厚层黄土基底排土场边坡稳定性研究

李芳玮，王 东

（1.应急管理部信息研究院，北京 100029；2.辽宁工程技术大学 矿业学院，阜新 123000）

2019 年，我国露天煤炭产量为600 Mt，露天采煤量占国内煤炭产量比重为16%[1]，预计在“十三·五”末期将达到20%，而在已探明的露天煤矿可采储量中软岩露天矿占比将近1/3。同时，我国现有近20 座10 Mt/a 以上的软岩露天煤矿，均发生过一定规模的滑坡或边坡大变形现象[2]，边坡稳定性控制是制约软岩露天煤矿安全生产的关键问题之一。

露天煤矿排土场主要包括承纳废石的基底和基底以上排弃物2 部分，排土场基底承载力直接影响排土场的稳定程度，尤其对于基底承载力不足的情况，在剥离土石方的压力作用下可能会产生沿基底倾斜滑移现象，进一步引起排土场滑塌，形成牵引式滑坡。因此，分析排土场稳定性时应考虑基底承载力，在分别计算基底的极限承载力和容许承载力的基础上，确定排土场的容许排高，可为排土场设计与工程实施提供依据，为解决排土场边坡稳定性及控制技术难题提供强有力的科技支撑，具有很好的推广应用前景。

1 边坡工程地质条件

胜利东二号露天煤矿南排土场水文地质条件相对简单，地表起伏变化不大，基底为近水平基底，地表标高呈现由西北向东南逐渐增大的趋势。基底为松散的第四系岩层，全区分布。岩性主要由浅黄-灰黄色砂砾及粗、中、细粉砂和亚黏土、亚砂土、覆盖土组成。全层厚1.00～128.92 m，平均厚37.01 m。其厚度变化由西南向东、东北逐渐变薄。因此，胜利东二号露天煤矿南排土场南帮为典型的厚层黄土基底排土场。

露天矿剥离物料主要是第四系黄土、第三系上新统棕黄色、桔黄色的黏土（岩）类，其次是灰黄、杏黄泥质胶结的砂岩、砂砾岩。在采场被剥离前，根据水文地质资料上覆岩土结构松散，强度较低，经过采动之后，剥离物料形成的排土场结构强度将进一步降低，孔隙度加大。查阅有关资料，边坡岩土体物理力学参数与获取方法见表1。

表1 岩土体物理力学指标选取值与获取方法Table 1 Selection values and acquisition method of physical and mechanical indexes of rock and soil

2 排土场基底承载力

针对该矿南排土场实际条件，分析基底的变形破坏模式，研究排土场基底承载力的计算方法，确定各种排土场的容许排高。

2.1 基底的破坏过程和破坏模式

排土场基底主要是在排弃物载荷作用下发生变形和破坏的，参考建筑地基破坏过程中的荷载沉降p-s 曲线对基底破坏过程进行分析[3]，一般情况下其破坏要经历3 个阶段：①弹性变形阶段即压密阶段；②弹塑性混合变形阶段即剪切阶段；③完全塑性变形阶段即破坏阶段。

建筑地基失稳破坏是由于地基土体的剪应力达到了抗剪强度，形成了连续的滑移面而使地基失去稳定。在实际工程施工中，现场工况条件多种多样，工程施工造成的地基破坏形式也很多，参照地基破坏3 个阶段也可归纳为3 种形式[4]：整体剪切破坏、局部剪切破坏、冲切破坏。

由于排弃物料刚度和基底刚度不会相差太大，因此在排土场载荷作用下，基底岩土体发生破坏只有整体剪切破坏和局部剪切破坏这2 种模式。

2.2 排土场基底承载力

在土力学的经典的理论中，常用的建筑地基极限承载力的计算公式主要有普朗特尔、太沙基、汉森的极限承载公式3 种[5]。3 种方法都是采用假定滑动面的方法并根据滑动土体的静力平衡条件得到地基极限承载力，广泛应用于建筑地基承载力计算，但对于排土场而言，各种方法均不能考虑三角载荷对基底承载力的影响。针对排土场基底载荷分布特点，由于原普朗特尔公式中ID 面上所受到的被动土压力只考虑了地基面以上的超载土体重力对其施加的被动土压力，并未考虑ID 面右侧土体对该面产生的被动土压力，而ID 面受到右侧土体施加的被动土压力会产生抗滑力矩；对普朗特尔地基承载力公式进行改进，依据朗肯被动土压力理论，得出：

式中，△Mh为滑动力矩，N·m；△Mkh为抗滑力矩，N·m；ρ0为排弃物密度，t/m3；b 为基础宽度，一般为6 m；H90为不考虑排土场侧面三角载荷时计算得出的排土场极限排高，m；△H 为排土场高度达到H90后的高度增量，m；β 为排土场边坡角，（°）。

2.3 基于基底极限承载力的排土场容许堆高

基底承载力主要受岩土体自身性质、基础形状、埋置深度及载荷条件的影响。采用改进的普朗特尔公式计算排土场基底极限承载力和容许排弃高度，并考虑排土场基底上方的三角坡体重力荷载的作用和ID 面上右侧土体施加的被动土压力，求解排土场基底的承载力及极限堆高，进而确定容许堆高。

针对胜利东二露天矿排土场的实际情况，使用改进的普朗特尔公式计算基底为第四系粉细砂条件下的极限载荷、垂直边坡极限高度以及排土场极限排高。将c=10 kPa，z=0，φ=28°，ρ1=2.05 t/m3，ρ0=1.90 t/m3分别代入式（2）中，得基底极限承载力pu=169.59 kPa，垂直边坡极限高度H90=8.93 m。

考虑基底为粉砂时不同边坡角度对应的排土场极限排高如图1。由图1 可以看出，当边坡角为80°时，△H 为0.48 m，即极限排高为9.41 m；当边坡角为72.4°时，△H 为4.5 m，即极限排高约为13.43 m；当边坡角小于72.4°时，2 条曲线无交点无解，即排土场可无限排高。

图1 考虑基底为粉砂时不同边坡角度对应的排土场极限排高Fig.1 Limit height of dumping site corresponding to different slope angles when the base is silty sand

3 基底处理方式对内排土场稳定性影响

3.1 边坡稳定性分析方法与安全储备系数选取

严格来说，滑坡的启动与发生是一个空间力学问题，边坡稳定性计算应该采用三维分析方法，但三维分析方法建模过程复杂，受诸多变量影响，求解速度极为缓慢，因而在一定条件下可将相关问题简化，采用二维分析方法能快速有效的解决边坡稳定性问题[6-8]：①滑体两侧有天然侧界面，则通常可以不考虑对滑体的约束；②边坡由松散体构成，则不考虑滑体两侧岩体的约束；③滑体走向长度较大时，可以不考虑滑体两侧岩土体对滑体的夹持作用。

按照GB 50197－2015《煤炭工业露天矿设计规范》要求，排土场的安全系数综合考虑排土场的重要性、排土场边坡的类型、工程地质条件、排土场的服务年限以及潜在滑坡的危害程度等[9]，胜利东二号露天煤矿南排土场边坡的安全储备系数为1.20。

3.2 基底土体抗剪强度参数反分析

剪切强度的分析要根据现场施工情况来进行，初步选定垂直于南帮边坡走向的P-3、P-9、P-10、P-11 4 个剖面来计算各项参数。计算剖面的平面位置如图2。

图2 计算剖面的平面位置Fig.2 Plane position of the calculated profile

东二露天矿南排土场南帮基底为第四系黄土及细砂，尚未对其进行详细的岩石物理力学实验，参考有关文献资料，基底的抗剪强度指标的确定需要结合滑坡变形进行反分析后综合研判[10]。从历史资料可以看出，在几个剖面中，最先出现裂缝的是P-11剖面1105 平盘，随后坡脚也发生底鼓，因此选择将此剖面作为研究对象，进行滑坡反分析。抗剪强度参数包含c 和φ 2 个指标，运用1 组剖面进行计算无法直接求解，根据经验第四系黄土的内摩擦角φ=10°左右，因此可重点研究当内摩擦角分别为9°、10°、11°时边坡的稳定性，计算其对应的稳定系数，不同基底抗剪强度条件下P-11 剖面稳定系数计算结果见表2。

由表2 的P-11 剖面边坡稳定系数计算结果可知，基底岩土体内摩擦角φ=9°、黏聚力在19～20 kPa之间时，P-11 剖面边坡稳定系数介于0.98～0.99；基底岩土体内摩擦角φ=10°、黏聚力在12～13 kPa 之间时，P-11 剖面边坡稳定系数介于0.98～0.99；基底岩土体内摩擦角φ=11°、黏聚力在6～7 kPa 之间时，P-11 剖面边坡稳定系数介于0.98～0.99。按照P-11剖面的计算方法，参考该剖面的计算结果，对其余3个剖面边坡稳定性进行计算，来明确基底岩土体的黏聚力指标。各计算剖面边坡稳定性计算结果见表3。

表2 不同基底抗剪强度条件下P-11 剖面稳定系数计算结果Table 2 Calculation results of P-11 section stability factor under different substrate shear strength

表3 各计算剖面边坡稳定性计算结果Table 3 Calculation results of slope stability of each calculated section

水文地质资料显示，第三系、第四系岩土体结构较松散，总体上呈现半胶结状态，根据工程经验，黏聚力不应为0 kPa，而且不宜过大；从另一个角度来看，边坡发生大变形的区域是由P-11 剖面逐渐向东发展的，其他3 个剖面边坡稳定性也应该逐渐增大且接近于1。根据分析结果，可以确定基底的抗剪强度参数为黏聚力c=7 kPa，内摩擦角φ=11°。

3.3 排土场稳定性

胜利东二露天煤矿典型工程地质剖面边坡在不同排弃标高、不同坡角度条件下进行稳定性分析，可以获取基底形态、坡高、坡角对边坡稳定性的定量影响，为后续边坡形态优化方案的提出提供参考。选择2 个排弃高度（80、120 m）、4 个排弃坡角（12°、13°、14°、15°）和3 个基底倾角（-1°、0°、1°），分别计算变化坡高、坡角及基底倾角条件下边坡稳定性，坡高80 m、改变基底形态（平盘宽度B）与边坡角度β 条件下南排北帮边坡稳定性计算结果见表4，坡高120 m、改变基底形态与边坡角度条件下南排北帮边坡稳定性计算结果见表5。

表4 坡高80 m，改变基底形态与边坡角度条件下南排北帮边坡稳定性Fs 计算结果Table 4 Calculation results of slope stability under the condition of 80 m slope height,changing base shapes and slope angles

表5 坡高120 m，改变基底形态与边坡角度条件下南排北帮边坡稳定性Fs 计算结果Table 5 Calculation results of slope stability under the condition of 120 m slope height,changing base shapes and slope angles

分析不同基底倾角和排弃高度，通过对变化边坡角条件下各剖面边坡稳定性极限平衡进行计算，可以看出，各剖面边坡的稳定性随着边坡角的增大逐渐下降；当边坡高度分别80 m 和120 m 时，对应的稳定边坡角分别为15°（平盘宽53 m）和14°（平盘宽60 m）。

4 结 语

软岩露天煤矿边坡稳定性及其控制是一项极其复杂的系统工程，该工程领域边坡治理和监测预警理论尚未成熟。依托胜利东二号露天煤矿，围绕软基底排土场的稳定性及其形态优化进行了研究，取得了一定成果。

1）针对基底载荷分布和软土层厚度对基底破坏面的影响，改进了普朗特尔计算公式，计算了外排土场基底极限承载力，确定了不同软土层厚度对应的安全下限边坡角和容许排弃高度。

2）运用经验类比与实验测试相结合，查阅有关文献资料，确定了边坡岩土体物理力学参数与获取方法；运用滑坡基底土体抗剪强度参数反分析原理，选定4 个剖面进行计算，确定了抗剪强度参数：黏聚力c=7 kPa、内摩擦角φ=11°。

3）当南排土场北帮边坡高度分别80 m 和120 m时，对应的稳定边坡角分别为15°（平盘宽53 m）和14°（平盘宽60 m）。