陕西省金堆城露天矿排土场高边坡稳定性评价

黄 鑫，张晓辉，薛 雷，牛晶蕊，王媛媛

(1.中国科学院地质与地球物理研究所 工程地质力学重点实验室，北京 100029;2.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092;3.中国地质大学工程技术学院，北京 100083)

陕西省金堆城露天矿排土场高边坡稳定性评价

黄 鑫1，张晓辉2，薛 雷1，牛晶蕊3，王媛媛1

(1.中国科学院地质与地球物理研究所 工程地质力学重点实验室，北京 100029;2.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092;3.中国地质大学工程技术学院，北京 100083)

通过野外实地调研，在详细研究金堆城露天矿排土场高边坡地质条件和边坡变形破坏特征的基础上，分析了该边坡的变形破坏机制，将破坏方式归纳为两种类型:蠕滑-拉裂破坏，拉裂-滑移破坏。通过圆弧法和破坏概率法计算和分析了高边坡在天然、爆破振动和地震条件下5个不同剖面地段的稳定性状态，并利用FLAC数值模拟进行验证，最后，根据变形破坏方式提出了相应的处理措施。为高边坡的稳定性评价、预测和防治提供了有价值的参考。

高边坡;变形破坏机制;圆弧法;FLAC;稳定性

0 引言

金堆城露天矿位于陕西省华县金堆镇，是我国最大的钼业生产基地。本文研究对象位于采矿场东北角的北沟排土场，最大堆积标高为1337.0m，形成了最大高度达138.0m的松散碎石高边坡;在距离北沟排土场前缘约50m处为露天矿开采现场，目前开挖深度已达130余米，为一大型深凹的露天矿边坡(图1)。

北沟排土场高边坡主要成分为碎石土，在碾压、自重作用下较密实，由于其特殊的组成成分，与自然斜坡及粘性土边坡相比有其独特的工程特性，从边坡的变形到破坏均有别于自然形成的边坡。该边坡是否稳定，将直接影响到坡脚近距离范围内的居民住宅、学校及其过往行人、车辆等的安全;另外，由于该排土场的特殊位置，在很大程度上受到矿山生产爆破及靠帮爆破的影响，其稳定与否对露天矿的正常生产及继续发展具有重要的作用。且近年来又相继出现坡体上部变形、开裂，排土场地基变形等坡体不稳定现象，因此该排土场的稳定性研究迫在眉睫。

1 工程地质条件

1.1 地形地貌

北沟排土场的第一台阶标高1277～1305m，坡高75m左右，台面宽度大于12m，在排土场与露天矿相邻侧的台阶面上，靠近边缘2m范围内有一系列断续分布的裂缝，距边缘最远的裂缝距离为10m。坡面冲沟规模较大，数量较多。二级台阶标高 1300～1315m，高出一级台阶约10～20m，除北侧大部分与山体直接接触外，其余三面临空，台阶顶面平坦开阔，但在向其南侧、西侧及西北侧的顶面附近都有一些裂缝存在。与一级台阶下的斜坡比较，二级台阶上的冲沟均很少，没有明显的坡积物存在。三级台阶现在范围还小，其形成的斜坡由于现在正在堆积而不断掩埋，斜坡尚未出现细沟及冲沟，其顶面标高在1337m左右。

图1 北沟排土场高边坡典型工程地质剖面图Fig.1 Engineering geological profile of the high slope

1.2 地层岩性

研究区分布的主要地层如下:

主要由碎石、块石组成，分三个台阶分别堆积而成，厚度均在30m以上。堆积物棱角突出，大小混杂，一般以数厘米到十多厘米居多，最大粒径超过1m。

主要由碎石夹土组成，厚度较小，一般仅数米，与下伏基岩成角度不整合接触。

(3)前第四系

主要为下震旦系熊耳群(Snl)和中震旦系蓟县系高山河组(Sn2)变质岩。熊耳群主要有黑云母安山玢岩、黑云母角闪片岩、板岩、凝灰质板岩，有时夹有大理岩。在蓟县系高山河组中有石英岩、含砂凝灰质板岩、砂质板岩、千枚状砂质板岩等。

1.3 地质构造

研究区位于金堆城—黄龙铺背斜的倾没端，该背斜走向近东西向，属于复式舒缓褶皱，褶皱轴面近于直立，两翼基本对称且发育有次级平行褶皱。

1.4 水文地质条件

研究区地下水主要分为两类，一类为基岩裂隙水，含水层为石英岩、安山玢岩、片岩、板岩和花岗岩的强风化层，主要分布在北沟两侧、露天矿采矿坑及其周围、北沟排土场公路东侧的基岩裸露区;另一类为松散岩类孔隙水，含水层为粉土夹碎石和人工堆积的碎块石。含水层主要受到大气降水的补给，通过泄流、径流以及泉的形式排泄。在台面上各处的渗透性差异很大，一般情况下渗透性非常好，在经反复碾压的地方，透水性明显降低。

2 变形破坏特征及机制分析

通过野外调查发现，研究区高边坡不同地段因其所处地形地貌条件、下伏岩土的结构特征及本身的物质组成和粒度成分的不同，产生了不同的变形破坏形式，总括起来主要有两种类型:

2.1 蠕滑-拉裂破坏

这种破坏类型表现形式为:人工堆积废石在重力作用下，沿其下卧软弱地层首先向外水平向蠕滑挤出，进而导致上部坡体垂向拉裂、下沉，发生破坏，如图2(a)所示。

目前典型剖面坡脚下宽10余米的台地在上部人工堆积废石的作用下，致使台坎前缘中部向西凸出，表明此台坎整体已向西位移，并在此台面上产生了一系列纵向裂缝，裂缝宽5～10cm，呈近东西方向延伸长度在5 m左右，可见深度大于1.5m。在人工堆积边坡的台面边缘可见多条近弧形的裂缝。这些裂缝以距台面前缘17～22.1m这一段的四条裂缝组成的裂缝带最为突出，缝带宽2～5m，呈深5～10cm的下陷凹槽出现，并与坡面走向小角度斜交。各裂缝宽3～10cm，最宽处达60cm，裂面近直立，可见深度0.5～1.2m，最深达 1.8m以上。另外，在距台面前缘28m和30m远处，也有宽度2～4cm、延伸长度大于15m的裂缝出现，这些裂缝向南较为清晰，向北则掩埋在表面未加平整的废石堆下。

上述现象的出现，在于其所处的特殊地质环境。首先，该处堆积物位于天然斜坡之上，该天然斜坡物质组成如下:地表为厚0.5m的耕植土，含碎石，透水性较强，疏松多孔;往下为厚0.5～1.0m的粘土，饱水，呈软塑状态，探井开挖时沿该层顶面有水渗出，物理力学性质较差;再往下为厚0.2～0.4m的淤泥质软土，灰色，含大量腐植物，呈饱水状态，软塑。废渣排到该斜坡之后，该面变成底部滑移控制面。另外，排土场人工高边坡形成过程中，其内部无形中形成了一系列平行于坡面的间断面，特别是当粗、细颗粒分阶段分别堆积时，这种现象就更为明显，结果形成了如图2(a)所示的坡体结构。在该坡体中，上部废渣在重力作用下，沿底部的斜坡产生下滑分力，从而沿底部的软弱面产生向坡外的蠕动变形，进而导致废渣沿平行于坡面的间断面产生顺层剪切移动，并且在顶部形成大量的拉张、下错裂缝。

图2 坡体破坏特征示意图Fig.2 Failure characteristics of the slope

2.2 拉裂-滑移破坏

这种破坏主要产生于粗、细相间堆积的人工高边坡上。产生的主要原因是由于废渣在排放的过程中，由于粗、细颗粒分阶段分别堆积，从而在坡体中形成间断面，外加单一坡高较大，导致坡体产生较大不均匀压缩变形、固结变形及沿间断面的剪切变形，坡顶产生大量的拉、错裂缝，如图2(b)所示。这种破坏形式的发展结果，是顶部裂缝不断加宽及加深，破坏面不断向下延伸，慢慢在坡体中形成一连续的滑移控制面，最终导致斜坡整体滑动。

3 稳定性分析与计算

3.1 计算参数的选择

计算参数根据室内土工试验成果确定，均采用饱和值(表1)。

表1 物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters

3.2 极限平衡法计算分析

选取5个典型的剖面，剖面1位于西川小学对面，剖面2位于西川二队老乡房背后，剖面3位于泄水洞洞口，剖面4位于北沟排土场靠近露天矿东邦，剖面5位于北沟排土场尾矿池及华光库房背后。采用瑞典圆弧法和破坏概率法对上述高边坡进行计算分析［1］，地震烈度按 VI度考虑，地震系数取0.0625，爆破效应按照拟静力法考虑［2］，爆破震动地面最大加速度取实测最大值的2倍(0.001m/s2)，计算结果见表2。

从计算的结果可以看出，在VI度地震条件下，1、2剖面将会产生破坏，破坏概率过半;而3、4和5剖面也将临近极限破坏状态。在爆破振动的影响下，上述5个剖面基本保持整体的稳定状态。但是，由于爆破振动引起的坡体的局部变形和开裂，对于整个坡体的稳定是不容忽视的。

3.3 FLAC数值模拟分析

FLAC全称连续介质快速拉格朗日分析法(Fast Lagrangian Analysis of Continua)，它基于显式差分法来求解运动方程和动力方程［3-4］。采用摩尔-库伦模型，通过数值模拟得到天然状态和爆破振动3s后坡体内部位移等值线图(图3、图4)。

表2 各剖面稳定性计算结果Table 2 The calculation results of the stability

图3 天然状态下水平方向位移等值线图Fig.3 Horizontal displacement isograms at natural state

图4 爆破振动下水平方向位移等值线图Fig.4 Horizontal displacement isograms under blasting

天然状态下坡体基本处于稳定状态，滑动面贯穿于整个高边坡，第二级台阶斜坡面位移较大，但不超过1mm。但在爆破振动下滑动面开始调整并集中在二级台阶处，在其中下部位移最大，达4mm，这是爆破振动产生的放大效应所致。加之该台阶面较窄，为公路运输路面，行车振动荷载对边坡的稳定性亦有一定的影响，在一定条件下极有可能造成该边坡的破坏，从而影响到高边坡的整体稳定性，对矿山开采和公路运输造成极大威胁。

4 结论

(1)人工废渣排泄的天然斜坡，为一底部滑移控制面，在废渣排泄过程中，其内部无形中形成了一系列平行于坡面的间断面，从而造成斜坡沿底部软弱面产生向坡外的蠕滑-拉裂型破坏，而在顶部形成大量的拉张、下错裂缝。

(2)人工废渣排泄过程中，由于粗、细颗粒分阶段分别堆积，从而在坡体中形成间断面，再加上坡高较大，导致坡体产生较大的不均匀压缩变形、固结变形及沿间断面的剪切变形，进而顶部裂缝不断加宽及加深，破坏面不断向下延伸，慢慢在坡体中形成一个连续的滑移控制面，最终导致斜坡的拉裂-滑移破坏。

(3)根据极限平衡法分析，北沟排土场高边坡在在地震作用下容易造成失稳，而在爆破振动条件下仍然保持着整体的稳定性。但是，由于爆破振动引起的坡体的局部变形和开裂，对于整个坡体的稳定是不容忽视的。建议采取如下措施:①减少上部堆载，并加宽该地段预留平台;②在坡脚地段修建挡土墙以防其失稳，消除对坡脚下采矿人员及设施的威胁。

［1］孙玉科，牟会宠，姚宝魁.边坡岩体稳定性分析［M］.北京:科学出版社，1998.

［2］李维光，张继春.爆破振动作用下顺层岩质边坡稳定性分析［J］.爆炸与冲击，2007，27(5):426-430.

［3］黄润秋.显式拉格朗日差分分析在岩石边坡工程中的应用［J］.岩石力学与工程学报，1995，14(4):346-354.

［4］FLAC-user’s manual［M］.Minneapolis，MN:Itasca Consulting Group Inc.1997.

Stability evaluation on the high slope at dumping site of Jinduicheng Open Pit mine

HUANG Xin1，ZHANG Xiao-hui2，XUE Lei1，NIU Jing-rui3，WANG Yuan-yuan1
(1.Key Laboratory of Engineering Geomechanics，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China;2.Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China;3.School of Engineering and Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China)

According to on-site field investigation，a detailed study of the geological conditions and the characteristic of deformation and failure of the high slope are carried out at dumping site of Jinduicheng open pit mine.The mechanism of deformation and failure of the high slope is concluded to two types，that is creep-cracking and cracksliding.The stabilities of the high slope at five different profiles are calculated and analyzed by using the arc method and the failure probability method on conditions of natural state，blasting and earthquake.FLAC is also used to evaluate the stability of the high slope.This paper provides valuable references in evaluating，forecasting and preventing the landslide.

high slope;mechanism of deformation and failure;arc method;FLAC;stability evaluation;Jinduicheng Open Pit;dumping site

1003-8035(2010)02-0040-04

TU443

A

2009-12-23;

2010-01-30

中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-YW-Q03-02)

黄 鑫(1984—)，男，在读博士，主要从事工程地质及地震地质灾害方面的研究。

E-mail:kouzi84@vip.qq.com.