某露天矿山大型排土场稳定性综合评价研究

崔世新 史建松

(1.天津华北地质勘查总院，天津 300170；2.华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 050000；3.河北省矿山地下水安全技术创新中心，河北 石家庄 050043)

0 引言

排土场作为矿山开采的主要工业场地之一，是矿山剥离废弃渣土的集中排放受纳场，也是最大的固体废弃物堆置场所［1］。在过去一段时间内，由于矿山企业在露天开采境界外就近排土，形成了数量较多的单台阶、高台阶排土场，单台阶高度由原来的50～60 m增加到200～300 m，从而带来了超高台阶边坡的安全稳定性问题［2］。

我国露天矿排土场曾发生过多起滑坡事故，造成冲垮冲毁运输道路、房屋、农田、建筑物和人员被埋等重大、特大事故和严重经济损失［3-5］。例如，2008年山西娄烦尖山铁矿寺沟排土场垮塌事故，约109万m3滑体垮塌，造成45人死亡、93间房屋被埋、直接经济损失3 080万元，滑塌破坏的主要原因是排土场地基为承载能力低的深厚湿陷性黄土地层、先行破坏的底部台阶坡渣土强度低、矿方违规超排等［6］。2015年12月20日深圳红坳渣土收纳场发生滑坡事故，270万m3渣土滑动距离达1.1 km，造成73人死亡、17人受伤、33栋建筑物损毁、影响90家企业的4 630名员工、直接经济损失8.81亿元，事故直接原因是红坳渣土收纳场没有建设有效的导排水系统，场内积水未能导出排泄致使堆填的渣土含水过饱和，形成底部软弱滑动带、严重超量超高堆填加载导致渣土失稳、事发前险情处置错误等，造成了特大人员伤亡和财产损失的灾难后果［7］。

本研究在充分调查某露天矿山大型排土场现状条件的基础上，选取了3条计算剖面，根据极限平衡理论中的Bishop法分别计算了3条剖面在自然工况、降雨工况、地震工况条件下的安全系数，并对该排土场边坡稳定性做出了综合评价。该评价结果可以为该大型排土场的日后维护和治理提供有价值的参考和借鉴。

1 工程概况

某露天矿山排土场位于弓长岭铁矿二矿区中央采区东侧，全长4 850 m，平均宽度825 m，占地面积约0.7 km2。该排土场基底为“圈椅形”的沟谷，沟谷轴线朝向西北310°左右，北端、东端和南端三面均为自然山坡，坡顶线即为沟谷周边连接几座山头的山脊分水线，呈封闭状，外围汇水不能进入排土场区域；沟谷西端为自然山体，由北向南高度降低，封堵在沟谷出口部位，仅在沟口西南端有一处狭窄开口，地基形态有利于设为排土场场址。

目前，该排土场已形成了390～400 m平台、450 m平台、480 m平台及490～500 m平台多处，台阶坡面角30°～33°，局部台阶坡面角可达到38°。该排土场在390 m平台路面发现有数条细微裂缝，裂缝长度2～5 m，宽度2～4 mm，裂缝两侧没有沉降差。此类裂缝是一种常见的变形种类，通常情况下对排土场的正常使用影响较小，可采取铺设碎石物料进行处理，并建立必要的监测系统。该排土场排土台阶390 m平台以下的台阶坡面曾形成过坡面冲沟，但是冲沟的规模和数量偏小，冲刷到坡脚的渣土堆料也很少，没有造成不良后果。随着后期台阶的持续排岩，原有坡面冲沟已被掩埋，现有坡面较为整齐，该排土场的整体形态特征如图1所示。

图1 排土场整体形态特征

该排土场主要承担露天采场剥离的废岩，排弃渣土以混合花岗岩、斜长角闪岩为主，还有部分矿体顶板及矿层间的片岩，岩块坚硬，粒径较大，多呈棱角状，不易滚动，吸水性差，不易形成泥石流的物料来源。矿区降雨量较为丰富，但排土场位于斜坡沟谷，排土场边界为山脊分水线，没有外围汇水，排土区汇水面积不大，大气降水经填筑渣土下渗后多沿原始山坡面渗流排出。排土场地形条件不满足泥石流形成三要素中的“泥石流区上中游有较大的汇水面积和充足的水源”，因此在排土场建成完善的截排水系统、避免地表水大量渗入坡体的条件下，排土场发生泥石流的可能性非常小。根据该排土场现状和场地地基形态和地质条件特征，现有排土场除在局部平台有数条长度2～5 m，宽度2～4 mm的轻微裂缝外，未发现有下沉开裂严重的张裂缝存在。

2 排土场稳定性分析

2.1 计算方法

排土场边坡的变形、破坏失稳是一种复杂的非线性动力地质过程，稳定性分析和评价也是排土场边坡工程研究的重点。由于构成排土场边坡的岩土体物质和内部结构的不同，边坡破坏通常具有不同的破坏模式，不同的破坏模式有不同形态的滑动面，通常采用不同的分析方法及计算公式来分析坡体稳定状态。本研究采用极限平衡法计算排土场边坡安全系数和稳定状况。根据排土场潜在失稳的三种模式选择计算方法，经综合考虑，本研究采用Bishop计算法进行边坡稳定性分析与评价。

2.2 计算剖面与参数

选取该排土场现状边坡3条典型剖面，剖面线垂直于现状边坡设置。根据该排土场岩土试样的室内试验统计结果和相关规范对岩石强度取系数0.9，结合本地周边相似工程经验，确定本次计算选取的参数，如表1所示。

表1 排土场稳定性计算参数

2.3 剖面稳定性计算

图2、图3和图4别展示了3条计算剖面在自然工况、降雨工况和地震工况条件下的计算结果。由计算结果可知，剖面1-1’现状边坡在自然工况条件下三种计算方法的最小安全系数均大于1.30，边坡处于稳定状态；在降雨工况和地震工况条件下三种计算方法得到的最小安全系数均大于1.25，边坡处于稳定状态。综上，剖面1-1’现状边坡在三种工况条件下均处于稳定状态。

图3 基于Bishop法的2-2’剖面计算结果

图4 基于Bishop法的3-3’剖面计算结果

剖面2-2’现状边坡在自然工况条件下三种计算方法的最小安全系数均大于1.30，边坡处于稳定状态；在降雨工况和地震工况条件下三种计算方法得到的最小安全系数均大于等于1.25，边坡处于稳定状态。综上，剖面2-2’现状边坡在三种工况条件下均处于稳定状态，但最小安全系数接近或等于安全限值，一旦台阶坡加高加陡，边坡稳定状态即转为基本稳定状态。

剖面3-3’现状边坡在自然工况条件下三种计算方法的最小安全系数均大于1.30，边坡处于稳定状态；在降雨工况和地震工况条件下三种计算方法得到的最小安全系数均大于1.25，边坡处于稳定状态。综上，剖面3-3’现状边坡在三种工况条件下均处于稳定状态。

由计算结果可知，剖面1-1’、2-2’、3-3’现状边坡在自然工况条件下三种计算方法的最小安全系数均大于1.30，边坡处于稳定状态；在降雨工况和地震工况条件下三种计算方法得到的最小安全系数均大于等于1.25，边坡处于稳定状态。综上所述，现状条件下边坡在三种工况条件下均处于稳定状态。

3 结论与建议

为了更全面准确地了解矿山大型排土场边坡稳定性情况，在充分调查该大型排土场现状条件的基础上，布设了3条计算剖面，采用极限平衡计算，结果表明现状边坡在自然、降雨、地震三种工况条件下最小安全系数均大于规范要求限值，整体边坡处于稳定状态。但是，后期应该加强维护并持续完善排土场坡顶、各级平台和坡脚的排水设施，防止地面积水和雨水的大量入渗，对现已达到设计边界的排土台阶覆土绿化，防止扬尘污染和雨水冲刷下渗。