崔世新 史建松

(1.天津華北地質(zhì)勘查總院，天津 300170；2.華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050000；3.河北省礦山地下水安全技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050043)

0 引言

排土場作為礦山開采的主要工業(yè)場地之一，是礦山剝離廢棄渣土的集中排放受納場，也是最大的固體廢棄物堆置場所［1］。在過去一段時(shí)間內(nèi)，由于礦山企業(yè)在露天開采境界外就近排土，形成了數(shù)量較多的單臺階、高臺階排土場，單臺階高度由原來的50～60 m增加到200～300 m，從而帶來了超高臺階邊坡的安全穩(wěn)定性問題［2］。

我國露天礦排土場曾發(fā)生過多起滑坡事故，造成沖垮沖毀運(yùn)輸?shù)缆贰⒎课?、農(nóng)田、建筑物和人員被埋等重大、特大事故和嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失［3-5］。例如，2008年山西婁煩尖山鐵礦寺溝排土場垮塌事故，約109萬m3滑體垮塌，造成45人死亡、93間房屋被埋、直接經(jīng)濟(jì)損失3 080萬元，滑塌破壞的主要原因是排土場地基為承載能力低的深厚濕陷性黃土地層、先行破壞的底部臺階坡渣土強(qiáng)度低、礦方違規(guī)超排等［6］。2015年12月20日深圳紅坳渣土收納場發(fā)生滑坡事故，270萬m3渣土滑動距離達(dá)1.1 km，造成73人死亡、17人受傷、33棟建筑物損毀、影響90家企業(yè)的4 630名員工、直接經(jīng)濟(jì)損失8.81億元，事故直接原因是紅坳渣土收納場沒有建設(shè)有效的導(dǎo)排水系統(tǒng)，場內(nèi)積水未能導(dǎo)出排泄致使堆填的渣土含水過飽和，形成底部軟弱滑動帶、嚴(yán)重超量超高堆填加載導(dǎo)致渣土失穩(wěn)、事發(fā)前險(xiǎn)情處置錯誤等，造成了特大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的災(zāi)難后果［7］。

本研究在充分調(diào)查某露天礦山大型排土場現(xiàn)狀條件的基礎(chǔ)上，選取了3條計(jì)算剖面，根據(jù)極限平衡理論中的Bishop法分別計(jì)算了3條剖面在自然工況、降雨工況、地震工況條件下的安全系數(shù)，并對該排土場邊坡穩(wěn)定性做出了綜合評價(jià)。該評價(jià)結(jié)果可以為該大型排土場的日后維護(hù)和治理提供有價(jià)值的參考和借鑒。

1 工程概況

某露天礦山排土場位于弓長嶺鐵礦二礦區(qū)中央采區(qū)東側(cè)，全長4 850 m，平均寬度825 m，占地面積約0.7 km2。該排土場基底為“圈椅形”的溝谷，溝谷軸線朝向西北310°左右，北端、東端和南端三面均為自然山坡，坡頂線即為溝谷周邊連接幾座山頭的山脊分水線，呈封閉狀，外圍匯水不能進(jìn)入排土場區(qū)域；溝谷西端為自然山體，由北向南高度降低，封堵在溝谷出口部位，僅在溝口西南端有一處狹窄開口，地基形態(tài)有利于設(shè)為排土場場址。

目前，該排土場已形成了390～400 m平臺、450 m平臺、480 m平臺及490～500 m平臺多處，臺階坡面角30°～33°，局部臺階坡面角可達(dá)到38°。該排土場在390 m平臺路面發(fā)現(xiàn)有數(shù)條細(xì)微裂縫，裂縫長度2～5 m，寬度2～4 mm，裂縫兩側(cè)沒有沉降差。此類裂縫是一種常見的變形種類，通常情況下對排土場的正常使用影響較小，可采取鋪設(shè)碎石物料進(jìn)行處理，并建立必要的監(jiān)測系統(tǒng)。該排土場排土臺階390 m平臺以下的臺階坡面曾形成過坡面沖溝，但是沖溝的規(guī)模和數(shù)量偏小，沖刷到坡腳的渣土堆料也很少，沒有造成不良后果。隨著后期臺階的持續(xù)排巖，原有坡面沖溝已被掩埋，現(xiàn)有坡面較為整齊，該排土場的整體形態(tài)特征如圖1所示。

圖1 排土場整體形態(tài)特征

該排土場主要承擔(dān)露天采場剝離的廢巖，排棄渣土以混合花崗巖、斜長角閃巖為主，還有部分礦體頂板及礦層間的片巖，巖塊堅(jiān)硬，粒徑較大，多呈棱角狀，不易滾動，吸水性差，不易形成泥石流的物料來源。礦區(qū)降雨量較為豐富，但排土場位于斜坡溝谷，排土場邊界為山脊分水線，沒有外圍匯水，排土區(qū)匯水面積不大，大氣降水經(jīng)填筑渣土下滲后多沿原始山坡面滲流排出。排土場地形條件不滿足泥石流形成三要素中的“泥石流區(qū)上中游有較大的匯水面積和充足的水源”，因此在排土場建成完善的截排水系統(tǒng)、避免地表水大量滲入坡體的條件下，排土場發(fā)生泥石流的可能性非常小。根據(jù)該排土場現(xiàn)狀和場地地基形態(tài)和地質(zhì)條件特征，現(xiàn)有排土場除在局部平臺有數(shù)條長度2～5 m，寬度2～4 mm的輕微裂縫外，未發(fā)現(xiàn)有下沉開裂嚴(yán)重的張裂縫存在。

2 排土場穩(wěn)定性分析

2.1 計(jì)算方法

排土場邊坡的變形、破壞失穩(wěn)是一種復(fù)雜的非線性動力地質(zhì)過程，穩(wěn)定性分析和評價(jià)也是排土場邊坡工程研究的重點(diǎn)。由于構(gòu)成排土場邊坡的巖土體物質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，邊坡破壞通常具有不同的破壞模式，不同的破壞模式有不同形態(tài)的滑動面，通常采用不同的分析方法及計(jì)算公式來分析坡體穩(wěn)定狀態(tài)。本研究采用極限平衡法計(jì)算排土場邊坡安全系數(shù)和穩(wěn)定狀況。根據(jù)排土場潛在失穩(wěn)的三種模式選擇計(jì)算方法，經(jīng)綜合考慮，本研究采用Bishop計(jì)算法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析與評價(jià)。

2.2 計(jì)算剖面與參數(shù)

選取該排土場現(xiàn)狀邊坡3條典型剖面，剖面線垂直于現(xiàn)狀邊坡設(shè)置。根據(jù)該排土場巖土試樣的室內(nèi)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果和相關(guān)規(guī)范對巖石強(qiáng)度取系數(shù)0.9，結(jié)合本地周邊相似工程經(jīng)驗(yàn)，確定本次計(jì)算選取的參數(shù)，如表1所示。

表1 排土場穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

2.3 剖面穩(wěn)定性計(jì)算

圖2、圖3和圖4別展示了3條計(jì)算剖面在自然工況、降雨工況和地震工況條件下的計(jì)算結(jié)果。由計(jì)算結(jié)果可知，剖面1-1’現(xiàn)狀邊坡在自然工況條件下三種計(jì)算方法的最小安全系數(shù)均大于1.30，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；在降雨工況和地震工況條件下三種計(jì)算方法得到的最小安全系數(shù)均大于1.25，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。綜上，剖面1-1’現(xiàn)狀邊坡在三種工況條件下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 基于Bishop法的2-2’剖面計(jì)算結(jié)果

圖4 基于Bishop法的3-3’剖面計(jì)算結(jié)果

剖面2-2’現(xiàn)狀邊坡在自然工況條件下三種計(jì)算方法的最小安全系數(shù)均大于1.30，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；在降雨工況和地震工況條件下三種計(jì)算方法得到的最小安全系數(shù)均大于等于1.25，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。綜上，剖面2-2’現(xiàn)狀邊坡在三種工況條件下均處于穩(wěn)定狀態(tài)，但最小安全系數(shù)接近或等于安全限值，一旦臺階坡加高加陡，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)即轉(zhuǎn)為基本穩(wěn)定狀態(tài)。

剖面3-3’現(xiàn)狀邊坡在自然工況條件下三種計(jì)算方法的最小安全系數(shù)均大于1.30，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；在降雨工況和地震工況條件下三種計(jì)算方法得到的最小安全系數(shù)均大于1.25，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。綜上，剖面3-3’現(xiàn)狀邊坡在三種工況條件下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

由計(jì)算結(jié)果可知，剖面1-1’、2-2’、3-3’現(xiàn)狀邊坡在自然工況條件下三種計(jì)算方法的最小安全系數(shù)均大于1.30，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；在降雨工況和地震工況條件下三種計(jì)算方法得到的最小安全系數(shù)均大于等于1.25，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。綜上所述，現(xiàn)狀條件下邊坡在三種工況條件下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論與建議

為了更全面準(zhǔn)確地了解礦山大型排土場邊坡穩(wěn)定性情況，在充分調(diào)查該大型排土場現(xiàn)狀條件的基礎(chǔ)上，布設(shè)了3條計(jì)算剖面，采用極限平衡計(jì)算，結(jié)果表明現(xiàn)狀邊坡在自然、降雨、地震三種工況條件下最小安全系數(shù)均大于規(guī)范要求限值，整體邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是，后期應(yīng)該加強(qiáng)維護(hù)并持續(xù)完善排土場坡頂、各級平臺和坡腳的排水設(shè)施，防止地面積水和雨水的大量入滲，對現(xiàn)已達(dá)到設(shè)計(jì)邊界的排土臺階覆土綠化，防止揚(yáng)塵污染和雨水沖刷下滲。