某高台阶排土边坡不同失稳模式下稳定性分析

吴 丹 叶尔江·多力达西 郄永波 张 宇

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.新疆维吾尔自治区阿勒泰地区应急管理局，新疆 阿勒泰 836300)

排土场是矿山开采过程中所产生的废石等废弃物的集中排放场所，开展排土场边坡稳定性研究，以确定排土场的合理结构参数，具有十分重要的意义。目前，随着国家对矿产资源的需求量急骤增加、排土场的高度也不断增高，针对高台阶排土场自身特点的稳定性研究的方法，国内外学者进行了大量的研究。排土场稳定性分析方法应用最广泛的是刚体极限平衡法，该方法忽略滑坡体的内部变形，认为其为不可变形的刚体，假定滑体处于极限强度状态，在长期的实用中积累了大量的经验，形成了一套定量评价安全系数的标准。许志中等[1]分析了歪头山上盘排土场加高后多种状态下的稳定性，选取排土场的变形破坏模式和安全系数限值,通过Bishop法、Janbu法进行了稳定性计算；汪海滨等[2]对某矿山排土场工程实例进行研究，指出排土场稳定性的关键在于排土场地基-排土体相互作用下的系统空间效应和自身组构特征分层效应；许畅[3]利用传递系数法的原理，结合某排土场工程实际，进行排土场整体稳定性的计算；陈久利等[4]针对安太堡露天矿内排土场边坡运用SLIDE软件，对不同工况下边坡强度稳定性进行对比分析，指出在降雨或地震的作用下排土场边坡稳定系数明显降低，特别是在降雨条件下局部危险滑动面可能发生贯通，边坡存在整体失稳的可能；张勇[5]针对金牛矿业公司排土场建设过程中出现的台阶大量沉降变形、坡脚蠕动、局部滑坡等失稳现象进行了分析，就构成排土场失稳的因素进行了探讨。本文通过对某高台阶排土场不同滑动模式进行分析，针对不同模式下选取不同稳定性分析方法进行稳定性对比分析，揭示了高台阶排土场稳定性滑动模式及规律，对类似工程研究具有借鉴意义。

1 排土场边坡失稳模式及计算方法

排土场边坡稳定性分析一般采用极限平衡法，针对排土场边坡不同破坏模式，选择不同的稳定性计算方法[6]。基于对国内外露天矿山排土场的综合调查分析[7]，排土场潜在失稳模式有三种：沿排土体-原始山体表面接触带滑坡、排土体内部近程滑动、排土场基础滑坡。沿排土场堆置的基底表面-原始山体表面接触带产生的滑坡，主要控制因素是基底表面倾角及其与排弃物之间的强度指标差异，当排土体和地基接触带抗剪强度小于排土场物料本身的抗剪强度，则构成堆石体滑体的滑动面，产生沿基底表层的顺坡向破坏。排土本体(内部)近程滑动及排土场基础滑坡，指地基岩层相对稳定，而散体岩石力学性质相对弱，排土堆高到一定程度后，外荷载作用(如继续堆载或排土设备加载)下，地基沉陷，诱使排弃物压密变形增大，处于极限平衡后，排土场后部一定范围内，由于自重先期压实沉陷而形成的主动楔形区，在其他外力及降雨等因素的诱发下，下部阻挡被动楔难以支撑，导致排弃物料内部滑坡。排土场基础滑坡指排土场地基较为软弱，或地基含软弱层或正断层时，加上水、过载或边坡过陡等因素而导致，在上部土场作用下产生滑移和底鼓，进而牵引上部土场滑坡。在排土场形成过程中，随着排弃高度的不断增加，排弃物料的重力增大，基底土层持力层厚度亦随之加深，当排弃物达到一定水平时，基底持力层遇有连续性好、强度低的黏土软弱带或软塑带，软弱带被挤压产生塑性流动挤出，下部基底隆起剪切而产生破坏。

当排土土体(内部)发生近程滑动及排土场基础滑坡，滑动面基本为圆弧形破坏模式，可采用Morgenstern-Price法、Bishop法、Spencer法进行分析；当破坏模式为沿表土-基岩界面或排土体-地基界面折线破坏时，可采用余推力法[7-8]；当破坏模式为沿表土-基岩或排土体-地基的单一平面破坏时，可采用传递系数法。

2 工程概况及计算模型

2.1 地质剖面

国内某排土场等级为一级，现状堆置高度为126 m，共分4级台阶，台阶坡面角37.5°，台阶高度自下而上分别为22、16、38、50 m，安全平台宽度为30 m。根据钻探资料揭露，主要地层为侏罗系九佛堂组泥质灰岩(J3jf)、第三系辛集组砾岩和泥岩(E2X)和第四系人工堆积物(Qr)，区域设防烈度为7度。排土场边坡地质剖面如图1所示。

图1 排土场边坡地质剖面图Fig.1 The geological section of the waste dump slope

2.2 计算工况及参数

排土场稳定性计算工况应根据重力、降雨及地震影响，分为自然工况、降雨及地下水工况、地震工况[7]。结合排土场基岩剖面图及力学参数，将基岩概化为泥质灰岩，使得岩体工程稳定性分析结果更接近于现场实际情况。排土料及地基土层物理力学参数如表1所示。

3 不同失稳模式下边坡稳定性分析

3.1 模式一：排土体内部近程抗滑稳定性分析

对于该排土场排土本体近程抗滑稳定性，本研究采用Bishop法、Morgenstern-Price法及Spencer法进行了排土场整体安全稳定性分析，得到的边坡稳定安全系数如表2所示。根据表2计算结果，该排土场边坡整体稳定性在自然工况、降雨工况、地震工况下最小安全系数分别为1.428、1.344、1.214，均满足规范要求。对比来看，三种计算方法得到安全系数滑动模式及安全系数均比较接近，考虑Morgenstern-Price法同时满足力和力矩的平衡，以Morgenstern-Price法得到的最危险滑动面为例，滑动模式主要发生在排土边坡内部，其中最危险滑动面为深层滑动，滑入点位于坡顶附近，滑动面穿过排土体从坡脚滑出，如图2所示。

表2 模式一排土边坡稳定安全系数Table 2 Safety factor of slope stability of mode Ⅰ

图2 失稳模式一下滑动面Fig.2 The sliding surface of mode Ⅰ

3.2 模式二：排土体-地基界面抗滑稳定性分析

当排土场基底出现倾角与坡面近似平行的局部陡坡、且排土料与基底之间存在强度指标较低的接触带时，可能引发排土体-地基界面的滑动破坏。排土场形成初期主要排弃表土，强度相对较低、结构相对疏松，大气降雨后易形成排弃物与基底表层土的渗透差异，水易沿着基底表面滞流，浸润后软化、强度低。且排土场外围西北侧和南侧内部沟谷部位有少量薄层第四季残坡积土，主要由碎石、黏土组成，厚度约1～2 m。当排土体和地基接触带抗剪强度小于排土物料本身的抗剪强度时，可能产生沿基底表层的顺坡向破坏。排土场整体可能沿基底滑动情况下，将计算剖面根据地形和排土边坡线划分为23个滑块，采用余推力法计算失稳模式二下排土场整体稳定性，计算结果如表3所示。计算结果表明，剩余下滑力为0时，自然工况、降雨工况和地震工况下的安全系数分别为1.664、1.495和1.439，均满足规范要求。该失稳模式下，边坡稳定性安全系数受地表坡度倾角影响较大，排土体-基础界面抗滑稳定安全系数随着地表坡度倾角变大而减小。

表3 模式二排土边坡稳定安全系数

图3 失稳模式二下滑动面Fig.3 The sliding surface of mode Ⅱ

3.3 不同滑动模式对比分析

通过失稳模式一和模式二计算结果对比分析，对于高台阶排土场，当基础存在薄弱覆盖层、自然地形较陡的情况下，需重点考虑沿排土本体(内部)近程滑动模式与沿排土体-地基界面滑动模式。针对本次分析不同失稳模式下稳定性计算结果，该排土边坡模式二下边坡稳定系数大于模式一，说明排土边坡的滑动模式仍以内部滑动为主。

4 结论

1)对于高台阶排土场边坡，当基础存在薄弱覆盖层、自然地形较陡时，应考虑不同失稳模式，沿排土体内部近程滑动和沿排土体-地基界面滑动均为潜在可能失稳模式。

2)排土物料均匀的高台阶排土场边坡，内部近程滑动模式为贯穿排土体的圆弧滑动面，稳定性选用同时满足力和力矩的平衡的计算方法，排土体-地基界面滑动模式为沿着基底折线滑动面，稳定性计算选用余推力法，分析不同失稳模式下边坡稳定性有助于全面了解排土场边坡安全状态。