软基排土场稳定性分析与工程应对措施

林远航 熊齐欢

(1.紫金矿业集团股份有限公司紫金山金铜矿；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;3.金属矿山安全与健康国家重点实验室)

排土场是露天采矿场用于堆积废石围岩的场所，由于经济原因，排土场选址应尽量毗邻采场，从而可以节省废石运输成本，与此同时，所选排土场场址应具备容纳矿区废石的空间，合理的场址还需考虑周边工程与水文地质条件、生态环境、人文景观等因素[1]。在诸多因素的限制下，有时排土不得不面临其他不利因素，紫金山金铜矿北口排土场便面临着坡脚软基问题。紫金山金铜矿北口排土场设计标高为400～820 m，单台阶高度为30 m，总设计容量高达2.8亿m3，属于国内屈指可数的特大型排土场之一[2]。该排土场设计坡脚位于山地沟谷处，在堆排过程中，上游的雨水冲刷与侵蚀不断带走了采场中的细颗粒,并沉积在沟谷坡脚处，由于历史原因，该区域已经形成了厚度超过50 m的淤泥质土，如图1中的软土层所示。排土场640 m有一个超宽平台，将排土场分为上下两部分，本文针对640 m以下的底部排土场进行研究，分析坡脚软基对排土场稳定的影响，提出合理的工程治理措施,使其稳定性符合安全要求。

图1 排土场剖面

1 排土场地下渗流场与降雨入渗

大气降雨是地下水的主要来源，排土场作为人工废石堆积体，本身也是大气降雨的滞水蓄水体[3]。通过大气降雨，排土场内部渗流场不断发生变化，边坡体中的水储量和水荷载也不断发生变化，内部形成了动态饱和带与非饱和带，当边界排水条件不畅而降雨持续时间很长时，甚至引起地下浸润线的抬升，这也是导致排土场地下渗流场发生季节性变化的原因[4]。

降雨形成的暂时蓄水对排土场内部颗粒有2种作用形式，在饱和区域主要以正孔隙水压的形式存在，该压力减小了排土场内部颗粒的粒间有效应力，使得颗粒间的分离变得更加容易；在非饱和区域或饱和区域边界处，往往形成了负孔隙水压力，也称为基质吸力，根据有效应力原理，该压力增加了内部颗粒的粒间有效应力，使得颗粒间的联系更加紧密，有利于排土场边坡的稳定，因此，孔隙水的性质与散体强度和边坡稳定有较大关系。

根据紫金山金铜矿所在区域的水文气象资料，历史上最大持续降雨时间超过10 d，最大降雨量为242 mm/d，根据该资料确定数值模拟边界条件q=2.8×10-6m/s。

在降雨入渗分析前，应分析原有地下渗流场，根据排土场工勘地质资料，排土场内部稳定水头h1=502 m，未降雨时库区水位h2=446 m，结合各成分的渗透性系数(表1)，得到未降雨状态下的稳定渗流场(图2)，持续降雨10 d后地下渗流场见图3。

从图2、图3可以看出，在持续降雨时排土场表面形成一层饱和层，该饱和层的厚度与降雨的持续时间、降雨强度、排土场渗透性以及排渗条件有关。

表1 不同岩层物理力学参数

图2 未降雨时稳定渗流场

图3 降雨10 d后渗流场

在稳定性分析时饱和层中堆排散体的容重不再是天然容重，而是饱和容重，直接增加了滑体的重力，增加了边坡失稳风险，这也是降雨容易诱发排土场失稳的主要原因。在排土场坡脚块石棱体中，稳定水位线由原来的446 m提升至463 m，库区水位升高使得更多堆排散体处于饱水状态，其强度急剧降低，稳定性也会发生变化。

2 排土场稳定性分析

在渗流分析的基础上，根据表1中各岩组的物理力学指标，采用极限平衡法对排土场进行稳定性分析，未降雨、持续降雨10 d后的稳定性结果见图4、图5，持续降雨期间边坡最小安全系数的变化情况见图6。

图4 未降雨时最小安全系数

图4～图6计算结果表明，原设计中不论什么状态排土场最小安全系数均小于1，即排土场坡脚不稳定。同时，随着降雨时间的持续，边坡最小安全系数呈现先增大后减小的趋势，这主要与土体中含水量有关，当排土场中体积含水量较小(不饱和状态时)，堆排散体内部形成较大的基质吸力(图7)。当排土场的体积含水量低至残余含水量时，基质吸力约1 000 kPa，大大增强了堆积体内部颗粒间的挤压作用，也提高了堆积体的力学强度，因此，稳定性有所增加。但是随着饱和带的不断增厚，更多堆积体处于饱和状态，散体内部基质吸力不断降低，稳定性也逐渐降低，因此，总体呈现了安全系数先增加后减小的趋势。

图5 降雨10 d后最小安全系数

图6 最小安全系数随持续降雨时间曲线

图7 散体饱水状态与基质吸力关系曲线

3 工程应对措施

从最危险滑面形态可以看出，滑动面底部主要位于坡脚软基之中，即软基是导致排土场边坡稳定性欠缺的非常重要的因素，因此，必须对该软土层进行硬化处理。同时，滑动面深度较大，需利用块石棱体对软土层进行压坡处理，利用块石重力增强滑动土体的抗滑力；块石棱体质量大、透水性强，容易对软土进行挤压置换作用，增强软土强度；块石棱体中的大孔隙成为软土的排水通道，可以促进软土的压缩固结与强度提高。

排土场坡脚工勘报告显示，当上部堆载块石厚度为60 m时，即1 320 kPa固结压力时，软土层强度参数有较大提升，根据固结后试样试验结果，内聚力C由固结前的11 kPa提升至80 kPa，内摩擦角由固结前的10°提升至14.5°。

针对原设计坡脚稳定性不足的问题，对排土场坡脚进行块石压坡脚和软基处理，块石堆载标高由原来470 m提升至500 m，同时对坡脚软土层进行打碎石桩预压固结，预压荷载为1 320 kPa，处理厚度分别为0，10，15，20，25和30 m(图8)，在连续降雨条件下，其稳定性结果见图9。

图8 工程治理剖面

在持续降雨条件下，考虑周边爆破震动荷载，当坡脚处理深度不大于25 m时，其最小安全系数小于1.15，不能满足规范要求。当坡脚处理深度为30 m时，其最小安全系数为1.153，略高于排土场规范要求下限值。

不同碎石桩深度的最小安全系数曲线见图10。可以看出，随着碎石桩深度的提高，最小安全系数逐渐增加，增加趋势近似直线，其直线拟合方程为

fs=0.0018h+1.099 1 ,

式中,fs为最小安全系数；h为碎石桩深度，m。

按照规范要求，最小安全系数不应小于1.15，因此，令fs=1.15，可计算出最小基底处理深度为28.3 m，即碎石桩最小深度为28.3 m。

4 结 论

(1)长时间降雨是诱导排土场边坡失稳的重要外因之一。短期的降雨入渗作用会引起排土场散体颗粒间的负孔隙水压力，从而增大散体颗粒间的有效应力和强度，因此，排土场稳定性呈增加的趋势，但是随着降雨持续时间的增加，排土场表层所形成的饱和层不断增加，边坡发生破坏的风险不断增加。

(2)软基是导致原排土场坡脚不稳的重要因素。紫金山金铜矿排土场坡脚处于软基之上，原设计边坡在各种降雨条件下均不能保持边坡的稳定状态，必须进行工程处理方可排土堆载。

(3)通过碎石桩和堆载的方法可以有效解决紫金山金铜矿北口排土场坡脚不稳的情况。当排土场坡脚采用块石堆积60 m，碎石桩深度不小于28.3 m时，排土场在区域最大持续降雨条件下，排土场最小安全系数仍符合规范要求。

图9 坡角不同处理深度时最小安全系数

图10 不同碎石桩深度的最小安全系数曲线