弓长岭露天铁矿大阳沟排土场边坡稳定性分析*

张 涛 马 宁 陈庆丰 张 伟 曾 东

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院)

在露天矿生产中，排土场的稳定性是矿山管理者需要考虑的重要问题。排土场一旦发生滑坡，后果严重。不仅会影响露天矿的正常生产，甚至会威肋到作业人员及其财产的安全。随着排土场堆高的不断增加，软弱层的出现，其稳定性更成为了一个不可忽视的问题。不同的排土场有着不同的稳定性影响因素［1］，因而需要具体分析。

郝哲等人［2］利用Geo－Slope数值模拟软件对现状工况下的排土场边坡的稳定性进行了模拟，但并没有涉及到软弱层对边坡稳定性的影响。陈鹏等人［3］运用极限平衡法和有限单元法对简单的排土场算例进行了分析和模拟。结果表明排土场存在软弱层时，结合以上2种方法得到的结果更可靠，但并未对该算例展开进行详细的稳定性模拟。徐燕等人［4］采用极限平衡法对继续以单台阶方式排土的排土场与目前排土场的稳定性作了模拟分析，结果显示变化不大，但岩土体并不包括软弱层。本研究则重点考虑对含有软弱层的现状和极限堆高2种工况下的边坡稳定性的数值模拟。

1 工程勘察

1.1 工程概况

大阳沟排土场作为弓长岭矿业公司重要的排土场之一，位于高山下部西端，即原三道岭采场和三道岭下部采场之间的沟谷，目前主要接受何家采区废石，采用汽车—推土机的排土工艺，从1981年开始使用至今。目前排土场最大标高为436 m，最小标高为255 m，设计最终标高为400 m，最大边坡角为39°，排土场南侧为顺坡向，原始地形坡度16°～26°，排土场西南部已到界，西北部有小部分的排土空间，整个排土场西部界线越过山谷，排至山坡腰间，排土场南侧分布着选矿厂及尾矿库。另外岩场界线南侧有居民区及公路。因此，若发生滑坡等地质灾害，会对人民生命财产造成严重威胁［5］。

1.2 地层划分

通过地质雷达探测手段和现场大面积原位直剪试验、工程地质测绘、工程地质勘探、圆锥动力触探等勘察技术，可将地层特点分列如下。

(1)人工排弃物。①废石排弃物:在稳定性计算时，可根据排弃物岩土体密实程度的不同将其划分为松散、半压实、已压实3类来进行分析。②残破排弃物:排土场南侧分布着尾矿库，其主要成分为尾细砂，混有少量尾粉砂，稍湿，平均厚度为3.60 m，最大厚度达15 m，堆积厚度不尽相同，且位于影响边坡稳定性的关键区域(坡脚处)。综合考虑，此尾矿库对排土场的稳定性影响较大，因而可将其视为该排土场的软弱层。

(2)天然地层。花岗岩:根据其风化程度和破碎等级而划分为强风化和中风化，并以中风化的花岗岩为主。

2 排土场稳定性分析方法

2.1 安全系数的选取

考虑到大阳沟排土场下游有居民区、尾矿库、选矿厂和盘山公路等，失事后会对居民区造成严重的灾害，因而根据《有色金属矿山排土场设计规范》［6］之规定，选取安全系数Ks=1.3。进一步细化，定义边坡稳定性状态:若稳定性系数Ks≥1.30，则排土场的状态为稳定;若1.20≤Ks＜1.30，则为基本稳定;若1.10≤Ks＜1.20，则为欠稳定;若1.00≤Ks＜1.10，则为稳定性差;若Ks＜1.00，则为不稳定。

2.2 滑坡模式的分析

排土场的滑坡模式可分为3种，即排土场内部滑坡、沿地基接触面的滑坡和软弱地基底鼓引起的滑坡［7］，现对大阳沟排土场的滑坡模式具体分析。

(1)排土场内部滑坡。排土场内部的滑坡多数与物料的力学性质有关，其主要出现在排土场的局部边坡(即台阶边坡)上，且规模不大。大阳沟排土场现状工况下的滑坡因边坡内部介质相对较均匀，且个别台阶堆置角度为39°，故可能会发生这种滑坡。

(2)沿地基接触面的滑坡。当山坡形排土场的基底倾角较陡，排土场与基底接触面之间的抗剪强度小于排土场物料本身的抗剪强度时，易产生沿基底接触面的滑坡。大阳沟排土场原始基岩面与边坡面倾斜方向相反，故出现这种滑坡的可能性不大。

(3)软弱地基底鼓引起的滑坡。由于地基中软弱层受上覆排弃物压力作用而发生破坏，地基中出现岩层滑移现象，从而牵引排土场滑坡。大阳沟排土场南侧尾矿库因厚度较大，物理力学性能较差，抗剪强度较低，容易发生此类滑坡。

综上所述，大阳沟排土场边坡在现状工况下可能发生内部滑坡;在极限堆高工况下将会发生由软弱地基底鼓引起的滑坡。

2.3 假设条件

在分析、模拟中，主要做了以下假定:①岩土体为均质、各向同性，符合摩尔－库伦弹塑性模型;②根据大阳沟排土场的实际工程地质条件和水文地质条件，不考虑降雨入渗、地震等外界因素的影响。

2.4 边界条件

①左右边界均为水平约束，即各个边界的水平位移均为零。②底部边界为固定约束，即水平、铅直位移均为零。③顶部及坡面为自由边界。

2.5 岩土体参数

按照试验的统计结果，根据规范，结合其他矿山的经验，确定了计算所需的岩土体参数见表1。

表1 排土场岩土体物理力学性质指标

3 现状工况下的稳定性分析

3.1 计算模型

根据工程实际情况，共选择8条剖面，现以排土场南坡，且后期部分排岩体(渣土)覆盖于软弱层之上的2－2剖面为例进行分析。根据排土场现状工况下的平面图、现场实测地形剖面图和工程地质剖面图，参照物料堆积的年份不同与密实度差别，对排土场边坡进行分层，获得现状工况下的计算几何模型，见图1。

3.2 计算结果

对该计算模型分别进行极限平衡法和有限元强度折减法的稳定性模拟分析，内部滑动模拟结果见图2～图4。

图1 计算模型(现状工况)

图2 Geo－Slope模拟所得危险滑面

图3 FLAC2D模拟所得塑性区

图4 FLAC2D模拟所得X向位移

3.3 结果分析

由2种软件模拟的结果表明，现状工况下排土场边坡的破坏区域较大且较为集中，构成了潜在的滑移面，均出现在坡面附近;图3可以看出:在坡肩处，出现小范围的拉力带，图4中滑动面X向位移最大为0.5 m，满足要求，因此，破坏形式主要表现为剪切破坏和拉裂破坏。

对软弱层来说，其上覆部位不存在表土层，且从图2～图4中可以看出软弱层并未对边坡的塑性区和X向位移造成影响。依据Geo－Slope软件模拟所得的安全系数是1.295;依据FLAC2D软件所得的安全系数是1.28，均大于规范所要求的最小安全系数，也符合该排土场细化后所定的安全系数，故此时的排土场是基本稳定的。

4 极限堆高工况下的稳定性分析

根据室外勘察资料得知，排土场范围内已压实排岩体厚度一般为0.5～2.4 m，应定义为薄表土基底，部分狭窄沟谷可不受该限制，其极限堆高决定于基岩强度参数，表土层不起作用。因而，可在确定边坡角(根据自然安息角等定为30°)的情况下，通过调整稳定性系数来协调确定极限堆高.最终确定的极限堆置标高为排土场的最大标高436 m。

4.1 计算模型

计算模型见图5。

图5 计算模型(极限堆高工况)

4.2 计算结果

对该计算模型分别进行极限平衡法和有限元强度折减法的稳定性模拟分析，内部滑动模拟结果见图6～图9。

图6 Geo－Slope模拟所得危险滑面

图7 FLAC2D模拟所得塑性区

图8 FLAC2D模拟所得X向位移

图9 FLAC2D模拟所得最大剪应变增量

4.3 结果分析

由2种软件模拟所得的结果可见，极限堆高工况下，边坡的破坏区域明显增大并且构成潜在的滑移面，滑移面深入到表土内部较多。塑性区主要分布在最大剪应变增量带。

因软弱层的存在，边坡在排岩体自身重力和软弱层的共同作用下，坡脚的软弱层内部发生圆弧形滑移和剪切破坏。从图8可以得到:软弱层外侧的X向位移最大为0.7 m，软弱层内侧的X向位移最大为0.2 m，且沿着软弱层共同滑动，故该软弱层在上覆表土的载荷作用下，发生滑坡的可能性较大。从图9可以看出:边坡的最大剪应变增量在坡肩、坡脚处为0.02，滑移面中部的最大剪应变增量为0.08，此剪应变增量带下端在软弱层内部呈圆弧形;边坡内部也产生了1条剪应变增量带，该增量带下端和软弱层内侧相连。

进一步将图8和图9的结果对比发现，上述剪应变增量带的形状和X向位移图一致，位置是在边坡中产生变形较大的区域。这一区域内的坡体最薄弱，最可能发生破坏。依据Geo－Slope软件模拟所得的安全系数是1.226;依据FLAC2D软件所得的安全系数是1.21，均大于规范所要求的最小安全系数，也符合该排土场细化后所定的安全系数，故该排土场边坡是基本稳定的。

5 结论

(1)大阳沟排土场边坡在现状工况下处于基本稳定状态;在极限堆高工况下，排土至其极限堆置标高436 m时，处于基本稳定状态。

(2)极限堆高工况下大阳沟排土场边坡软弱层中出现的圆弧形滑动及其所引发的双线条剪切滑动面的主要原因是软弱层的物理力学强度特征较低，及其受到上部排岩体的荷载作用较大，继而导致软弱层产生塑性屈服并引起边坡沿基底滑移。因此软弱层产生剪切滑动破坏，上覆排岩体产生拉剪破坏。

(3)排土场软弱层的有无及其位置对排土场边坡滑动面的位置和形状有较大的影响:现状工况下软弱层的位置对排土场边坡稳定性没有影响，而在极限堆高工况下软弱层的位置则影响着边坡稳定性。随着排岩体堆置高度的增大，边坡产生剪切破坏的范围从坡脚附近扩大到边坡内部并逐渐向上扩展;边坡整体出现破坏趋势的排岩体范围增大。

［1］ 石建勋，刘新荣，廖绍波，等.矿区排土场堆载对边坡稳定性影响的分析［J］.采矿与安全工程学报，2011，28(2):258-261.

［2］ 郝 哲，孙俊红，冯鸿宽，等.弓长岭铁矿排土场边坡稳定性评价［J］.矿业工程研究，2012，27(2):58-63.

［3］ 陈 鹏，陈鹏飞.露天矿排土场边坡稳定性分析［J］.辽宁工程技术大学学报，2010，29(6):1028-1031.

［4］ 徐 燕，佴 磊，丁黄平.南芬铁矿大东沟排土场稳定性分析与治理对策［J］.金属矿山，2007(4):19-22.

［5］ 郝 哲，冯鸿宽.鞍钢集团矿业公司弓长岭露天铁矿大阳沟排土场综合稳定性评价报告［R］.沈阳:辽宁有色勘察研究院，2011.

［6］ 中国有色金属工业协会.GB 50421—2007 有色金属矿山排土场设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2007.

［7］ 杨胜利，王云鹏.排土场稳定性影响因素分析［J］.露天采矿技术，2009(3):4-7.