舞阳铁矿西排土场边坡稳定性分析

郭学军

(河南安钢集团舞阳矿业有限责任公司)



舞阳铁矿西排土场边坡稳定性分析

郭学军

(河南安钢集团舞阳矿业有限责任公司)

摘要针对舞阳铁矿西排土场的实际情况，在岩土工程勘察和岩土物理力学性质分析的基础上，采用瑞典圆弧法深入分析了该矿排土场典型剖面在3种工况下的稳定性。结果表明：西排土场边坡在现状工况下整体处于基本稳定状态，但局部仍达不到安全要求，对于该矿排土场边坡的安全治理有一定的参考价值。

关键词排土场稳定性瑞典圆弧法典型剖面

排土场的稳定性在露天矿的安全生产中占有极其重要的地位，一旦出现失稳，排土场产生的滑坡及泥石流等灾害将严重影响矿山安全生产及矿区环境。随着排土场的不断堆高，实际排土中产生的软弱层也将出现，其稳定性不容忽视。为此，本研究以舞阳铁矿西排土场为例进行边坡稳定性分析。

1工程概况

舞阳铁矿设计使用的西排土场位于露天采场西侧，有效容积2 300万m3，总堆置高度90 m，排弃方式按照汽车后卸，推土机配合分段排弃，沉降时间约为1 a。西排土场自1987年建矿投入使用至2014年，已累计排弃废石2 330万m3，堆置高度105 m，最大边坡角35°。该矿排土场处于单面山北缘，位于丘陵斜坡，原始地形坡度15°～27°，西排土场均已到界，东距采场最近约50 m，下部界线分布有白灰烧结厂及数座大、小村庄，排土场一旦失稳，将对采场及下游人民生命财产造成严重威胁。2006年8月强降雨后，西排土场北部曾发生局部滑坡，采取上部卸载、下部反压措施进行了临时治理。该矿排土场由碎石、块石及少量砂土组成，结构松散、混杂，块石岩性主要为混合岩、片麻岩、砾岩等，大小混杂，一般厚数十米至100 m，西排土场北部眉线附近厚度接近100 m。堆积层下为原始地形，为直鼓山北坡或鞍部，山坡基岩为太古界、元古界混合岩、大理岩和片麻岩等。堆积层与新鲜基岩之间埋藏有残坡积层和风化壳。

据地质调查、探井和钻孔揭露并结合室内土工试验成果，将场地岩土划分为：

(1)废石堆积体。为露天矿区开采剥离的覆盖层及围岩组成，主要由第四系黄土、风化砂和硬岩组成，总体比例约1∶1.3∶4.6。由于采用分段、分台阶排弃堆积，废石堆积体在水平、垂直方向上均呈现无规律状况。其中第四系黄土主要为粉质黏土，灰黄—褐黄色，稍湿，可塑。风化砂主要为中—粗砂，灰黄色，松散。硬岩成分复杂，颜色斑驳，大小不一，该层厚度即为排土场的堆置厚度，西排土场厚0～123 m。据废石堆积体的颗粒组成和堆积特点，可将该层细分为：①-1层粗砂堆积体，灰黄色，松散，含少量碎石，主要分布于西排土场中下部，为回填反压堆积；①-2层块石、碎石土堆积体，杂色，松散，由块石、碎石组成，该层稳定，为构成废石堆积体的主要成分；①-3 层粗砂含砾石堆积体，灰黄—褐黄色，松散，砾石含量约20%，直径30～100 mm，砾石成分以混合岩为主，该层主要分布于西排土场中部，为排土场早期堆积物；①-4层细砂堆积体，黄灰色，松散，含少量砾石，直径10～30 mm，夹块石，直径100 mm，主要分布于西排土场南侧附近，为碎石厂的废弃石粉堆积形成。

(2)残积、洪积、坡积层。为原始地表残、洪、坡积层黏土、粉质黏土及粉砂、砾石层，主要成分为粉质黏土，局部夹粉砂、砾石，含全风化岩石碎块，该层分布稳定，但厚度差别较大，厚1.40～32.15 m。

(3)条带状混合岩。据钻孔揭露，西排土场下伏基岩华山群Ar3t条带状混合岩。据钻孔揭露的深度和岩石风化程度，将该层细分为：③-1层强风化层，裂隙发育，裂隙面见水锈，锤击易碎；③-2层中风化层，风化程度中等，岩芯呈短柱状、柱状，长100～470 mm，裂隙较发育。

西排土场中废石堆积体结构松散，孔隙率大，渗透系数大，主要含有上层滞水，地下水埋深25.35～99.00 m，受大气降水影响严重。在排土场前缘，有潜水出露，涌水量0.12 L/s,水质清澈。

2西排土场边坡稳定性分析

为有效复核排土场在不同工况下的稳定性，本研究将地震荷载作为特殊工况一并加以考虑，分3种工况进行边坡稳定性分析：①现状稳定性，地下水位以勘察期实测数据计算；②50 a一遇暴雨排土场边坡稳定性，地下水位以模拟暴雨计算；③特殊工况下排土场的稳定性，即同时考虑暴雨和地震荷载的影响。据西排土场的具体情况，共建立了8个工程地质剖面，其中，4-4′、5-5′、6-6′、7-7′、8-8′剖面位于西排土场，而位于西排土场石料厂范围内的7-7′剖面，正对顶部平台进行卸载，该剖面地形变化快，边坡趋于稳定。结合边坡地形、地质情况以及危害性，判定西排土场的4-4′、5-5′剖面安全系数最小，为此，本研究主要针对4-4′、5-5′剖面进行分析，并将4-4′剖面作为分析重点。

2.1计算公式与参数选取

本研究采用瑞典圆弧法进行排土场边坡稳定性分析计算[1-4]，计算涉及的几何参数从工程地质剖面图上读取，物理指标取自室内试验资料，强度指标则采用试验资料并结合经验数据确定，具体指标见1。排土场正常运行时采用实测资料确定浸润线；暴雨季节运行时，考虑到废石堆积体的渗透性较高，将坡前地下水位抬高至地表出渗，坡后地下水位抬高10.0 m；特殊运行时，抗震设防烈度由6度提高至7度，水平地震系数为0.10，地震作用综合系数为0.25，地震作用重要性系数为1.00。

表1　土类力学参数

2.2计算方案

对于西排土场的4-4′、8-8′剖面分别就正常运行、暴雨季节运行和特殊运行等3种工况进行计算，荷载组合见表2。

表2　不同运行情况下荷载组合

注：一为正常水位的渗透压力，二为边坡土石体自重，三为边坡及地基中孔隙压力，四为暴雨季节高水位有可能形成的稳定渗透压力，五为地震惯性力。

舞阳铁矿西排土场属于多台阶永久性排土场，据《金属非金属矿山安全规程》(GB 16423—2006)，按余推瑞典圆弧法计算，得到不同安全度的抗滑稳定性安全系数(表3)。

表3　排土场余推法抗滑稳定性安全系数

2.3安全系数计算结果

安全系数计算分剖面进行，通过选择北京理正岩土系列软件(5.11版)的复杂土层土坡稳定程序进行计算。西排土场4-4′(图1)、5-5′剖面的安全系数计算结果见表4。

图1　西排土场4-4′剖面

由表4可知：

(1)西排土场在正常运行、雨季运行、特殊运行等3种工况下，4-4′、5-5′剖面的安全系数分别为1.045和0.988、0.951和1.082、1.075和1.029，均不符合《金属非金属矿山安全规程》(GB 16423—2006)要求的正常级的安全度，特别是4-4′剖面在雨季和特殊运行下，安全系数小于1.00，安全度达到了危险级，须尽快采取治理措施。

(2)西排土场4-4′剖面最危险的滑弧位于第1～第2平台坡度较陡的边坡上，与物探报告反演结果一致，属于废石堆积体内的滑动，主要原因是局部边坡坡度较陡，边坡脚坡度均在40°以上；5-5′剖面最危险的滑弧位于第1平台～坡脚间，属于沿基底软弱层的滑动，最危险滑弧切穿废石堆积体和下卧残坡积土层。

表4　舞阳铁矿西排土场安全系数计算结果

注：正常运行、雨季运行、特殊运行等3种工况下的最小安全系数分别为1.2、1.15、1.05。

(3)4-4′剖面位于第1平台～坡脚，正常运行、雨季运行、特殊运行等3种工况下的最小安全系数分别为1.176、1.102、1.042，均小于《金属非金属矿山安全规程》(GB 16423—2006)要求的正常级标准，安全度属于病级，最危险滑弧均切穿废石堆积体和下卧残坡积土层，属于沿基底软弱层的滑动；其他平台间的安全系数均符合正常级要求；5-5′剖面除第1平台至坡脚间外，其他平台间的安全系数均符合正常级要求。

(4)西排土场第2平台以上边坡的安全系数均大于1.19，基本不会发生跨平台间的滑动，滑动的最危险滑弧深度也无法切穿废石堆积体的底部。

(5)4-4′剖面安全系数最小，结合物探报告，该剖面及其以西底部第1～第2平台形成小型滑坡的可能性最大，在较大暴雨的作用下可能形成小型滑坡或泥石流。

3讨论

(1)西排土场在现状工况下整体处于基本稳定状态，但局部仍达不到安全要求，其设计的堆置高度为90.0 m，经削坡处理后，仍高达107.26 m，须尽快对排土场超载部分进行削顶卸载，降低排土场堆置高度至设计要求。

(2)2006年8月，对局部滑坡地段采取了卸载和反压措施，通过5-5′剖面的计算，现状边坡最小安全系数为1.082，对应的滑弧位于第1平台～坡脚处，说明通过治理，滑坡段处于基本稳定状态。

(3)在西排土场投入使用前，未对植被和部分第四系软弱层进行清除，为西排土场边坡的稳定性埋下了隐患，因此，应全部清除排土场反压平台最终境界100 m内的植被或第四系软弱层，并将地基削成阶梯状。

(4)西排土场安全系数最小的地段为4-4′剖面所处位置，该处局部边坡较陡，边坡脚坡度约48°，较容易发生滑坡。而第1平台～坡脚段的总边坡脚坡度也高达30°以上，安全系数也无法满足正常级安全度要求。因此，应尽快采取削坡减载和回填压脚措施，将该地段较陡边坡削坡至30°以内,或可辅以针对性的重力式挡土墙工程来解决上述问题。

参考文献

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

[2]石建勋，刘新荣，廖紹波，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.

[3]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[J].北京：中国计划出版社2007.

[4]张涛，马宁，陈庆丰，等.弓长岭露天铁矿大阳沟排土场边坡稳定性分析[J].金属矿山，2013(9)：6-9.

(收稿日期2016-04-07)

郭学军 (1970—)，男，工程师，462500 河南省安阳市。