基于协同理念的排土场边坡稳定初析

吕林洪，许 波

(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650000；2.中国铜业有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

露天矿山排土场是堆放剥离废岩(土)的场所，其稳定性既是一个关系到矿山安全生产的技术问题，又是一个关系到人员生命财产的安全和环保问题。对于一个稳定的系统而言，它的各个系统都是遵循一定的方式协同有次序的运动，即协同发展具有规律性。然而对于露天矿山边坡非线性的复杂的开放系统，由于其本身规律的不确定性、模糊性和复杂性使得技术人员对协同作用认识不足或缺少认识。由于系统协同发展是有规律的，当土场边坡系统内部组成部分出现不配套、不和谐可能使得协同作用减弱或超出了协同的范围，削弱了系统的协同程度。系统中某些参数的渐变将可能导致系统的突发失稳，致使出现了排土场边坡的局部坍塌、整体失稳等地质灾害现象，也就是削弱了系统的协同程度，从而打破原有的平衡破坏系统的协同。因此，进行排土场边坡系统协同稳定的研究从而避免不协同带来的地质灾害地或土地资源的浪费是十分有必要的。

众所周知，排土工程是矿山生产的伴随过程，它不产生直接的经济效益，但如果排土场边坡发生失稳垮塌超出系统协同稳定范围，将会导致矿山大系统的协同出现矛盾，轻则使矿山承受经济损失，重则影响矿山生产正常运行。排土场是矿山连续生产的一个重要环节，分析排土场边坡失稳机制，研究排土场边坡体协同稳定状态对矿山安全生产至关重要。

边坡防治工程措施的设计与实施是岩土工程研究的重要内容，它是一套复杂而严密的系统工程，行之有效的设计和施工方案，必须建立在对边坡体结构特征、几何形态及坡体变形破坏形成演化机制进行系统分析的基础之上。鉴于露天排土场在矿山生产中的重要地位，文章依托某一具体排土场工程实际，从协同角度出发，考虑边坡变形和破坏由内外因综合作用的结果，采用极限平衡和数值仿真模拟方法对该土场边坡进行了稳定性初析，从而为排土场稳定状态提供理论支撑，保证矿山安全生产并实现效益最大化。

1 工程概述

排土场坝体轴线部位处侵蚀凹地收敛地段，坝体2侧均为厚层状弱风化的石灰岩，岩层呈弱风化，强度较高。排土场堆置高度94 m，总容量80万m3，边坡坡比1：1.7，分为2个台阶，第一台阶堆置高程1 570 m，安全平台宽6 m，第二台阶堆置高程1 615 m。拦渣坝为M10水泥砂浆砌石坝，坝顶标高1 550 m，基础标高1 521 m，最大坝高H=29 m(不含清基)，坝顶宽B=3 m，坝体内外坡比均为1：0.5。该排土场堆弃物料主要为采场剥离的弃石土，结构疏松，呈散体状结构，系统协同性较弱，其典型工程地质剖面图见图1。

2 边坡安全系数规范规程要求

所谓稳定性系数是沿滑动面的抗剪强度与其上的剪应力之比，是客观存在的，可计算出。安全系数则是稳定性系数的一个阀值，它是参考分析对象的重要性、危害性以及使用时间、参数的不确定性等人为确定的一个系数，严格地讲安全系数是稳定性系数中的一个点值。稳定性系数是用定值法表示的实际具有的安全储备，安全系数是用定值法表示的要求达到的安全储备，是为稳定性系数设定的标准。

《冶金矿山排土场设计规范》(GB51119—2015)中说明，安全稳定性标准应根据排土场等级和计算工况确定。自然工况下(重力、稳定地下水、正常施工荷载的组合)，当排土场等级为三级时，排土场整体安全稳定性标准为1.15～1.20，排土场下游存在村庄、居民区、工业场地等设施时，相应区域排土场安全标准应取上限值；排土场整体稳定性在降雨及地震工况下可在自然工况的标准下降低0.05，最低安全系数不低于1.10。

安全系数是滑坡治理工程设计的重要参数，对安全系数的确定应从滑坡滑动可能造成的后果，治理工程措施目的，地表建筑物的重要性，对滑坡性质、滑动因素、滑体和滑带岩土结构和强度等因素掌握的准确程度，控制滑坡发展的把握性及其工程修复的难易程度等方面综合考虑。一般来说，对于规模较小、变形较快且易于查清性质的滑坡，安全系数值可取小值，而对于危害较大，滑动后可能产生严重后果，或对滑坡的了解程度不够深入时，安全系数可以适当取得大一些。

因此，基于排土场失稳对周边环境的影响程度、范围和该排土场边坡的工程特点，按照适度变形设计原则，允许部分破坏思想理念，以满足矿山经济性与安全性兼顾的要求并结合上述各规范对边坡安全系数的要求，同时结合《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2013)《和滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T029—2006)，确定该排土场边坡在天然(自重)工况下边坡安全系数取值为[FS]≥1.20，考虑地震、降雨工况下取值为[FS]≥1.15。

3 极限平衡法下的边坡协同稳定分析

3.1 理论基础

极限平衡法的基本思想是假定边坡沿岩土体内某一确定的滑面滑移，根据静力平衡原理和摩尔-库仑破坏准则计算沿该滑裂面滑动的可能性，即安全系数FS的大小，从中选取多个可能的滑动面，并计算相应的安全系数大小，安全系数最小值对应的滑移面就是最可能发生滑动的面。极限平衡法中的安全系数定义为不断衰减岩土体的剪切强度指标到C′/FS和tanΦ′/FS，使滑面(圆弧面或非圆弧面)整体达到极限平衡态时的强度折减系数即为边坡稳定安全系数FS。目前极限平衡法主要有瑞典圆弧法，毕肖普法，Janbu法，Sarma法，Spencer法和Morgenstern-Price法等。各种方法不同之处在于相邻土条间的内力假定条件不同，使超静定问题变成静定问题。

结合《冶金矿山排土场设计规范》(GB51119—2015)，当排土场表现为内部进程圆弧破坏时，可采用Morgenstern-price法、Bishop法、Spencer法或强度折减法；当破坏模式为沿表土-基岩或排土体-地基的折线破坏时，可采用传递系数法、Janbu法或强度折减法。因此，采用了基于极限平衡理论的Bishop法、Spencer法和Morgenstern-price法对该排土场的稳定状态进行了初步分析。

3.2 边坡稳定计算结果分析

建立该排土场稳定性分析2D模型并用极限平衡法对不同工况下的排土场边坡稳定性进行了计算，得到最危险滑移面位置和安全系数，计算结果见表1。鉴于篇幅所限，该文只列出了降雨工况下Bishop法的计算结果云图，见图2。

表1 不同工况下排土场边坡稳定计算结果

计算结果表明：由表1看出不同方法计算得出的排土场边坡最危险滑移面稳定性系数只有在天然工况下大于规程要求的安全系数，在考虑外部地震荷载和降雨作用下边坡体安全稳定性系数均存在不同程度的衰减，已不满足规范要求超出了协同稳定范围；由计算云图发现，最危险滑面表现为贯通整体的滑移，因此应对该土场边坡采取一定的防护措施以防止其失稳产生地质灾害。

4 强度折减法下的边坡协同稳定分析

4.1 强度折减法原理

极限平衡法同强度折减法的安全系数具有相同的物理意义，强度折减法在本质上与传统的极限平衡法一致，且实际中许多边(滑)坡的发生常常是由于外界因素引起岩土体强度降低所致，而强度折减法的提出使得采用数值分析手段计算安全系数成为可能。连续介质快速拉格朗日法(FLAC)具有使用强度折减法求解安全系数的功能，不仅可以得到复杂边坡的安全系数，而且容易通过临界状态的剪应变和节点速度判断出滑动面的位置，所以越来越广泛地应用到工程实际中。

Duncan(1996)指出边坡安全系数可以定义为使边坡刚好达到临界破坏状态时，对土的剪切强度进行折减的程度。这种强度折减技术应用到有限差分中可以表述为：保持岩土体的重力加速度为常数，通过逐步减小抗剪强度指标，将c，φ值同除以折减系数Fsr，得到一组新的强度指标c′，φ′，然后进行有限差分分析，反算及计算直至边坡达到临界破坏状态，此时采用的强度指标与岩土体原有的强度指标之比即为该边坡的安全系数Fs，公式如下。

(1)

(2)

式中：

c和φ—岩土体的抗剪强度；

ce和φe—折减后保持坡体稳定的极限抗剪强度；

Fsr—强度折减系数。

4.2 强度折减计算结果分析

剪应变率等值线表示剪切破坏面，即边坡变形潜在滑坡破坏面的位置，见图3。

通过FLAC2D进行验算后，安全稳定性系数在天然、地震、降雨下分别为1.24、1.12和1.15，只有天然工况满足《有色金属矿山排土场设计规范》要求，在降雨、地震荷载作用下边坡稳定明显降低，剪切等值线已从坡脚贯通到坡顶，滑动区域增大，排土场边坡存在较大的安全隐患超出安全协同范畴。

5 排土场边坡综合分析与治理

5.1 与slide极限平衡对比分析

运用极限平衡法和数值仿真模拟法计算了各种工况下排土场边坡稳定情况，计算结果相互验证，可提供趋于合理的结论，为排土场稳定提供理论依据。对比极限平衡法计算的结果发现，最危险滑动面基本吻合，两者所得的安全系数非常接近，最大误差不超过3 %，表2给出了2种方法不同工况下的安全稳定性系数。

表2 不同方法所得排土场边坡最小安全稳定性系数表Tab.2 Minimum safety and stability coefficient of waste dump slope obtained by different methods

鉴于上述分析，通过极限平衡和有限差分强度折减得出：边坡在现状下满足协同稳定，安全储备较大，但考虑降雨、地震作用于排土场时，打破了系统内部各子系统之间平衡，而系统内部通过非线性机制作用改变应力分布状态、改变结构产生协同现象，使系统形成具有一定功能的自组织结构，宏观上产生时间结构、空间结构或时空结构，在非平衡态下出现新的有序态而超出边坡协同稳定范围，未达到矿山排土场的安全要求，需对排土场边坡进行适当整治。因此，为保证排土场安全运行应从该排土场边坡可能发生滑坡作用机理出发从控制工程、抑制工程角度进行有效防治。

5.2 设计、治理原则与理念

考虑排土场工程安全威胁主要是上部排土平台工程机械和坡脚下游范围内的村庄、设施等。排土场散体未经分层和碾压控制，堆排时必出现较大的沉降变形和裂缝，导致局部垮塌和小范围台阶滑坡，对于这一部分对边坡体产生的灾害，不可能限制其变形，也没必要。因此，基于该排土场对周边环境的影响程度和范围，考虑排土体与地基基础的协同作用，按照适度变形设计原则，允许部分破坏理念思想，以满足矿山经济性与安全性兼顾的要求。

滑坡失稳是多因素综合作用的结果，但对于某一特定的滑坡总存在对滑坡发生起关键控制作用的因素，因此，对于失稳滑坡应根据滑坡失稳缘由采取主要工程措施消除或控制其发展进而稳定滑坡，对其他因素采取一般性辅助措施达到综合性治理。

5.3 排土场安全运行治理方案

5.3.1 控制工程

(1)完善泄洪系统。鉴于该地区降雨集中且强度高，可在外围设置多道截水沟以拦截附近的地表水，对于滑坡区域修设排水系统，疏导地表及地下水，防止其渗入滑坡体内而削弱岩土体抗剪强度指标以及增大坡体的下滑力，同时根据工程地质勘查，雨季地下水的影响程度考虑设置盲沟、暗涵等排除地下水最大程度降低降雨对边坡稳定的影响。

(2)削方减载。削坡减载是治理滑坡常用的方法之一，常用于治理处于“头重脚轻”状态而在前方又没有可靠抗滑地段的滑体。最经济、最合理的削坡处理措施，应该是在获得滑坡段滑坡推力及剩余滑坡推力的基础上，按设计工况条件下滑坡体剪出口处的剩余下滑力来确定削坡位置及其规模。所谓“减重”是指在滑坡体的上部牵引段和部分主滑段产生剩余下滑力的部分挖去一部分滑体岩土，以减小滑体重量和滑坡推力的工程。即减少滑坡体的体积，改变坡体的几何形态，从而减小滑坡的下滑推力，使滑坡体坡面形成规则的稳定坡面形态，或将第二台阶做成两个平台降低排弃高度，从而提高排土场的安全稳定性系数。

5.3.2 抑制工程

建议对排土场坡脚坝体进行相应的加固措施(注浆、抗滑挡墙、预应力锚索等)，从而增加抗滑力，控制排土场边坡的滑移。

6 结 语

通过对该排土场边坡稳定性计算分析，极限平衡和数值模拟结果表明，目前排土场边坡在降雨、地震荷载下表现出不稳定的因素，存在滑坡失稳的趋势，超出了协同作用的范围。该排土场边坡破坏滑坡失稳表现为推移式，滑动面不深且具有上陡下缓形态，可采用削坡减载、排水等控制工程改变滑坡体的物理力学特性，从而减小下滑力进而削减支挡工程数量、节省投资，也为施工安全创造了条件，同时与注浆、挡土墙、桩工程等抑制工程相结合，增加抗滑力，同时结合土场区域工程水文地质条件和外在因素进行滑坡综合防治，实现经济安全最大化，以达到稳定滑坡的目的。