多雨地区米拉多铜矿南排土场稳定性研究

盖仕锋 张思佳

（1.中铁建国际投资有限公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司）

排土场是矿产开发中排放固体废物的重要场地，而散体堆积形式的排土场在降雨条件下极易发生滑坡等失稳破坏，从而对矿山安全生产造成威胁。降雨是引发滑坡的最主要因素［1］。降雨后，排土场中地下水位上升，导致排土场中岩土体重度变大、抗滑力减弱；在非饱和土质边坡中，降雨入渗作用下土体基质吸力减弱，强度降低；降雨后土体饱和度增加，部分土质排弃物产生塑化，易形成软弱夹层带；同时降雨形成表面径流冲刷坡面，产生排土场滑坡、泥石流等［2-4］。因此，本研究以米拉多铜矿南排土场为例，研究降雨对排土场稳定性影响，并提出相关的建议与意见。

1 排土场工程概况

研究区排土场总体属于山麓斜坡堆积地貌，多堆积有采矿场地开挖平整阶段形成的弃土，排弃物料多为粉质黏土及碎石，堆料总体边坡角为19°左右，坡度较缓，植被较发育。

根据现场勘察相关资料，排土场地层基岩以中风化的花岗闪长岩为主，上覆为含漂砾粉质黏土的冲洪积层，最上部为人工填积土石排弃物。排土场所在地区为湿润性赤道气候，降雨充沛，矿区年平均降雨量1 855 mm（海拔820 m），采矿场区年降雨量2 300 mm，矿区纪录的日降雨量最高为98 mm。地下水主要有赋存于第四系粉质黏土含漂石的空隙中的上层滞水，以及赋存于花岗闪长岩基岩裂隙中的基岩裂隙水。排土场边坡典型剖面见图1。

1.1 排弃物及原始场地基础岩土层物理力学性质

通过土力学实验，对米拉多铜矿南排土场地层岩土各项物理力学性质经测试后，结果如表1所示。

2 降雨条件下排土场稳定性研究

采用Slide 软件对排土场安全系数进行计算，主要对降雨引起的边坡渗流变化导致的边坡隐患进行研究，假设坡面接收降雨后直接入渗至土体，未渗入降雨形成表面径流流出，排土场表面无积水。根据Van-Genuchten模型［5］：

式中，Se为饱和度；h为压力水头,m；α、m、n均为经验系数，其中m=1-1/n，0＜m＜1；K为渗透系数,m/d；Ks为饱和渗透系数。

对排土场上层非饱和含漂石粉质黏土及土质排弃物渗透系数进行计算，渗透系数及水土特征曲线如图2、图3所示。

在米拉多铜矿地区，单日降雨量最高达到98 mm。在雨量相同的情况下，降雨时间越长，边坡稳定性越低［6］。为了研究极限状态下排土场稳定性，以最大降雨量设置降雨4 d，总降雨量为392 mm。为研究在不同形式降雨工况下的排土场稳定性，在降雨总量确定的前提下，根据实际降雨情况，参考前人研究结果将降雨形式简化如图4所示3种类型［7］。

在Ⅰ型降雨中，降雨强度恒定，连续降雨4 d 后停止；Ⅱ型降雨属于降雨强度逐渐增大的递增雨型，在4 d 内逐渐到达顶峰，并于第4 d 停止；Ⅲ型降雨属于突发性暴雨，降雨强度递减雨型，逐渐减小直至第4 d停止。

3 稳定性计算结果

3.1 降雨条件下排土场渗流场

降雨前排土场渗流的初始状态如图5所示，地下水位较深，对上部较软弱的粉质黏土含漂石层及排弃物层影响较小。

从图6可以看出在Ⅰ型降雨过程中，在1～2 d中，由于表面土体不饱和，降雨存在入渗情况，表面水位较浅，地下水位上升；在3～4 d 时，土体饱和，水位线与坡面线重合，地下水位基本变化较小，这说明在土体饱和后，大部分降雨以径流形式从表面排走。

同样，从图7可以看出，Ⅱ型降雨过程中，由于Ⅱ型降雨先期降雨量较少，土体饱和速度慢，1～2 d中表面水位线较Ⅰ型降雨深，在3～4 d 中同样因为土体饱和使得水位线与坡面线基本重合，地下水位情况与Ⅰ型降雨基本相同。

图8 可以看出，在Ⅲ型降雨中，由于前期降雨量较大，在1～3 d 内，地下水浸润线基本与坡面线重合，此时大部分降雨通过径流形式从排土场坡面排走；在4 d 时，水位出现降低，坡面径流降低。而地下水位变化与前2种基本相同。

3.2 简化Bishop法计算结果

在排土场稳定性研究中，采用Slide 软件，自动搜索安全系数最小的推测滑移面的形式，利用简化Bishop 法对排土场稳定性进行计算评价。排土场土质表层渗透系数较高，降雨影响较大，各雨型计算结果中推测滑动面如图9所示，推测潜在滑动面主要集中于排土场浅表层人工堆填土质排弃物，在未降雨时，推测滑动面处于边坡上部较陡位置，且失稳状态影响较小。随着降雨量增多，潜在滑动面基本处于相同位置，为土质排弃物与下部粉质黏土含漂石接触面，这表明降雨对松散堆积的土质排弃物稳定性影响极大。

不同类型降雨排土场边坡稳定性如图10所示。

3.3 综合分析

（1）从计算结果可以看出，结合渗流场变化，3 种雨型状态下，随着降雨量增加，排土场最小安全系数均降低，且安全系数在1 d 后即有明显下降，推测是由于降雨初期土层含水量较低，渗透系数较高，降雨后地下水位上升较快，导致土层物理力学参数变化较大，抗滑力迅速减小，当降雨量增多，土体逐渐饱和，渗透系数减小，大部分降雨成径流排走，地下水位基本不变，抗滑力减小程度较小，安全系数减小幅度较小。同时，降雨量相同的情况下，各雨型安全系数相差不大。

（2）对比Ⅰ、Ⅲ型降雨，Ⅲ型降雨安全系数在降雨前1～3 d 内小于Ⅰ型降雨，而当强度较小的第4 d，安全系数大于Ⅰ型。对比2种降雨情况，Ⅲ型降雨前期强度大、降雨量大，可以看出，此类短期强降雨对排土场的稳定性影响较大。

（3）在3种类型降雨中，Ⅱ型降雨下1～2 d内排土场安全系数均较Ⅰ、Ⅲ型大，Ⅱ型降雨前期强度较小，降雨量小，对排土场影响相对较小，安全系数大，随后土体逐渐饱和，入渗条件较差，降雨形成径流排走较多，3～4 d内安全系数较小。随着雨量增多，安全系数减小较多。

4 结论与建议

（1）降雨在排弃土体非饱和情况下入渗较快，能迅速降低排土场安全系数。

（2）降雨对排土场稳定性影响较大，包括降雨类型与降雨量，其中短期高强度降雨对排土场影响最大。

（3）降雨对排土场安全服务有严重的不良影响，米拉多铜矿地区需要对排土场设置合理有效的排水系统，同时做好短时强降雨预防工作，如铺设土工布等防渗材料，减少降雨入渗，提高排土场边坡稳定性。