彈塑性混合變形階段即剪切階段；③完全塑性變形階段即破壞階段。

建筑地基失穩(wěn)破壞是由于地基土體的剪應(yīng)力達(dá)到了抗剪強(qiáng)度，形成了連續(xù)的滑移面而使地基失去穩(wěn)定。在實(shí)際工程施工中，現(xiàn)場(chǎng)工況條件多種多樣，工程施工造成的地基破壞形式也很多，參照地基破壞3 個(gè)階段也可歸納為3 種形式[4]：整體剪切破壞、局部剪切破壞、沖切破壞。

由于排棄物料剛度和基底剛度不會(huì)相差太大，因此在排土場(chǎng)載荷作用下，基底巖土體發(fā)生破壞只有整體剪切破壞和局部剪切破壞這2 種模式。

2.2 排土場(chǎng)基底承載力

在土力學(xué)的經(jīng)典的理論中，常用的建筑地基極限承載力的計(jì)算公式主要有普朗特爾、太沙基、漢森的極限承載公式3 種[5]。3 種方法都是采用假定滑動(dòng)面的方法并根據(jù)滑動(dòng)土體的靜力平衡條件得到地基極限承載力，廣泛應(yīng)用于建筑地基承載力計(jì)算，但對(duì)于排土場(chǎng)而言，各種方法均不能考慮三角載荷對(duì)基底承載力的影響。針對(duì)排土場(chǎng)基底載荷分布特點(diǎn)，由于原普朗特爾公式中ID 面上所受到的被動(dòng)土壓力只考慮了地基面以上的超載土體重力對(duì)其施加的被動(dòng)土壓力，并未考慮ID 面右側(cè)土體對(duì)該面產(chǎn)生的被動(dòng)土壓力，而ID 面受到右側(cè)土體施加的被動(dòng)土壓力會(huì)產(chǎn)生抗滑力矩；對(duì)普朗特爾地基承載力公式進(jìn)行改進(jìn)，依據(jù)朗肯被動(dòng)土壓力理論，得出：

式中，△Mh為滑動(dòng)力矩，N·m；△Mkh為抗滑力矩，N·m；ρ0為排棄物密度，t/m3；b 為基礎(chǔ)寬度，一般為6 m；H90為不考慮排土場(chǎng)側(cè)面三角載荷時(shí)計(jì)算得出的排土場(chǎng)極限排高，m；△H 為排土場(chǎng)高度達(dá)到H90后的高度增量，m；β 為排土場(chǎng)邊坡角，（°）。

2.3 基于基底極限承載力的排土場(chǎng)容許堆高

基底承載力主要受巖土體自身性質(zhì)、基礎(chǔ)形狀、埋置深度及載荷條件的影響。采用改進(jìn)的普朗特爾公式計(jì)算排土場(chǎng)基底極限承載力和容許排棄高度，并考慮排土場(chǎng)基底上方的三角坡體重力荷載的作用和ID 面上右側(cè)土體施加的被動(dòng)土壓力，求解排土場(chǎng)基底的承載力及極限堆高，進(jìn)而確定容許堆高。

針對(duì)勝利東二露天礦排土場(chǎng)的實(shí)際情況，使用改進(jìn)的普朗特爾公式計(jì)算基底為第四系粉細(xì)砂條件下的極限載荷、垂直邊坡極限高度以及排土場(chǎng)極限排高。將c=10 kPa，z=0，φ=28°，ρ1=2.05 t/m3，ρ0=1.90 t/m3分別代入式（2）中，得基底極限承載力pu=169.59 kPa，垂直邊坡極限高度H90=8.93 m。

考慮基底為粉砂時(shí)不同邊坡角度對(duì)應(yīng)的排土場(chǎng)極限排高如圖1。由圖1 可以看出，當(dāng)邊坡角為80°時(shí)，△H 為0.48 m，即極限排高為9.41 m；當(dāng)邊坡角為72.4°時(shí)，△H 為4.5 m，即極限排高約為13.43 m；當(dāng)邊坡角小于72.4°時(shí)，2 條曲線無交點(diǎn)無解，即排土場(chǎng)可無限排高。

圖1 考慮基底為粉砂時(shí)不同邊坡角度對(duì)應(yīng)的排土場(chǎng)極限排高Fig.1 Limit height of dumping site corresponding to different slope angles when the base is silty sand

3 基底處理方式對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)穩(wěn)定性影響

3.1 邊坡穩(wěn)定性分析方法與安全儲(chǔ)備系數(shù)選取

嚴(yán)格來說，滑坡的啟動(dòng)與發(fā)生是一個(gè)空間力學(xué)問題，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)該采用三維分析方法，但三維分析方法建模過程復(fù)雜，受諸多變量影響，求解速度極為緩慢，因而在一定條件下可將相關(guān)問題簡(jiǎn)化，采用二維分析方法能快速有效的解決邊坡穩(wěn)定性問題[6-8]：①滑體兩側(cè)有天然側(cè)界面，則通?？梢圆豢紤]對(duì)滑體的約束；②邊坡由松散體構(gòu)成，則不考慮滑體兩側(cè)巖體的約束；③滑體走向長(zhǎng)度較大時(shí)，可以不考慮滑體兩側(cè)巖土體對(duì)滑體的夾持作用。

按照GB 50197－2015《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，排土場(chǎng)的安全系數(shù)綜合考慮排土場(chǎng)的重要性、排土場(chǎng)邊坡的類型、工程地質(zhì)條件、排土場(chǎng)的服務(wù)年限以及潛在滑坡的危害程度等[9]，勝利東二號(hào)露天煤礦南排土場(chǎng)邊坡的安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.20。

3.2 基底土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析

剪切強(qiáng)度的分析要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況來進(jìn)行，初步選定垂直于南幫邊坡走向的P-3、P-9、P-10、P-11 4 個(gè)剖面來計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)。計(jì)算剖面的平面位置如圖2。

圖2 計(jì)算剖面的平面位置Fig.2 Plane position of the calculated profile

東二露天礦南排土場(chǎng)南幫基底為第四系黃土及細(xì)砂，尚未對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的巖石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)，參考有關(guān)文獻(xiàn)資料，基底的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定需要結(jié)合滑坡變形進(jìn)行反分析后綜合研判[10]。從歷史資料可以看出，在幾個(gè)剖面中，最先出現(xiàn)裂縫的是P-11剖面1105 平盤，隨后坡腳也發(fā)生底鼓，因此選擇將此剖面作為研究對(duì)象，進(jìn)行滑坡反分析?？辜魪?qiáng)度參數(shù)包含c 和φ 2 個(gè)指標(biāo)，運(yùn)用1 組剖面進(jìn)行計(jì)算無法直接求解，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)第四系黃土的內(nèi)摩擦角φ=10°左右，因此可重點(diǎn)研究當(dāng)內(nèi)摩擦角分別為9°、10°、11°時(shí)邊坡的穩(wěn)定性，計(jì)算其對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)，不同基底抗剪強(qiáng)度條件下P-11 剖面穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2 的P-11 剖面邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，基底巖土體內(nèi)摩擦角φ=9°、黏聚力在19～20 kPa之間時(shí)，P-11 剖面邊坡穩(wěn)定系數(shù)介于0.98～0.99；基底巖土體內(nèi)摩擦角φ=10°、黏聚力在12～13 kPa 之間時(shí)，P-11 剖面邊坡穩(wěn)定系數(shù)介于0.98～0.99；基底巖土體內(nèi)摩擦角φ=11°、黏聚力在6～7 kPa 之間時(shí)，P-11 剖面邊坡穩(wěn)定系數(shù)介于0.98～0.99。按照P-11剖面的計(jì)算方法，參考該剖面的計(jì)算結(jié)果，對(duì)其余3個(gè)剖面邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，來明確基底巖土體的黏聚力指標(biāo)。各計(jì)算剖面邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 不同基底抗剪強(qiáng)度條件下P-11 剖面穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of P-11 section stability factor under different substrate shear strength

表3 各計(jì)算剖面邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of slope stability of each calculated section

水文地質(zhì)資料顯示，第三系、第四系巖土體結(jié)構(gòu)較松散，總體上呈現(xiàn)半膠結(jié)狀態(tài)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，黏聚力不應(yīng)為0 kPa，而且不宜過大；從另一個(gè)角度來看，邊坡發(fā)生大變形的區(qū)域是由P-11 剖面逐漸向東發(fā)展的，其他3 個(gè)剖面邊坡穩(wěn)定性也應(yīng)該逐漸增大且接近于1。根據(jù)分析結(jié)果，可以確定基底的抗剪強(qiáng)度參數(shù)為黏聚力c=7 kPa，內(nèi)摩擦角φ=11°。

3.3 排土場(chǎng)穩(wěn)定性

勝利東二露天煤礦典型工程地質(zhì)剖面邊坡在不同排棄標(biāo)高、不同坡角度條件下進(jìn)行穩(wěn)定性分析，可以獲取基底形態(tài)、坡高、坡角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的定量影響，為后續(xù)邊坡形態(tài)優(yōu)化方案的提出提供參考。選擇2 個(gè)排棄高度（80、120 m）、4 個(gè)排棄坡角（12°、13°、14°、15°）和3 個(gè)基底傾角（-1°、0°、1°），分別計(jì)算變化坡高、坡角及基底傾角條件下邊坡穩(wěn)定性，坡高80 m、改變基底形態(tài)（平盤寬度B）與邊坡角度β 條件下南排北幫邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表4，坡高120 m、改變基底形態(tài)與邊坡角度條件下南排北幫邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 坡高80 m，改變基底形態(tài)與邊坡角度條件下南排北幫邊坡穩(wěn)定性Fs 計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of slope stability under the condition of 80 m slope height,changing base shapes and slope angles

表5 坡高120 m，改變基底形態(tài)與邊坡角度條件下南排北幫邊坡穩(wěn)定性Fs 計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation results of slope stability under the condition of 120 m slope height,changing base shapes and slope angles

分析不同基底傾角和排棄高度，通過對(duì)變化邊坡角條件下各剖面邊坡穩(wěn)定性極限平衡進(jìn)行計(jì)算，可以看出，各剖面邊坡的穩(wěn)定性隨著邊坡角的增大逐漸下降；當(dāng)邊坡高度分別80 m 和120 m 時(shí)，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定邊坡角分別為15°（平盤寬53 m）和14°（平盤寬60 m）。

4 結(jié) 語

軟巖露天煤礦邊坡穩(wěn)定性及其控制是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，該工程領(lǐng)域邊坡治理和監(jiān)測(cè)預(yù)警理論尚未成熟。依托勝利東二號(hào)露天煤礦，圍繞軟基底排土場(chǎng)的穩(wěn)定性及其形態(tài)優(yōu)化進(jìn)行了研究，取得了一定成果。

1）針對(duì)基底載荷分布和軟土層厚度對(duì)基底破壞面的影響，改進(jìn)了普朗特爾計(jì)算公式，計(jì)算了外排土場(chǎng)基底極限承載力，確定了不同軟土層厚度對(duì)應(yīng)的安全下限邊坡角和容許排棄高度。

2）運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)類比與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合，查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料，確定了邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)與獲取方法；運(yùn)用滑坡基底土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析原理，選定4 個(gè)剖面進(jìn)行計(jì)算，確定了抗剪強(qiáng)度參數(shù)：黏聚力c=7 kPa、內(nèi)摩擦角φ=11°。

3）當(dāng)南排土場(chǎng)北幫邊坡高度分別80 m 和120 m時(shí)，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定邊坡角分別為15°（平盤寬53 m）和14°（平盤寬60 m）。