【摘要】為解決排土場封場后巡查、復墾、事故搶修等工作，在排土場設計中應考慮其終了狀態(tài)的道路保通工作。文中從限定排土范圍的排土總量、整體安全穩(wěn)定性分析等方面進行研究、分析、比較排土場終了狀態(tài)各種道路保通方案的適用條件及對排土場的影響，提出平臺與保通道路結合的方式，為排土場設計和現(xiàn)場管理提供新思路。

【關鍵詞】排土場；保通道路；安全穩(wěn)定性分析

【中圖分類號】TU751" " " "【文獻標志碼】A" " " "【文章編號】1673-6028（2023）24-0152-05

0 引言

礦山產(chǎn)品如煤炭、金屬、非金屬及建材等社會需求量日益增大，礦產(chǎn)資源在為國民經(jīng)濟發(fā)展提供“血液”的同時，也占用了大量的土地用以堆存礦山剝離廢棄物。尤其是露天礦山，一般排土場占地面積是礦山總占地的40%～55%，據(jù)統(tǒng)計全世界露天礦山每年巖石剝離量約為400億噸以上，其中排棄至排土場的巖石量約為300億噸，占采剝總量的3/4左右，而我國冶金露天礦山每年排棄廢石量約20億噸，占地面積約5000hm2[1]。在滿足排土場安全穩(wěn)定排置的條件下，如何提高單位面積排土量，減少排土場占地面積，對礦山建設投資和環(huán)境保護都有十分重要的意義。

排土場主要設計堆置要素包括堆石壩位置、壩頂標高、臺階高度、邊坡角度、平臺寬度、堆置總高度，以及總體邊坡角、道路系統(tǒng)布置等。

堆石壩位置、壩頂標高、堆置總高度，這些要素較大程度地控制排土場相對位置和整體形態(tài)，在特定地形與地質條件、限定排置容積的情況下，可建立排土場模型，通過排置容積試算，以滿足堆置容積要求和堆石壩體積最小化的綜合評價策略，合理確定堆石壩位置、壩頂標高及堆置總高度，即可得到排土場限定空間范圍的最優(yōu)解。

臺階高度、邊坡角度、平臺寬度、總體邊坡角等要素在設計中主要由排土場單臺階及整體安全穩(wěn)定性分析確定。由臺階高度、邊坡角度、平臺寬度等參數(shù)聯(lián)合控制的總體邊坡角越陡，單位面積排土量越大，反之越小；同時反映的是在滿足排土場等級相對應的安全標準前提下，安全系數(shù)越小，單位面積排土量越大，反之越小。故通過控制安全標準值，以此確定總體邊坡角的大小，可得到以上要素的最優(yōu)解。

道路系統(tǒng)布置是為排土場有效運營所必須增設的設施，同時屬于占用排土空間設施，如何減少其對排土場空間占用，降低其對總容積的影響，提高單位面積排土量，是排土場設計各要素對節(jié)地目標的可研究方向。

1 排土場道路的作用及類型

對于汽車排土工藝的排土場，道路承擔著廢石運輸、聯(lián)絡、巡查監(jiān)測、復墾、事故搶修等作用；對于鐵路、膠帶+排土機排土等工藝的排土場，道路承擔除廢石運輸外的其他功能。本文主要論述汽車排土工藝排土場。

根據(jù)道路進入排土場的相對位置可分為頂部進入型、底部進入型、中部進入型。

頂部進入型為道路由排土場頂部進入，道路標高高于排土場頂部排土標高。一般設計思路為利用排土場內部空間進行道路展線至排土場底部，采用自下而上分層排土推進方式，逐步覆蓋下部道路，待完成最頂部排土平臺后，排土場僅存各排土段和平臺，排土場內部沒有道路存在。這種設計最大程度上利用排土空間，但各平臺之間缺乏聯(lián)絡道路，為后續(xù)巡查監(jiān)測、復墾、事故搶修等工作帶來了不便。

底部進入型為道路由排土場底部進入，道路標高低于排土場最低排土平臺標高，由于道路承擔廢石運輸任務，故道路在全排土周期內必須始終存在。一般可利用排土場外圍空間、側向空間及邊坡坡面等方案進行道路展線至頂部。排土場各平臺跟隨道路向上延伸而完成自下而上分層排土，待完成頂部平臺排土后，排土場的各排土段、平臺與道路同時存在。這種設計由于保留了貫穿排土場由下至上的道路系統(tǒng)，方便巡查監(jiān)測、復墾、事故搶修等工作。但對于山谷型排土場來說，在排土場外圍空間進行道路展線，道路工程量較大，投資費用高；采用排土場側向展線，會面臨展線長度不足，同時占據(jù)了部分排土空間，降低了單位面積排土量，不利于排土場節(jié)約用地；而邊坡坡面展線需在臺階坡面增加道路寬度，致使各平臺頂面線向排土場內側后退，占用部分排土空間，致使在限定排土范圍內，排土容積減少。

比較這三種道路展線方案，各方案實施都需要具備一定的條件。外圍空間展線需要在排土場外圍地形較為平坦，以此獲得足夠的道路線群布設空間。側向空間展線需排土場進深達到一定長度，才能獲得足夠的展線空間；邊坡坡面需排土場寬度達到一定要求；在占用排土場本體空間方面，外圍空間展線不占用排土場容積，但需占用排土場外部空間土地；側向空間展線將致使排土場一側形成“V”字形空間無法排土，占用排土場容積較多；邊坡坡面展線將使各排土平臺頂線內收，占用部分排土場空間。綜合可實施限制條件和對排土場容積影響等因素，設計一般采用邊坡坡面展線方案。

中部進入型為道路由排土場中部進入，下部可采用頂部進入型設計，上部采用底部進入型設計。

對于頂部進入型排土場來說，當下部平臺完成排置后，為解決后續(xù)巡查監(jiān)測、復墾、事故搶修等功能設置的保通道路，已不再承擔運輸功能，該道路的設置可與原運輸?shù)缆凡扇〔煌脑O置方案，在已排平臺頂部進行道路連接即可確保整個道路系統(tǒng)的貫通性。本文主要探討該類排土場在減少工程費用投入，同時降低對排土場排置容積和整體穩(wěn)定性影響的前提下，保通道路系統(tǒng)的布置方案問題。

2 與平臺結合的保通道路系統(tǒng)布置形式

2.1 設計思路

為同時考慮道路功能和減少對排土場容積的影響，提高限定占地面積下的排土總量，本文提出將保通道路與排土場平臺相結合，將平臺設置為連接上下兩個平臺的斜坡道，以此作為道路運行空間。但這也將引發(fā)在排土場端部相鄰道路間高差將達到設計臺階高度的兩倍，故此方案實施過程中，每條道路的爬坡高差應設置為單臺階高度的一半，同時道路寬度應設置為平臺寬度的一半，坡度以道路路線等級確定的最大縱坡考慮。

2.2 適用條件

由于需滿足礦山道路坡度、汽車轉彎半徑、緩和坡段長度等要求，該方案對于排土場橫向寬度也提出一定的長度要求。排土場最小橫向寬度應滿足以下要求 ：

L= 0.5H/i+2R+L緩-B

式中 L 排土場最小寬度

H 設計臺階高度

i 道路最大坡度

R 汽車轉彎半徑

L緩緩和坡段長度

B 平臺寬度

以排土設計臺階高度20m，平臺寬度20m，汽車最小轉彎半徑15m，礦山道路三級標準為例，道路最大縱坡8%，緩和坡段長度60m，計算適用于平臺作為道路通道的排土場最小寬度為195m。相比邊坡方案的適用條件，排土場最小寬度按公式計算需320m，本方案適用條件更加寬泛。

一般排土場形態(tài)為下部窄，上部寬，當某平臺寬度大于此最小寬度時，該平臺以上部分可采用本方式；平臺寬度小于此最小寬度時，可采取降低分段臺階高度方式進行展線。

3 案例分析

3.1 工程概況

四川省攀枝花市米易縣某礦山企業(yè)排土場位于白馬鎮(zhèn)威龍村，場區(qū)地貌屬于中山區(qū)，為構造剝蝕、山麓斜坡堆積與山區(qū)河流侵蝕堆積的復合地貌，主要由山地、山麓斜坡、河谷沖溝三個地貌單元組成。河谷沖溝整體走向由西向東，北、西、南三面為山坡，東側為溝谷開口方向，北側頂部標高1740m，南側頂部1687m，西側頂部標高1690m，山坡坡度10°～ 45°，溝谷中心縱坡坡度約7°。西側溝谷上部已排置部分土體，頂部排置標高1580m，底部1510m，堆置高度70m，采用多臺階排土，已形成1520m、1530m、1540m、1550m、1560m、1570m、1580m排土平臺。廢石運輸?shù)缆纷耘磐翀鲰敳?580m至底部1520m平臺已貫通。

場地地層主要為第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml），第四系全新統(tǒng)坡洪積層（Q4dl＋pl），第四系全新統(tǒng)坡殘積層（Q4dl＋el），第四系第一間冰期冰水沉積的昔格達組（Q1fgl），華力西期正長巖（ξ）、華力西期輝長巖（v）。場址位于川滇南北向構造帶德昌―會東基本穩(wěn)定區(qū)，根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010），場地抗震設防烈度為7度，第三組，設計基本地震加速度為0.10g。

礦山穩(wěn)產(chǎn)年年廢石剝離量為300萬t，總服務年為20年，服務期內共計剝離廢石5600萬t，廢石比重3.0t/m3，松散系數(shù)1.5，沉降量0.15，富裕系數(shù)1.05，計算排土場總需求容積為2557萬m3。

3.2 設計概況

本次設計為原有排土場基礎上進行擴容設計，現(xiàn)有排土坡腳以東約500m處設置坡腳堆石壩，壩頂標高1460m，壩腳標高1435m，排土場頂部標高1580m，采用多臺階排土，排土臺階高度為20m，分別為1480m、1500m、1520m、1540m、1560m、1580m，平臺設計寬度20m。排土作業(yè)采用全汽車運輸，運輸?shù)缆防门磐翀霈F(xiàn)有道路由排土場頂部1580m進入，屬于頂部進入型排土場，運輸?shù)缆方K點段延伸至第一排土標高1480m。堆置總高度145m，當不設置保通道路時排土總容積2664萬m3，占地面積71.33hm2。

3.3 道路布置方案

3.3.1方案選擇

本項目保通道路布置形式按側向空間、外圍空間、邊坡坡面、平臺道路方案進行分析。

側向空間：保通道路沿排土場南側展線長度為1200m，道路坡降120m，平均縱坡達10%；沿北側展線長度為1280m，平均縱坡達9.4%。南北兩側排土場進深長度均不滿足礦山道路平均縱坡控制的展線長度要求。

外圍空間：南北兩側山體坡度10°～ 45°，大部分地段坡度為30°～ 40°，較為陡峭，外圍空間道路線群展線難度大，擋護工程量投入多，工程建設難度及投資大，且需額外占用大量排土場外圍空間用地。

邊坡坡面：由排土場頂部沿各排土邊坡呈“之”字形布線，道路路基寬度10m，各條道路爬升20m連接上下兩個平臺，共計設置6條道路，自1460～1480m邊坡起各排土邊坡依次向西后退10m，頂部1580m排土線共計后退60m。

平臺道路：取消各排土段平臺寬度，排土邊坡呈“之”字形排置，道路路基寬度10m，各條道路爬升10m連接上下兩個平臺，共計設置12條道路，頂部排土線位置與原設計基本保持一致。

由于本排土場不具備側向及外圍空間設置保通道路條件，故僅對邊坡坡面及平臺道路兩個方案進行后續(xù)比較和分析。

3.3.2容積對比

對不設保通道路方案、邊坡坡面道路方案、平臺道路方案分別建立三維模型，采用“三角網(wǎng)模式棱柱體積法”計算各模型與原始地形模型之間的體積，求得各方案排土容積。

由表1可看出平臺道路方案相對不設置保通道路方案，容積利用率達到96.77%，容積損失率僅為3.23%，在限定的用地面積內相比邊坡坡面道路方案容積利用率高7.0%。同時邊坡坡面道路方案由于容積利用率僅為90.43%，實際排土量已不滿足排土需求容積，需對排土場向上增加堆置高度或對堆石壩向下游進行移設，增加堆置容積。

3.3.3穩(wěn)定性分析對比

（1）排土物料及地層參數(shù)。本次穩(wěn)定性極限平衡分析工作中，選取與排土場邊坡垂直的溝心位置工程地質剖面作為穩(wěn)定計算剖面，下表2。

（2）破壞模式分析。本排土場地基巖層相對穩(wěn)定，在排棄物料逐漸堆置加載過程中誘使其壓密變形增大，內部的孔隙壓力增高，應力集中，降低了潛在滑動面的摩阻力。處于極限平衡后，排土場后部一定范圍內，由于自重先期壓實沉陷而形成的主動楔形區(qū)，在其他外力及降雨等因素的誘發(fā)下，下部邊坡被動楔難以支撐，導致排棄物料內部滑坡，此類滑坡一般為圓弧形滑面，滑面穿過邊坡內部而出露于坡面。根據(jù)本排土場地層性質與排土物料性質分析，其破壞模式主要為排土本體（內部）近程滑坡。整體穩(wěn)定性分析應采用圓弧滑面分析。

（3）許用安全系數(shù)的確定。本排土場堆置容積約2600萬m3左右，堆置高度145m，等級為二級。安全穩(wěn)定系數(shù)在自然工況下不小于1.20，飽和工況下不小于1.15，地震工況不小于1.15。

（4）分析方法。本次穩(wěn)定性分析采用Morgenstern-Price（M-P）極限平衡分析方法，選取圓弧滑動法，通過軟件自動搜索最危險滑動面對排土場模型進行穩(wěn)定性分析。

（5）穩(wěn)定性分析結果。由于邊坡坡面道路方案使頂部排土線前段后移60m，終了總坡面角為16.304°，較其他兩個方案的總坡面角18.913°較小，從定性分析其整體穩(wěn)定性應有所提高；平臺道路方案與不設保通道路方案相比，雖然總坡面角不變，但其臺階高度較小，對排土場整體穩(wěn)定性的提高也會產(chǎn)生一定的積極作用。穩(wěn)定性分析結果也從定量角度得到驗證。同時三種模式均能滿足相關規(guī)范對安全穩(wěn)定性標準的要求。

（6）綜合分析。由于后期排土場巡查、復墾、事故搶修等工作的需要，排土場各平臺排土靠幫后，應設置由頂部至底部貫通的保通道路。外圍空間及排土場側向預留保通道路對地形條件提出較高的要求，在一般設計中無實施的條件；邊坡坡面道路方案在排土場整體穩(wěn)定性方面有所提高，但對排土場總容積影響較大，單位面積排土量降低，不利于節(jié)地；平臺道路方案對排土場容積影響較小，同時不影響其整體穩(wěn)定性，在各方案比較中具備一定的優(yōu)勢。

3.4 實施

在排土作業(yè)過程中，按照原設計20m段高進行作業(yè)排土，在各排土頂線控制線后端10m停止排土，在已排坡面利用挖掘機、推土機等筑路機具，從上至下修筑本平臺“之”形道路。為防止上坡面滾石對行車安全造成威脅，道路內側距離坡面1m處設置連續(xù)型梯形土堆，土堆高度1.0m，土堆與上坡面之間形成土質邊溝用于平臺排水。當排土場充分沉降后，對內側土質邊溝進行抹面，修筑梯形混凝土排水溝，用于各平臺永久排水。道路外側設間斷梯形土堆護欄，保護行車安全，防止車輛跌落至下平臺。

5 結語

（1）為方便巡查、復墾、事故搶修等工作，排土場在各臺階排土到幫后，修筑保通道路十分必要。

（2）利用排土場平臺與保通道路結合的方式，形成“之”字形低臺階坡面道路系統(tǒng)，該形式在排土場限定排土范圍內，道路占用排土空間少，排土場總堆置容積、整體安全穩(wěn)定性相較不設置保通道路的排土場形態(tài)無明顯變化。

（3）平臺與保通道路的結合形式，各平臺呈斜坡態(tài)有助于排土場內部排水，避免了一般排土場平臺呈水平設置，長期排土后呈現(xiàn)兩側沉降小、中部沉降大的碟形形態(tài)，排土場各平臺表面水體無法排除的情況。

（4）本文分析、總結的平臺與保通道路結合的方式，可對排土場設計及現(xiàn)場管理提供一定的借鑒作用。

參考文獻

[1] 王運敏，項宏海.排土場穩(wěn)定性及災害治理.[M]北京：

冶金工業(yè)出版社，2011.

[作者簡介]王永恒（1982 —），男，陜西安康人，本科，高級工程師，研究方向：礦山總圖設計。

夏祥生（1985 —），男，云南鎮(zhèn)雄人，本科，采礦工程師，研究方向：礦山地質建模與采礦。

王敬旗（1998 —），男，陜西渭南人，本科，助理工程師，研究方向：礦山總圖設計。