露天矿山排土场边坡稳定性分析

刘献真，邱丹丹，李 丽

(武汉工程大学 资源与安全工程学院，湖北 武汉 430000)

1 引言

排土场是露天煤矿开采和工程实施中常见的人工堆积体，受不同因素作用时，容易发生滑坡、泥石流等地质灾害[1]，为保障矿山安全运行将对其进行稳定性分析。众多学者就排土场边坡稳定性展开大量研究，韩雪等[2]基于FLAC3D有限差分软件，分析了渗流作用对边坡位移滑移面分布的影响。李小武等[3]就自重、降雨等不同工况下使用极限平衡法进行数值模拟得出边坡稳定性安全系数。曾强[4]利用Geo-Studio软件分析降水对边坡体积含水率的影响，得出浅层土体剪应变化与位移变化对边坡稳定性有明显影响。李丞等[5]运用非饱和渗流原理和非饱和土强度理论计算不同渗流与降雨因素下的渗流特征与安全系数变化规律。秦驰越等[6]将排土场剖面初期设计中的边坡稳定性评估问题，提出了2种用于预测排土场边坡安全系数的机器学习模型。杨幼清等[7]采用有限元法模拟分析了5种不同堆载高度工况下排土场边坡变形破坏模式并确定排土场边坡安全系数和稳定性评价。然而目前的研究仍以二维模型为基础，采用剖面计算边坡稳定性时无法考虑斜坡顶部的抗滑效应，二维边坡安全系数只含剖面数据，但滑坡本质是边坡失稳破坏，仍属于三维问题，因此采用三维安全系数求解更符合实际情况。卢坤林等[8]就针对二维与三维边坡稳定性分析结果进行比较，得出在一定条件下三维的安全系数相较于二维安全系数更高的结论。

本文以武汉市某露天矿山排土场为研究对象，结合极限平衡法与强度折减法对排土场边坡进行稳定性计算。由于边坡变形是动态过程，同一高度不同位置的稳定性系数仍有差异，因此通过三维模型结合二维极限平衡法做出更加全面深入的边坡稳定性分析。

2 工程地质背景

该矿山北排土场位于中部地区内，受降雨影响少，不位于板块交接地区且不受地震直接影响。区内地形属丘陵地貌，海拔高程范围约30～150 m，地势较平缓。该排土场有山北和丁字山两座排土场，均为1958年设计使用的，这两座排土场堆置范围大、堆置时间长，均为1等排土场(容积超过1000 万m3)，其中山北排土场排高约79 m、整体边坡角约12°；丁字山排土场排高约110 m，整体边坡角度约34°。本次主要研究对象为山北排土场，该排土场图层由人工填积层、第四系上更新统坡积+洪积、第四系残积+坡积层、下二叠系(P1)灰岩组成。根据岩土性质，露天排土场可分为3层。上部为碎石土厚度约10 m，素填土约5 m，中部为粉质粘土约10 m、红黏土约5 m，底层为中微风化灰岩。

综合现场调查数据，该排土场其他部位有发生过土质滑坡，且部分位置连续发生两次滑坡，滑坡宽度约30 m，滑坡高度约25 m，滑坡舌厚度约3 m，滑坡体积约2250 m3。为防止排土场再次发生滑坡事故，需对其进行稳定性分析。

3 边坡稳定性分析

根据《露天煤矿边坡稳定性年度评价技术规范》[9]规定，露天煤矿边坡稳定性评价应采用定性分析和定量分析相结合的办法进行，定性分析主要是以工程类比法和图解分析法进行。定量分析主要采用极限平衡分析法，基于极限平衡理论和边坡的破坏性计算其稳定系数[10]。本次研究的滑坡为牵引式土质滑坡，潜在滑动面为圆弧形。由于上层堆积的碎石土粒径差别较大，在风化后可能会发生沉降产生空隙，使土体强度降低，抗剪强度减弱，导致坡体产生变形滑动。

3.1 数值计算

对现场调查数据分析处理后，结合各个地层数据，选取典型剖面建立剖面图。在进行边坡稳定性分析时，主要依靠极限平衡法获取稳定性系数。下文将结合简化毕肖普法、Morgenstern-Price法和普通条间法获取边坡稳定系数，边坡自然状态下简化毕肖普法和Morgenstern-Price法求得安全系数为1.17，普通条间法求得的安全系数为1.10。

根据表1《露天煤矿边坡稳定性年度评价技术规范》规定中边坡稳定安全系数的限制可以看出，自然状态下该排土场边坡处于稳定状态。数值计算结果表明，3种算法下的安全系数数值近似，边坡安全系数为1.17，处于临界稳定状态。若继续使用该排土场将发生滑坡事故，影响矿山排土场发展的安全合理性。

表1 边坡稳定安全系数的限制

3.2 三维边坡稳定性分析

与数值计算相比，三维模型可以更大限度的还原实际地形，综合地质测绘、工程钻探、重型动力初探实验等手段探明各土体的力学参数，利用软件建立边坡三维数值模型。排土场的堆置参数如下：台阶高度10 m，台阶破面角34°，最终平台宽度：安全平台4 m，清扫平台6 m，堆置高度：自+43 m水平堆至+77 m水平，堆高34 m，台阶数：3，以此为+57 m、+67 m、+77 m。矿山排土场为采场废石废土，块度<800 mm，排土利用矿山运输车推土机由低到高分层堆排。

根据排土场堆置参数建模时，考虑到部分土体材料的厚度很小，故合并一部分碎石土和粉质粘土层，模型材料参数如表2所示。

表2 模型材料参数

对现场勘探数据处理后，建立有效三维模型，对模型底面创建XYZ方向的约束条件，对侧面创建XY方向的约束条件，施加初始状态的地应力，计算土体材料强度折减后的内摩擦角和粘聚力，计算只考虑排土场自重时边坡稳定性系数和改变工况考虑自重与渗流共同作用时边坡稳定性系数。最后利用combine函数分析位移与强度折减系数的曲线，分析位移突变点判断稳定性系数和不同工况下边坡稳定性系数变化[11～13]。分析流程图如图1所示。

图1 模拟流程

第一类工况为只考虑排土场自重情况，选取坡面9个特征点参考分析，选取参考点为D233、D229、D225位于第一级台阶，D266、D262、D258位于第二级台阶，D290、D286、D282位于第三级台阶。从图2第一类工况下坡面监测点数据可知，只考虑自重情况下坡面各特征点安全系数均大于等于1.2，处于稳定状态，根据监测结果中不难得出三层台阶初始状态下各点的稳定性系系数在1.2～1.5范围，位移量在强度折减系数1.2以后发生突变，确定其安全系数均大于1.2。根据矿山安全规定此时边坡仍处于稳定状态。数值模拟结果显示每级台阶的3个监测点中边缘两点稳定性系数高于中间点的稳定性系数，且第一级台阶的位移量最小，随着高度的增加土体的位移量也随之增加，第三级台阶的位移量最显著，是最先发生滑动的位置，需要重点防范。

图2 第一类工况下坡面监测点数据

图3模拟边坡变形图中三维云图与剖面图显示塑性变形区域均为贯穿排土场斜坡的一个滑动区，坡顶和坡脚浅层等效塑性区域范围较广。在三维模型中随着时间改变边坡塑性区域在坡面上呈扩展状态。由此说明，若果不对边坡加以治理，随着时间推移，边坡变形将持续增大，产生塑性形变，排土场稳定性持续降低，发生滑坡危害的可能性将增大。

图3 模拟边坡变形云

综合露天排土场中粉质黏土与红黏土的占比量，该排土场边坡渗透系数区别于一般土质边坡，当露天排土场长期遭受降雨影响时会对其稳定性产生影响[14]。因此除排土场自重影响外，考虑渗流作用下排土场边坡稳定性变化。图4是自重+渗流(工况2)作用下9个相同观测点的边坡稳定性系数折线图。图中明显观察到位移突变点的前移，说明边坡稳定性系数降低。再选取一个特征点D229对比两种工况下安全系数的变化，从图5可见渗流作用影响排土场边坡稳定性。

图4 第二类工况下坡面监测点数据

综上所述，结合剖面计算结果与三维模型分析结果计算结果均显示改排土场边坡处于稳定状态，各级台阶安全系数符合安全要求。由于该矿山其他部位排土场已有滑坡先例，结合数值模拟分析结果，推测随着采场边坡使用年限的增加稳定性将逐渐降低并导致滑坡，建议该矿区排土场做出有效治理。

4 优化方案

治早治小是滑坡防治工程的一项重要基本原则。

如果对有发生滑坡危害的斜坡不能及早处理，将会导致滑坡在岩土体的时效作用下，抗剪强度不断减小，滑坡规模不断扩大，从而导致后期滑坡处理工程规模的增大和处治难度与费用不断上升。同时，随着边坡的岩土力学性质不断减弱，坡体的时效作用越强[15]。因此对于排土场边坡这类人工堆积的顺层坡体更要贯彻治早治小的理念。针对该排土场边坡，在上述结论支撑的结果下，现提出优化方案，从而有效防止因坡体的力学参数在时效作用下降低。例如可在安全平台宽度不变的基础上将排土场边坡的坡度设计的更加平缓，为保证排土场坡面的稳定性，也可以各级永久坡面采用覆土+混凝土格子梁+绿化进行防护，增加边坡稳定性。带入实际工况验证坡度平缓以后边坡稳定性系数的变化。改变坡比为1∶2后可以看出边坡自然状态下简化毕肖普法和Morgenstern-Price法求得安全系数为1.37，普通条间法求得的安全系数为1.36。稳定性系数明显提高，证明改变坡比可以有效提升稳定性系数。

5 预防边坡滑坡措施

通过现场勘探结果与数值模拟分析综合分析可知，该排土场边坡目前处于稳定性状态，但如果继续堆积不加以治理，边坡应力场发生破坏，抗剪强度降低，塑性应变增大，将导致排土场发生滑坡事故，未避免造成经济损结合排土场实际情况提出以下措施[16～20]。

(1)削帮压脚加固。将滑坡区的滑体进行清理并扩宽台阶宽度，减小滑体的后缘载荷。原边坡坡面角为34°，将台阶滑体清理后按照坡面角26°、台阶高度10 m进行修整。将剥离出来的碎石土回填到边坡坡脚增加前缘滑体的体积以减小位移滑力。同时采取护坡加固措施对局部失稳的坡体进行加固，防止坡体滑坡。当出现坡体局部失稳时可以选取坚硬的岩石作为锚点使用锚杆对坡体进行加固。

(2)及时处理边坡裂缝。由于边坡在出现破坏前通常会在坡体顶部产生拉伸裂缝，边坡裂缝的产生标志着坡边已经发生变化。因此，可以采用强力锚杆及预注浆措施对坡体进行加固，预防坡体产生裂缝。

(3)加强动态监测治理。由于露天矿山边坡具有复杂性、动态性和时效性等特点，因此在边坡治理时应坚持动态治理、长期治理原则。对排土场边坡上安装位移监测系统，采用多个监测点观测边坡的位移异常状态，在容易发生滑坡的位置布置检测线观测边坡坡面滑动情况。

6 结论

结合现场勘测报告与实地考察，利用数值模拟软件对该矿山西区排土场地质剖面计算并建立三维地质模型计算出该采场边坡处于稳定状态。由剖面计算结果可知排土场安全系数为1.17，结合三维模型验证后，得到坡面上各特征点的安全系数约为1.3，符合《露天煤矿边坡稳定性年度评价技术规范》要求。边坡稳定性系数计算结果中二维相较于三维稳定性系数更加保守，三维模型考虑其动态变化过程稳定性系数更具可靠性。在三维模型中可以观察到排土场边坡的不稳定地区，检测到滑坡发生的部位由中心向边缘位置开始扩散，扩散范围从上至下，考虑渗流作用后，边坡稳定性系数发生显著变化，存在安全风险。当遭遇雨季或其他开采条件变化等影响因素时，极有可能发生滑坡事故。

根据数值模拟所得结论，结合排土场边坡实际情况提出加固措施，削帮压脚、高强度锚杆加固、完善疏干排水系统、及时处理拉伸裂缝、加强监测巡查和边坡维护等预防措施，保障矿山排土场边坡稳定性，确保矿山安全运营。

对于矿山排土场边坡稳定的监测过程中，要始终贯彻治早治小的原则，防范于未然，加强边坡土体位移监测，针对监测结果分析破坏规律，制定更加合理有效的治理措施控制减缓边坡破坏变形，降低排土场边坡滑坡事故的发生。