小王庄排土场增高扩容工程边坡稳定分析及治理

李晓俊

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

小王庄排土场增高扩容工程边坡稳定分析及治理

李晓俊

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

通过勘察、试验及反分析等方法，确定山西华瑞露天矿小王庄外排土场边坡计算所需的岩土体物理力学参数，对外排土场现状边坡的稳定状态进行计算分析，并提出相应的治理措施，以达到排土场增高扩容所需的边坡稳定状态。

露天矿；外排土场；边坡稳定分析；治理措施；增高扩容

1 概 况

山西华瑞露天矿位于交口县城东直距约33 km处的桃红坡镇横罗、孪子头、高家堰、店则沟村一带。该矿田位于霍州煤炭国家规划矿区灵石区范围内，平面形态呈西北—东南向长条状，为不规则的多边形，南北长约9.5 km，东西宽约2 m，面积17.876 km2。露天煤矿的剥离和采煤均为单斗-卡车开采工艺。小王庄排土场为该矿外排土场，排土场长约1 500 m，宽约500 m，高差为200 m，规模较大。其基底为第四系黄土，黄土下部为基岩。地形倾向与边坡倾向一致，不利于边坡稳定。

开展边坡稳定研究前，小王庄排土场已出现裂缝、沉降、坡底鼓丘和剪出口等不同程度的滑坡迹象。同时，华瑞露天矿面临着外排量较大，外排土场容量不足的问题，而外部征地困难，需要在现有小王庄排土场增高扩容，以容纳后期剥离物，确保煤矿能够顺利安全进行生产。为此，需对小王庄外排土场现状边坡稳定状态进行稳定分析，根据分析结果进行边坡治理，使外排土场边坡达到适合增高扩容的稳定状态。

1.1 外排土场边坡工程地质条件

小王庄排土场边坡地层总体倾向为南东，倾角11°～14°，出露岩层的风化裂隙较为发育，黄土与下伏基岩界面存在古风化层，主要为软弱的泥质岩土，易于形成弱层。分析区域内未发现存在断层、陷落柱等地质构造。

该排土场为黄土地貌排土场，主要由露天剥离物堆砌而成，成份较为复杂，包括第四系土、泥岩、砂岩、灰岩和矸石等。

黄土地貌的主要特点是千沟万壑、丘陵起伏，而这些恰恰为排土场的不均匀沉降提供了有利条件。从黄土自身来讲，颗粒细且均一、质地疏松、垂直节理发育、可溶性盐含量较大，使得其具有特殊的物理力学性质，主要表现为大孔隙比、湿陷性、遇水易崩解、以及力学强度对水具有较强的敏感性等。

随着排土工作的进行，排土场上部的荷载对基底的压力会逐渐增大，使基底岩土层产生压缩变形，地表产生沉降，同时会破坏岩土层内部结构，导致岩土体力学强度的降低。

1.2 外排土场边坡水文地质条件

排土场边坡底部存在一条地表河流，位于坡底以北10～20 m，河宽10～15 m，河深2～3 m。该河仅雨季时有水流通过，属于季节性河流。

根据野外露头调查，排土场边坡出露多为泥岩、砂岩及灰岩，主要补给源为大气降水，水量不大，水位连续性差，除了通过河道排泄外，区内新生界地层与基岩风化裂隙带相接触，第四系孔隙潜水通过基岩风化裂隙带缓慢向下渗透，补给煤系地层含水层。

气候方面而言，本区虽然较为干旱，多风少雨，蒸发强烈，但是排土场的形成一定程度上破坏了原有的水文地质条件。排土场非饱和土能够很好的吸收和保持降水，这些水分会渗入基底黄土层。同时当排土场形成一定规模后，能够阻挡基底土层中水分的蒸发，使得基底黄土层中水分得以保存。随着排土场的不断增高，基底黄土层中含水量不断加大，甚至形成上层滞水，致使排土场底部形成塑性区。另外，考虑到本区为典型的温带大陆型气候，降雨较为集中，由于排弃物与基底黄土层的渗透差异，致使大气降水后水体在基底岩土层产生滞留浸润，岩土体抗剪、抗压强度下降，极易形成滑带。

结合以上分析，小王庄排土场易于在黄土与基岩接触面形成滑动带。

2 小王庄排土场边坡滑坡机理及影响因素

随着小王庄排土场的不断增高，其南北两侧边坡出现不断延伸的裂缝，地表沿主裂缝呈圆弧状滑面“下坐”，滑体中部被构造面切割成的块体在滑坡前缘的牵引下沿折线滑面向前滑动；滑坡前缘在滑体后推力的作用下，顺岩层形成隆起带，形成了“坐落—滑移式”破坏模型。滑坡形成原因及主要影响因素分析如下：

2.1 地形因素

第四纪以来，我国西北、华北地区沉积了较厚的黄土，从下到上依次为午城黄土、离石黄土和马兰黄土，其中还夹有数层古土壤。进入全新世后，气候由干旱逐渐转为暖湿，雨水增多，疏松的黄土高原经流水侵蚀，逐渐形成了沟壑纵横的破碎地貌。小王庄排土场以此种地貌为基础，建立在斜坡之上，自然对其自身的边坡稳定造成不利影响。

2.2 基底弱层是控制滑坡形成的物质基础

软弱结构面控制着边坡的整体稳定性，沉积岩在沉积过程中形成的成分不同的薄层常常具有软弱性，而且分布连续、影响面大[1]。

小王庄排土场的基底为第四系黄土层，黄土颗粒较细且均匀、质地松散、节理发育、可溶性盐含量较大，从而使黄土具有了大孔隙比、湿陷性、遇水易崩解且水理性较差等特殊物理力学性质。同时，黄土在沉积过程中与下伏基岩界面存在古风化层，主要表现为泥质软弱带。结合小王庄排土场所处的斜坡地形，其基底，即第四系黄土与下伏基岩接触面，易于形成连续性好、饱和度高、强度较低的弱层。随着排土场排弃高度的不断增加，荷载逐渐加大，压力逐渐向基底黄土层深部延伸，当压力达到该弱层位置并超过其抗剪强度后，软弱层产生塑性流动挤出，下部基底隆起剪切。

2.3 水的作用是边坡失稳的触发条件

边坡在雨季、解冻期等情况下易发生滑坡，说明水对边坡稳定性有着很大的不利影响，这些不利影响主要表现在：软化泥岩类岩石，使其强度大大降低；潜蚀作用；对边坡产生静水压力与动水压力，增加了边坡的下滑力；冻结作用等[2-4]。

3 边坡稳定分析及治理方案

3.1 小王庄排土场滑坡模式分析

小王庄排土场地形为山地，排土场建立在山顶至山底的山坡上，山坡地形变化较大，一是地形倾角变化，一是山坡上的沟谷与山梁情况变化较大（即沟谷的宽度和山梁的宽度变化较大）。

边坡滑动体是一个三维的滑动体，其受力方式为三维，在地层情况和上部边坡变化相对较小的区域可简化为二维方式来计算，但在小王庄排土场，根据计算分析，这种三维效应非常明显。

小王庄排土场地层基本上可分为4层：排弃物、黄土、粉土和基岩。黄土、粉土的强度相对较低，排弃物次之，基岩最高。在空间位置上，排弃物在最上部，黄土在中部（局部缺失），粉土在黄土下部（局部缺失），基岩在最下部。

这一顺序不利于边坡稳定，因强度相对较低的黄土和粉土在强度相对较高的排弃物下部，在边坡抗滑力相对较大的部位。最理想的情况应是黄土和粉土在上部，排弃物在下部，基岩在底部，这样的组合是比较理想的组合。

根据工程地质钻探、岩体强度分析、现场踏勘以及类似矿山排土场滑坡事例，推断出滑坡模式为圆弧—折线式滑坡，即滑弧上部从排弃物中裂开，部分穿过黄土和粉土，下部在基岩顶面风化层中平面或曲率相对较小的曲面上，到达边坡坡脚时，切穿第四系黄土或直接在基岩出露面滑出。滑坡模式如图1。

图1 滑坡模式

3.2 计算分析理论概述

边坡稳定极限平衡分析法历史悠久、可靠性较高，是目前世界范围内广泛采用的一种方法。其计算方法很多，有瑞典法、毕肖普法、推力法、萨尔玛法、詹布法等。各种方法考虑问题的切入点不同，本次计算采用毕肖普法计算[5-6]。

3.3 边坡稳定分析

为了科学合理的评价增高后排土场边坡的稳定性，需要确定排弃物及边坡地层岩体强度。计算、模拟分析所选用岩体强度参数的合理性直接关系到结果的可靠性，所以科学可靠的确定岩体强度参数是边坡稳定计算的关键。

在本次勘察工作过程中，采取岩土试样，进行了室内岩土体的物理力学性质试验，并在此基础上综合运用强度折减法、反分析等方法间接确定小王庄排土场边坡的岩体强度，强度参数见表1。

表1 小王庄排土场岩体强度

其中，1剖面弱层、2剖面弱层、3剖面弱层强度是不一致的，这主要是因为小王庄排土场基底为山坡，第四系底板起伏较大，边坡滑动时是一个弧形的三维体，这个三维体受第四系底板约束，排弃物的强度高，第四系底面的强度低；当山坡中的山谷地形较宽缓时，则滑面在第四系底面上的面积就相对较大，则稳定边坡角就相对较小；当山坡中的山谷地形较狭窄时，则滑面第四系底面上的面积就相对较小，则稳定边坡角就相对较大。因此，1、2、3剖面弱层强度不一致。1、2、3边坡反算分析计算结果如图2—图4。

图2 1剖面边坡反算分析

图3 2剖面边坡稳定反算分析

图4 3剖面边坡稳定反算分析

3.4 治理方案

边坡稳定加固方法较多，经常采用削坡、压脚、抗滑桩、锚索、疏干等方法。

削坡方法一般在纯圆弧滑坡时效果较明显，对圆弧—折线滑坡效果相对较差；根据经验，单一的削坡方法一般不能保证边坡稳定，尤其是小王庄滑坡模式为圆弧—折线滑坡，其抗滑效果相对较差，性价比不高。

压脚方式在空间允许时，是一种性价比较高的加固方法，边坡加固效果较明显，尤其是小五庄排土场，压脚方式在费用上是最省的，所需排弃的排弃物是采掘场挖掘的，基本上是免费的，所增加的费用只是压脚排弃物增加的几百米运距的费用。

抗滑桩是一种相对古老的加固方式，在锚索引入国内前，国内露天矿边坡加固基本上都是采用抗滑桩，但抗滑桩施工周期相对较长，由于边坡在施工时，会产生一定滑动，而混凝土本身需一定的养护期，可能导致桩身产生位移或裂纹，从而达不到设计的强度；抗滑桩抗滑是一种被动抗滑措施，需要产生一定的位移才能提供抗滑力，此时抗滑桩所支撑岩体本身也会发生变形，从而导致岩体强度下降，因此不能充分发挥整个系统的抗滑能力。抗滑桩抗滑是靠抗剪、抗弯能力来抗滑，而混凝土的抗剪能力并不强，因此，从材料特性上来看，抗滑桩抗滑并不经济。

锚索加固的基本原理是通过注浆将锚索与周围土体固结为一体，依靠锚索、胶结体及土体之间的抗剪强度来增加土体稳定性。它的主要功能是：①能够提供作用于滑体的抗滑力，作用方向与滑移方向相反；②锚索预应力使边坡产生压应力同时锚索能够起到加筋作用；③锚索加固过程中能够使边坡岩土体力学性能提高；④通过锚索锚固，使锚索与加固岩土体形成一个共同承担荷载的复合结构，能够有效提高岩土体的整体强度[7]。

因此，小王庄合适的加固方式为压脚和锚索方式。从费用和可靠性方面来说，最可靠的方式为压脚，最经济的方式也是压脚。因此小王庄排土场边坡治理方式首选压脚。

由于小王庄排土场下部有公路存在，极大地限制了压脚方式的空间，因此为采取压脚方式，需将这条公路改道，给压脚措施腾出空间，根据现场反馈意见，在2、3线间公路可以改道，在1、2线之间公路不能改道，为此在2、3线间可采取边坡压脚措施，而在1、2线之间则只能采取锚索抗滑措施。

由于矿山外排量较大，因此在保证小王庄排土场边坡稳定的前提下，在2、3线之间尽可能地多排弃一些排弃物，而为了保证排弃后的排土场边坡稳定，这一部分排弃物必须排弃一引些坚硬、遇水不易泥化的岩石，禁排强度较低的第四系物料，首选坚硬的砂岩、次之为含砂量较高的砂质泥岩。

为达到边坡稳定的效果，根据规范，采用压脚方式进行加固，边坡稳定系数需达到1.25以上。为此在设计过程中经多次试算，2、3剖面压脚计算结果如图6—图7。

而1、2剖面间由于没有排土空间进行压脚，则只能采用锚索加固方式进行加固。根据规范，采用锚索方式加固，边坡稳定系数需达到1.10以上。根据计算，需外加120 t/m的外力，外力方向为与水平方向呈30°。具体计算结果见图5。

4 结论

1）勘察综合运用工程地质测绘、钻探、室内物理力学试验、勘察区内现有的工程地质资料成果，对小王庄排土场边坡工程地质条件进行了分析，为边坡的稳定性评价和优化提供了基础资料。

2）查明排土场边坡弱层的层位及物质组成。小王庄排土场软弱层主要分布于排土场基底，即黄土与基岩接触面，物质组成以粉质黏土、古风化层及泥岩、炭质泥岩为主。

3）本区边坡类型为第1类松散岩二型～第2类半坚硬岩一型边坡。

4）小王庄排土场边坡可能产生的滑落形式主要为圆弧—折线滑动形式

5）小王庄排土场滑移变形规模较大，长约1 500 m，宽约500 m，高差200 m。为保证小王庄排土场边坡稳定，所需采取的工程措施规模也较大。

6）根据计算分析，2、3剖面间可采用压脚方式进行加固，同时可排弃一些剥离物，所排弃的剥离物是坚硬、遇水不易泥化的岩石。

7）由于1、2剖面之间不能采用压脚方式来加固，因此采用锚索方式来加固。

8）增高后的小王庄排土场不仅要满足业主单位生产需求，还要保证其边坡的稳定性。

图5 1剖面锚索加固边坡稳定计算分析

图6 2剖面压脚分析计算

图7 3剖面压脚分析计算

［1］ 王建国，王振伟，王来贵，等.受控于软弱结构面的矿山软岩边坡稳定性［J］.辽宁工程技术大学学报，2006（5）：686-688.

［2］ 周罕，徐则民.水对边坡稳定性的影响及防治措施［J］.工程建设，2008（2）：23-25.

［3］ 王勇.胜利一号露天煤矿沿帮排土场增高扩容边坡稳定研究［J］.煤炭工程，2012（10）：92-93.

［4］ 于庭安，戴兴国.露天矿边坡稳定性的安全因素分析［J］.矿业安全与环保，2008（1）：73-76.

［5］ 孙聚龙.渗流对边坡稳定性的影响［D］.长沙：长沙理工大学，2013.

［6］ 胡辉，姚磊华.瑞典圆弧法和毕肖普法评价边坡稳定性的比较［J］.路基工程，2007（6）：110-115.

［7］ 李凯玲，门玉明.锚索抗滑桩与岩土体相互作用研究［J］.水文地质工程地质，2006（1）：21-23.

【责任编辑：解连江】

Slope stability analysis and control of increased capacity expansion project in Xiaowangzhuang dump

LI Xiaojun
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

Through the investigation,test and back analysis methods,the article determines the physical and mechanical parameters of rock and soil in Shanxi Huarui Open-pit Mine dump slope,and analyzes external dump slope stability state,and proposes the corresponding countermeasures,in order to increase the dump slope stability state expansion.

open-pit mine;external dump;slope stability analysis;control measure;increased capacity expansion

TD824.7

B

1671－9816（2017）06－0009－05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.06.003

李晓俊.小王庄排土场增高扩容工程边坡稳定分析及治理［J］.露天采矿技术，2017，32（6）：9-12.

2017-01-03

李晓俊（1982—），男，山东烟台人，硕士，毕业于中国矿业大学岩土工程专业，从事露天矿边坡、采矿设计工作。