露天边帮废石护坡稳定性分析

汪浩浩，谢盛青，张少杰

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

0 引 言

矿山边坡的稳定性直接影响着矿山安全生产，因此其稳定性分析至关重要。潘祖瑛、李二宝使用GEO-SLOPE软件对某露天边坡的稳定性安全系数进行了计算，用于指导矿山边坡维护工作。郄永波、甘海阔基于非饱和渗流有限单元法，对超高单台阶排土边坡随着降雨历时的渗流场变化规律进行研究，并基于瞬态渗流场对排土场稳定性变化规律进行分析，结果表明降雨对内部土体的影响较小且与堆积厚度有关。文章在前人研究的基础上，以某露天矿山为例，采用GEO-SLOPE进行数值模拟分析，并提出了安全措施，为同类工程提供了参考。

1 工程概况

某铜铁矿始建于1965年，采用露天地下联合开采，2015年露天采坑闭坑，坑底标高为-111 m，闭坑后矿山全面转入地下生产。露天采坑闭坑时由于工农关系影响，导致西帮-85 m附近残留少量高品位挂帮矿未及时进行回采，并因此引起附近居民盗窃矿石行为，并在西帮内形成复杂及无法查明的民采巷道和空区，且该巷道与井下生产系统相连通。基于以上原因，矿山决定采用全尾砂胶结充填治理露天坑，随着充填的进行，坑底标高的抬高，坑内汇水水位也相应的提高，为了避免坑内汇水通过西帮民采坑道灌入井下，影响井下防汛安全，拟采用基建废石在西帮边坡上，形成一定厚度的废石护坡层，作为洪水缓冲层。

2 厚度方案确定

2.1 计算模型

计算中采用GEO-SLOPE软件中的SLOPE/W模块，SLOPE/W已经成为岩土工程界应用最为广泛的专业边坡问题分析软件。它囊括了多种计算方法(Morgenstern-Price，GLE，Spencer，Bishop，Ordinary，Janbu，Sarma，Corps of Engineering，Lowe-Karafiath)，对滑移面形状改变、孔隙水压力状况、土体性质和不同的加载方式等岩土工程问题进行分析。独特的有限元法结合极限平衡理论对边坡稳定性问题进行有效地计算和分析，也可以用参数进行随机稳定性分析。SLOPE/W软件可以分析用户在岩土工程、采矿工程和土木工程遇到的几乎所有的边坡问题。

西帮边坡分3期进行废石护坡，每一期的护坡高度为20 m，该次计算针对护坡厚度为8 m、10 m、12 m和14 m的4种情况，分别建立了二维计算模型，见图1。

2.2 计算参数

根据岩块力学参数试验结果，同时考虑岩块的尺寸效应和围岩所处环境等多方面的影响，对试验结果进行适当折减。计算采用的主要岩体力学参数，见表1。

表1 主要岩体力学参数

2.3 结果分析

2.3.1 护坡厚度为8 m时西帮边坡的稳定性

护坡厚度为8 m时自重工况下西帮边坡的稳定性计算结果见图2。护坡厚度为8 m时自重工况下西帮边坡的最小安全系数为1.408，坡顶滑移面宽度为2.32 m。

2.3.2护坡厚度为10 m时西帮边坡的稳定性

护坡厚度为10 m时自重工况下西帮边坡的稳定性计算结果见图3。护坡厚度为10 m时自重工况下西帮边坡的最小安全系数为1.405，坡顶滑移面宽度为2.34 m。

2.3.3 护坡厚度为12 m时西帮边坡的稳定性

护坡厚度为12 m时自重工况下西帮边坡的稳定性计算结果见图4。护坡厚度为12 m时自重工况下西帮边坡的最小安全系数为1.409，坡顶滑移面宽度为2.05 m。

2.3.4 护坡厚度为14 m时西帮边坡的稳定性

护坡厚度为14 m时自重工况下西帮边坡的稳定性计算结果见图5。护坡厚度为14 m时自重工况下西帮边坡的最小安全系数为1.410，坡顶滑移面宽度为2.14 m。不同护坡厚度时西帮边坡的安全系数和坡顶滑移面宽度见表2。

表2 不同护坡厚度时西帮边坡的安全系数和坡顶滑移面宽度

《有色金属矿山排土场设计标准》(GB50421—2018)第7.4.2规定：“自然工况条件下，四级排土场计算安全系数不应小于1.15。”

从表2可见，废石护坡厚度为10 m时，虽然其安全系数最小，但其坡顶滑移面宽度最大；废石护坡厚度为12 m时，坡顶滑移面宽度最小。在满足坡顶上车宽度要求的前提下，本着既能保证边坡稳定性，又不增加工程量的原则，综合考虑认为，废石护坡厚度宜选取12 m。

2.3.5 护坡厚度为12 m时自重+暴雨工况下西帮边坡的稳定性

《有色金属矿山排土场设计标准》(GB50421—2018)第7.4.3规定：“排土场整体安全稳定性应校核降雨工况。降雨工况下，四级排土场计算安全系数≥1.10。”

护坡厚度为12 m时自重+暴雨工况下西帮边坡的稳定性计算结果见图6。护坡厚度为12 m时自重+暴雨工况下西帮边坡的最小安全系数为1.120，坡顶滑移面度为3.25 m。

降雨的考虑仅仅是从孔隙水压力的角度来折算边坡系数，然而现实中，水除以孔隙压力的形式表现外，还会大大削减岩体强度如粘聚力，内摩擦角等，故在此必须指出强降雨实际情况会更加复杂，真正强降雨过程中边坡安全系数要比极限平衡分析得出的边坡安全系数要小，应注意加强相应的安全防护措施。

3 施工方案确定

露天坑西帮边坡护坡标高为-111～-40 m，采用井下基建废石进行护坡。护坡方案①：护坡工程分为3期进行，第一期护坡标高为-111～-81 m，第二期护坡标高为-81～-60 m，第三期护坡标高为-60～-40 m。每一期护坡工程完成后，先对坑内空区采用高浓度充填料浆进行充填，再进行下一期的护坡工程，护坡工程和充填工程交替依次进行；护坡方案②：护坡工程不再分期，护坡废石在-40 m平台倾倒在西帮边坡上，形成护坡层，护坡层厚度12 m。采用Geo-slope软件中的SLOPE/W模块，建立的二维计算模型见图7。不同时期露天坑西帮护坡废石堆积体的安全系数和坡顶滑移面宽度，见表3。

表3 不同时期西帮护坡废石堆积体的安全系数和坡顶滑移面宽度

从表3中可见，护坡施工方案①的一期工程在自重工况下护坡废石堆积体的安全系数较小，坡顶滑移面宽度较大，原因主要在于一期工程的护坡高度大于二期工程和三期工程的护坡高度。

护坡施工方案②自重工况下露天坑西帮护坡废石堆积体的最小安全系数为1.170，坡顶滑移面宽度为3.17 m。

对护坡方案①和护坡方案②的计算结果对比发现，护坡方案① 3个时期自重工况下的护坡废石堆积体最小安全系数均>1.3，而护坡方案②自重工况下的护坡废石堆积体最小安全系数仅为1.170；护坡方案① 3个时期自重工况下的坡顶滑移面宽度也均小于护坡方案②。另外，护坡方案①每一期护坡后，对露天坑空区紧接着进行充填处理，也有利于露天坑西帮边坡的稳定。因此，护坡方案①优于护坡方案②。

4 结 语

(1)露天坑西帮边坡废石护坡厚度分别为8 m、10 m、12 m和14 m时，在自重工况下的安全系数依次为1.408、1.405、1.409和1.410，坡顶滑移面宽度依次为2.32 m、2.34 m、2.05 m和2.14 m。废石护坡厚度为10 m时，虽然其安全系数最小，但其坡顶滑移面宽度最大；废石护坡厚度为12 m时，坡顶滑移面宽度最小。在满足坡顶上车宽度要求的前提下，本着既能保证边坡稳定性，又不增加工程量的原则，综合考虑认为，废石护坡厚度宜选取12 m。

(2)露天坑西帮边坡废石护坡厚度为12 m时，在自重+暴雨工况下的最小安全系数为1.120，坡顶滑移面宽度为3.25 m。该工况下西帮边坡的最小安全系数接近1.10，雨季应加强管理，及时对露天坑进行充填。

(3)通过对露天坑西帮废石护坡2种施工方案的对比分析发现，分期护坡优于一次护坡。

(4)为了进一步确保露天坑西帮边坡的安全性，现场应加强相应的安全防护措施，包括设置可靠的截流、防洪、排水措施；设置路堤或干砌拦石堤等和监测技术手段。