降雨工况下银山矿百岭湾排土场稳定性评价

涂欣强，杨朝云，周鹭，陈斌，李立华，刘秋

(江西铜业集团银山矿业有限责任公司，江西 德兴市 334201)

0 引言

排土场是矿山生产过程中的重要工程设施，是矿山采矿排弃物集中排放的场所，其主要功能是堆积生产过程中产生的排弃物，包括腐植表土、风化岩土、坚硬岩石以及混合岩土，有时也包括可能回收的表外矿、贫矿等[1-2]。在排土场自然排土堆积过程中，边缘地区在堆挤散体的自然塌落下形成具有一定角度及高度的坡体，随着矿山排弃物连续、长期的堆积后，排土场边坡在应力及扰动作用下将产生各种裂缝、坍塌、滑坡等不良地质现象，对排土场的稳定性产生不良影响，对周围的人、设备及环境造成严重的灾害危险[3-4]。

银山矿业公司百岭湾排土场从设计开始使用，随着露采生产规模的扩大，排土场规模也随之增大，堆积过程中，采用汽车将废石运至排土场顶部，从顶部直接向下排放，中间未设置堆积平台。目前排土场最大堆积标高为221.0 m。按照银山矿业最新的生产规划，在排土场上部还将继续堆积废石，堆积高度将再增加10.0 m，从安全生产与管理角度考虑，亟需对银山百岭湾排土场进行全面的稳定性分析研究工作，以探究不同工况下排土场增高的可行性。

近年来，国内学者对排土场在不同工况下的稳定性开展了大量研究，张文飞等[5]基于Biot 固结理论的直接耦合方法，运用GeoStudio 软件开展了不同降雨工况下排土场边坡的孔隙水压力研究，得到不同降雨工况下排土场边坡的孔隙水压力及安全系数变化；周军委[6]借助Slide 软件对石宝铁矿排土场3 个特征面进行危险面的搜索计算，得到排土场边坡的稳定状态；蔡文倩等[7]通过数值模拟手段，以岭南沿海地区矿山排土场为工程案例，研究出不同降雨工况下排土场边坡的含水量、渗透系数以及安全系数的变化规律；李钢[8]结合室内试验并利用GeoStudio 及FLAC3D 软件分析了冻融条件下高寒高海拔地区排土场的稳定性特，结果发现冻融循环作用对散体材料的抗剪强度影响显著。

基于以上研究可知，排土场的稳定性研究主要基于数值分析软件对不同工况下排土场的安全系数进行评价。为评价银山矿排土场在不同工况下的稳定性特征，通过现场与室内试验，获取了排土场堆积散体材料的渗透系数与物理力学特征，通过Phase2 软件分析了排土场特定剖面在降雨工况下的浸润线变化，并结合余推力法计算了排土场在普通工况、降雨工况以及全饱和状态下的安全系数变化。

1 排土场岩土材料物理力学性质研究

本项目基于现场所选取的排土场边坡散状岩土体样本，通过室外渗流试验以及在室内进行常规物理力学测试与大型直接剪切试验，分析所取样本的物理力学性质，具体的试验过程与散体材料的直剪试验类似[9]，得到的百岭湾排土场地岩土体的物理力学性质试验结果见表1。

表1 物理力学性质试验结果

基于现场调查及室内试验，在排土场的3 个临空坡面选取4 个剖面对排土场的稳定性进行数值模拟分析，选取1-1 剖面作为本研究的分析剖面，如图1 所示。

图1 剖面线的位置

2 降雨工况下排土场浸润线分析

银山矿百岭湾排土场的地下水主要来源于大气降水，雨水通过堆积散体表面入渗，对堆积散体边坡的力学性能产生弱化作用，其对边坡的稳定性影响很大[10-12]，因此，在进行排土场边坡稳定性分析之前，需要开展降雨工况下排土场堆积散体边坡内渗流场的分布变化规律研究。

本研究主要以现有设计标高的排土场边坡以及考虑后期规划加高后的排土场边坡为研究模型，分析二者在正常工况与降雨工况下的坡体内浸润线变化规律，并进一步在地表浸润线观测与调查以及室内与现场渗透系数试验的基础上，进行渗流场的计算与分析。根据前述研究中所开展的现场及室内土工试验的排土体渗透系数试验结果（见表1），并考虑到排土场中颗粒体的各向异性，同时参考国内外研究中排土场渗流计算所取的渗透系数经验值，选取了合理的计算参数。

在二维稳定流场计算中，设水流运动符合达西定律[13]：

式中，Vx、Vy分别是在x、y方向上的渗透速度；Kx、Ky分别是在x、y方向上的渗透系数；H为水头值函数。

式中，Z为所讨论点相对于基准线的高度；P为该处水压力；γw为水容重。

根据稳定条件可得到关于水头值H的准调和微分方程式：

式中，Q为产生水的速率。

关于水头H的边界条件有：

式中，n表示边界的法线方向；式（5）表示边界B1上的水头值已知；式（6）表示边界B2上的流量已知。

采用有限元法软件Phase2 对百岭湾排土场的渗流变化进行计算，根据已知的水文地质条件对模型设置边界条件（见图2），通过迭代计算分析得到降雨工况下1-1 剖面在加高及不加高条件下的浸润线变化，如图3 所示。由图3 计算表明，由于百岭湾排土场边坡堆积体渗透系数相对较大，降雨从坡体表面渗透进入堆积体后，入渗地下水与地表迳流在短时间内即从坡脚处排出，从而使得该排土场的浸润线能保持相对较低的状态；在排土场边坡后期规划加高模型中可以发现，虽然该工况下坡体的浸润线较现有标高略微升高，但升高幅度相对较小，验证了原设计规划下排土场渗流的安全性。

图2 1-1 剖面在降雨作用下的浸润线计算边界条件与网格

图3 银山矿百岭湾排土场降雨作用下的浸润线变化（单位：m）

3 排土场稳定性计算分析

目前排土场的稳定性分析方法主要有极限平衡分析法、非线性有限单元法、有限差分法与可靠度分析方法等[12]。其中，极限平衡分析法是边坡稳定性分析应用较早、积累经验最丰富且最常用的方法，因其应用简便而被广泛应用于边坡的稳定性分析，对于排土场的极限平衡分析法，根据研究经验，采用极限平衡分析中的余推力法更适用于排土场的稳定性分析[14-15]，余推力法适用于任意形状的边坡滑动面，该法假定条块间力的合力与上一条块底面相平行，其计算公式为：

式中，c′、φ′为材料的有效黏聚力和内摩擦角。

在对该排土场进行稳定性分析的过程中，本研究分别考虑了正常工程与降雨工程2 种工况下的现状标高及后期规划加高后的排土场边坡运行情况，一是堆积层处于正常工作状态，此时排土场坡体内渗流状态设置为实测的浸润线位置，称为正常工况；二是考虑两百年一遇的降雨条件下，分析排土体内浸润线变化规律，称为最大降雨工况。参考《金属非金属矿山排土场安全生产规则》[16]，确定了排土场的安全等级见表2。

表2 排土场等级划分

采用余推力法开展银山矿百岭湾排土场的现状稳定性分析，百岭湾排土场在后期规划加高至220 m 后的稳定性，计算结果如图4 所示。由图4（a）可以看出，在正常工况下，计算得到的排土场边坡安全系数均大于1.15，属于正常级别，后期规划加高后排土场处于正常工况时（见图4（b）），所有剖面的余推力法的安全系数均大于1.15，满足规范要求，且安全储备均有一定富余；现有标高下排土场处于最大降雨工况时（见图4（c）），余推力法计算得到的安全系数大于1.15，能满足规范要求，但相对于正常工况来说，安全系数明显下降，说明正常工况下降雨对排土场边坡的稳定性存在明显影响；后期规划加高至220 m 后排土场处于最大降雨工况时，余推力法计算得到的安全系数为1.0～1.15，属于病级，不符合设计要求。

图4 余推力法计算分析结果

4 排土场增高建议措施

根据前述分析可知，在现有标高下最大降雨工况时，排土场的安全系数储备较低，后期规划加高至220 m 后在最大降雨工况下排土场边坡稳定性处于病级状态。因此，后期规划加高采取如下措施：后期规划加高在现有标高的基础上预留一个20 m的堆积平台，如图5 所示。通过余推力法计算，该措施可有效提高排土场边坡稳定性，最大降雨工况时安全系数最小值为1.176，能满足规范要求。

图5 排土场增高建议（单位:m）

5 结论

（1）对从银山百岭湾排土场现场带回的散体试样开展室外渗透系数及室内物理力学试验，获得了百岭湾排土场散体材料的物理力学特性与相应的强度参数。

（2）银山露采百岭湾排土场整体稳定性在正常工况下能满足规范要求，但是在最大降雨工况下的安全储备不足，为了提高排土场的安全储备，建议后期规划加高时预留宽度约20 m 左右的平台，以确保排土场的安全运行。