云南某铅锌露天矿山排土场边坡稳定性分析

黄建君，刘家文，陈爱明

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

为了解排土场边坡最终堆存形态后的稳定性状态，避免在沉降及今后的堆排过程中出现意想不到的安全隐患，危及相关的作业人员及工业设施，需要在调查、现场试验结果及分析的基础上，采用稳定性分析法对排土场堆排方案进行稳定性安全计算。

鉴于某铅锌矿排土场边坡的实际特殊情况，要对排土场边坡的结构参数进行稳定性计算分析研究以此鉴定该排土场堆排设计的合理性和可靠性，加强对边坡稳定性影响因素的认识，更深层面上分析了滑坡产生的机理。了解排土场滑坡的发展演化规律，以便对该工程的具体实施进行指导。

1 工程概况

云南某铅锌露天矿山排土场位于矿山歪山梁子沟内，场区地形坡度10°～20°，局部达45°，标高2 750.0～3 020.7 m，相对高差270.7 m。场区东南端凤凰山海拔为3 440 m，为区内最高点。区内发育有2条近东-西向展布冲沟，C1沟长513.18 m，沟底宽5.0 m，汇水面积0.19 km3，纵坡降23.5 %，平面呈“Y”字型，横向呈“V”型，表层为残坡积层含角砾粉质粘土，切割深度较大，沟床岸坡植被较发育，勘察期间沟内有水流，现状冲沟沟岸稳定，为青年期冲沟；C2沟长413.0 m，沟底宽4.0 m，汇水面积0.056 km3，纵坡降13.5 %，平面呈“I”字型，横向呈“V”型，表层为残坡积层含角砾粉质粘土，切割深度较大，沟床岸坡植被较发育，勘察期间无水流，现状冲沟沟岸稳定，为青年期冲沟。现状下区内地势东高西低，坡体植被发育，属中等切割构造-剥蚀高中山区山间沟谷地貌。

该排土场设计等级1级，设计总容积2 925.31 万m3，堆存废石实方量2 285.40 万m3，堆置总高230 m，分7段堆排，台阶高度30 m，台阶坡面角35.0°，安全平台宽度30.00～44.00 m，北端边坡整体坡面角为21.00°，中部边坡整体坡面角为19.37°，南端边坡整体坡面角为22.00°，排土场总用地62.749 万m2，沿排土场坡脚设置有碾压石拦渣坝见图1，沿排土场周边设置有截洪沟。

图1 排土场拦渣坝Fig.1 Blocking dam of the waste dump

该排土场所排废堆料为生产剥离的废石，废石主要由强-中风化泥质粉砂岩、强-中风化泥岩、强-中风化砂岩、强-中风化灰岩及部分残坡积混角砾、碎石粉质粘土组成，其母岩主要为果郎组下段(E2g1)粉砂质泥岩、云龙组(E1y)泥质粉砂岩、景星组下亚段(K1j11)粉砂岩、坝注路组上段(J3b2)泥质粉砂岩、花开左组下段(J2h1)粉砂岩、麦初箐组(T3m)细砂岩、三合洞组(T3s)灰岩。堆排物料易风化、遇水易崩解。

2 排土场堆置参数

(1)堆置总高：230 m(标高2 750.00～2 980.00 m)；

(2)堆置段高：20～30 m；

(3)堆置段数

①西侧(主坡面)堆排段数：8段(标高2 750～2 770 m、标高2 770～2 800 m、2 800～2 830 m、2 830～2 860 m、2 860～2 890 m、2 890～2 920 m、2 920～2 950 m、2 950～2 980 m)；

②南侧堆排段数：4段(标高2 860～2 890 m、2 890～2 920 m、2 920～2 950 m、2 950～2 980 m)；

③北侧堆排段数：5段(标高2 830～2 860 m、2 860～2 890 m、2 890～2 920 m、2 920～2 950 m、2 950～2 980 m)；

(4)安全平台宽度

①西侧(主坡面)分段安全平台综合宽度：44.00 m，平台设返坡i=3 %；

②南侧及北侧分段安全平台宽度：30.00 m，平台设返坡i=3 %；

(5)台阶坡面角：设计边坡坡面角按35.00°绘图和计算废石堆存量；

(6)整体坡面角

北端边坡整体坡面角为21.00°；中部边坡整体坡面角为19.37°；南端边坡整体坡面角为22.00°。

(7)排土场总用地62.749 万m2，其中：道路用地3.480 万m2，排土场用地56.975 万m2，表土堆场2.294 万m2；已征地面积20.321 万m2，新征地面积2.014 万m2，临时用地面积40.415 万m2。

(8)拦碴坝：

拦碴坝类型为；碾压浆砌石坝。

拦碴坝坝体几何尺寸：

①坝顶长度：471.83 m；

②坝体高度：Δh=20.00 m(中心纵横轴线坝顶标高—坝谷底标高)；

③坝顶标高：2 770.00 m；

④坝顶宽度：5.00 m；

⑤坝体面坡坡比1：1.00；坝体背坡坡比1：1.00。

该排土场总平面布置图，见图2，堆排断面图，见图3。该次计算模型中选用的排土场力学指标见表1。

表1 排土场岩层力学参数表Tab.1 Mechanical parameters of the waste dump’s rock formations

图2 该排土场总平面布置图Fig.2 General layout of the waste dump

图3 排土场堆排形态剖面图Fig.3 The waste piling profile

3 边坡稳定性判别标准

根据排土场设计规范中对排土场整体安全稳定性判别标准的规定，该排土场周边关系较简单，无村庄、居民区和直接相邻的工业场地，但堆存高度较高，拟定安全等级：2级。边坡安全系数标准：自然工况：Fs≥1.25；地震工况：Fs≥1.15；降雨工况：Fs≥1.15。

4 基于极限平衡理论的理正岩土边坡稳定性验算

该工程抗震设防烈度为7度。选取排土场不同区域有代表性的边坡结构剖面图，结合边坡岩土体力学性质，建立计算分析模型，采用极限平衡法进行了设计排土场边坡稳定性计算分析。

分别计算天然状态、天地震状态、降雨状态3种工况下的边坡安全系数，边坡稳定性计算结果见表2。

表2 排土场场边坡安全系数(极限平衡)Tab.2 Safety factors of the dump slope(limit equilibrium)

5 基于有限差分法的FLAC2D边坡稳定性验算

采用数值分析法借助岩土工程边坡分析软件FLAC2D进行了排土场边坡稳定性计算分析。FLAC2D它会根据岩土体的不利地带搜索圆弧+折线型滑面，见图4-7，对这3种不同工况进行稳定性计算。计算结果见表3。

表3 排土场边坡安全系数(FLCA2D)Tab.3 Safety factor of the dump slope(FLCA2D)

图4 3-3剖面滑动面分布云图Fig.4 Sliding surface of the 3-3 profile

图5 5-5剖面滑动面分布云图Fig.5 Sliding surface of the 5-5 profile

图6 6-6剖面滑动面分布云图Fig.6 Sliding surface of the 6-6 profile

图7 排土场主断面边坡滑坡变形破坏速度矢量图Fig.7 Vector of the slope sliding deformation rate in the main cross-section

6 结 语

基底岩层的强度指标和地形坡度决定了边坡稳定性好与差，一旦雨季期间，堆积物料力学指标就会弱化，容易诱发滑坡风险，因此通过以上计算得出如下结论：

(1)因该排土场边坡自然状态下安全系数[Fs]≥1.25，说明排土场具有很高的自稳能力，未对下部露采边坡、歪山梁子和南部大沟施加剩余下滑力，再加上该排土场坝脚距离露采境界有380 m远，距离歪山梁子排土场顶部有500～600 m远，距离南大沟排土场顶部有630 m左右远，因此该排土场顶部排土场的堆排对紧邻的露采边坡的稳定性不会产生影响。

(2)排土场在现设计的堆存状态下，潜在滑动面位于堆积体中，未穿过基底，其潜在的滑面在自然工况下满足安全等级2级要求；在降雨工况下，其安全系数达到安全等级2级的要求，该边坡处于稳定的状态，排土场设计堆排方案安全有保障，为后期废土石堆排提供了指导依据。

(3)考虑地震情况下，排土场边坡具备抗振动能力。

(4)通过6-6主剖面安全系数云图可以看出，下部2#难选矿堆场未开挖与开挖后安全系数对比分析可知，该排土场安全系数几乎没有任何变化，再加上2#难选矿堆场距离该排土场坝脚尚有60～100 m距离之远，说明2#难选矿堆场开挖与否都不会对该排土场稳定性产生影响。