龙门矿区尾矿高边坡稳定性预测与评价

周志超，李向全，刘玲霞，侯新伟，闻晓慧，李杰彪

(1.核工业北京地质研究院，北京 100029；2.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061；3.中铁资源地质勘查有限公司,北京 100039)

随着大规模的矿山开采与大型工程建设项目的不断增加，尾矿及弃渣等堆积形成的高边坡分布与规模越来越大，受震动和暴雨等外动力条件侵蚀时，就容易形成滑塌等地质灾害，给生命财产造成重大损失，进而严重影响到人们的生活、工程建设及能源的合理开发利用。近年来，许多专家学者对边坡的成灾机理及其防治做了大量的研究工作[1-4]，谢学斌等对矿山散体堆积物料的力学性质进行了探讨研究[5]。胡瑞林、胡世起、刘衡秋等对堆积体及高边坡稳定性机制做了深入研究[6-7]，王光进、杨春和等研究了超高排土场的粒径分级及边坡稳定性[8]，胡卸文等对松散堆积体边坡坍岸宽度进行了预测[9]，刘玲霞、李向全等对滑坡碎屑流发生机制进行了试验研究[10]。

这些研究主要集中在岩土高边坡及古滑坡堆积体的形成机制、稳定性评价及工程防护研究等方面，当前对尾矿高边坡的研究相对较少，本文研究对象为石灰石矿露天开采的土石混排尾矿高边坡，位于山西河津龙门矿区采矿场东南角的塔底沟排土场，排土场的下游是居民区、厂矿和铁路，一旦排土场发生滑坡灾害，不仅会影响到该矿的正常生产，而且会危及到下游的铁路和居民。因此，该排土场高边坡的稳定性与评价对厂矿的正常生产和可持续发展以及居民的生命财产安全具有重要的作用。且近年来相继出现坡体变形、开裂等失稳现象，急需对该矿山排土场边坡进行稳定性分析，预测边坡发展趋势，从而为防灾减灾提供现实依据。

1 研究区概况

1.1 地形地貌

由于长期受到尾矿排弃的影响，散体堆积物覆盖了原地形，坡面与地形坡面同向，坡度接近30°，局部地段甚至达48°。上部排土场尾矿堆积体的自然安息角约在35～40°，由于黄土排放较多，在土的粘性作用下，呈现凸形坡面，一段时期后固结并暂时稳定。区内出露岩性为奥陶系第六段灰岩，局部地段为陡崖，无草丛灌木。排土场沟谷坡度陡，地形高差大，面积较大。区内多条沟谷，容易形成汇水。

1.2 地层岩性

研究区出露地层简单，主要为中奥陶系上部灰岩、尾矿散体堆积物和第四系松散堆积物。

1.2.1 奥陶系灰岩

奥陶系灰岩出露的主要有六段和七段的灰岩层，深灰、浅灰、灰褐色的白云质灰岩，夹薄层纯灰岩，厚度大，致密块状，性脆、坚硬，沿裂隙充填有方解石岩脉，力学强度高，较稳定。主要出露于山脊与排土场沟谷两侧，厚层状灰岩夹页岩、砂砾岩等薄层，岩层倾角大，沟口处更具代表性。

1.2.2 尾矿堆积体

尾矿介质分布呈层状分布，表层主要为松散土层；下伏为尾矿渣，粒度分布不均，以细碎屑矿渣为主，混杂土质成分。碎屑主要为矿物碎屑，少量岩屑，属细粒结构和微粒结构。碎屑形状以次棱角状结构为主，其次是棱角状结构和圆形粒状结构，经常可见某些矿物的自形晶体结构。肉眼观察，尾矿一般呈褐黄色。随矿物成分变化可呈现灰白、褐灰、深灰色等多种颜色。从外观看，为自然静水条件下的机械沉积物，其突出特征是清晰的水平层理，呈水平层状-似层状产出，其矿物成分承袭原岩的一些基本特征。呈现出一定的空间结构特征，上部主要分布的为粒径>5mm的碎屑尾矿，其表层有1～1.5m的松散土，垫层主要为粒径较大的块石。尾矿碎屑颗粒以中粗颗粒为主，高程720～770m范围沟谷主要以大块石为主，直径0.3～1.6m，岩性以灰白色灰岩为主。

该排土场具有台阶高度大，堆体内外的物质组分基本相同，卵圆形和棱形碎石、块石及黄土混排，尾矿介质具有孔隙度大，降雨易入渗，容易形成滞留，不利于矿渣排土场的稳定性。

1.2.3 第四系松散堆积物

研究区第四系松散堆积物多分布于山前缓坡地带，在岩石出露和黄土间多为坡积物，主要是坡积、残积、洪积的松散堆积层，以粘性土、含碎石粘性土、碎石、漂块石和卵砾土为主。岩性混杂，分选差，结构松散，呈散体结构，厚度变化大，冲沟附近较薄。

1.3 地质构造

研究区位于吕梁山的南部尾翼，南面为山前沟壑，平地陡起，地形切割严重，海拔高差大于400m，西面为黄河峡谷；山上地形较平缓，南高北低，东高西低。所处的大地构造单元为祁-吕-贺兰“山”字型构造体系前弧东翼。其构造特点受区域性构造控制，构造线方向为NE30～40°从矿区南部穿过的罗云-龙祠大断裂，长达160km，破碎带宽800～1000 m，矿区内断裂构造较发育。研究区位于7°区划范围，对震害不可低估，区域内有发生较大地震(破坏性地震)的可能性，防灾的重点是尾矿排土场。

1.4 气象水文

研究区位于黄河东岸中高山地段，为山陕高原，属温带大陆性气候，全年平均气温13.5℃左右，年蒸发量平均为1554.73mm ，年日照时数2276.2h，无霜期一般为200天左右。自1998～2009年12年间，该区最大日降水量高达101.41mm；降水主要集中在7～9月。

研究区内石灰岩层系含水层，属基岩裂隙水和岩溶水。其形成条件主要受地貌、地质构造及水文气象等因素综合控制，石灰石矿层中的页岩层透水性弱，地表水经砂岩渗透聚集于页岩层中，沿石灰岩构造节理和裂缝渗流补给地下水，受季节影响，干旱季节长，仅在雨季水量较大。

2 尾矿高边坡稳定性分析

2.1 计算模型

2.1.1 边坡渗流场的数学模型

各向异性尾矿介质的饱和-非饱和渗流微分方程见式(1)[11-12]。

(1)

式中：h为压力水头；kr(h)为相对渗透系数，且0≤kr(h)≤1；kij为饱和渗透系数；Ss为单位贮水系数(对非饱和体，Ss=0，对饱和体Ss为常数)；C(h)为容水度，且；C(h)=dθ/dh，θ为体积含水率；β为特征系数(非饱和区为0，饱和区为1)；t为时间；Q为源汇项。

式(1)的定解条件为

(2)

式中：ni(i=1,2,3)为方向余弦；Г1为水头边界；Г2为流量边界；Г3为饱和溢出边界；Г4为非饱和溢出边界；qn为边界法向流量，向外为正,i(t)为入渗率。

2.1.2 边坡稳定性分析模型

边坡地下水水位线以上的孔隙水压力为负值，而负孔隙水压力又影响到基质吸力的大小，从而影响到边坡的稳定性。为了考虑基质吸力对抗剪强度及边坡的安全系数的影响，加拿大学者Fredlund修正了Mohr-Coulomb 准则，提出了剪应力τ和抗剪强度τf的计算公式[13]。

τf=c′+(σn-ua)tanφ′+(ua-uW)tanφb

(3)

(4)

(5)

式中：c′为有效凝聚力；(σn-ua)为破坏面上的净法向应力；ua为破坏面上的孔隙气压力；φ′为与静法向应力状态变量(σn-ua)有关的内摩擦角；(ua-uW)为破坏时在破坏面上的基质吸力；φb是强度随基质吸力而增加的速率，称之为吸力内摩擦角；α为坡面外法线与水平面的夹角；σ为坡面处净应力。

根据极限平衡理论，可得到边坡安全系数的计算公式(式(6))[14]。

(6)

自然状态下用条分法进行分析时，根据力平衡可以得出边坡安全系数计算公式(7)[15]。

(7)

式中：β为条块基底长度；α为条块底边切线与水平方向的夹角；N条块底边受到的总的法向力；kW 为条块形心上受到的水平地震荷载；D为外加线荷载，为线荷载与水平方向的夹角；A为外部施与的水压力。

2.2 计算参数

以尾矿高边坡为研究对象，采用连续介质模型对边坡进行宏观的渗流计算，计算参数据室内土工试验、经验参数和野外取样成果确定(表1)。

表1 物理力学参数

尾矿高边坡的的渗流分析所需的渗透函数采用采用Fredlund和Xing法进行估算，分别取剖面上典型地段的尾矿样品及黄土样品做颗粒级配分析，结合饱和渗透系数可得其渗透函数，其结果见图1、图2。

2.3 计算剖面

通过野外地质灾害调查，发现该高边坡具有分段滑动的特点。排土场上部和下部的滑坡后壁清晰，无植被发育，滑坡体后缘可见2～34cm宽的拉张裂缝，裂缝深度2～80cm不等，呈平行状或垂向相交分布，裂隙间距0.5～1.0 m，这些拉张、下错裂缝为蠕滑-拉裂破坏作用所致。鉴于该高边坡具有分段滑动特性，因此选择尾矿排土场的上部和下部两个典型剖面分别进行计算分析(图3)。

2.4 有限元数值模拟结果分析

在天然状态下，对选取的典型滑动面进行计算分析，载荷主要考虑岩土自重。排土场上部边坡经有限元分析软件SLOPE/W计算其稳定性系数为1.201，排土场下部剖面稳定系数为1.36，可见其天然状态下的稳定性相对较好。

据气象资料自1998～2009年12年间，该区最大日降水量高达101.41mm，因此分析强降雨条件时，取日降雨量100mm作为边界入渗条件，经有限元软件SEEP/W渗流数值计算，将渗流场与孔隙水压数据导入SLOPE/W中作边坡稳定性分析，经计算得出尾矿排土场上部滑坡体稳定系数为1.07，处于临界滑动状态，最危险滑动面位于中下部(图4)，高程740～800m，厚达20余m，潜在危险滑面主要集中在中部和上部区段。

下部排土场稳定系数为0.97，处于失稳滑动状态，最危险滑面位于高程580～670m，厚达30余m，滑动深度及范围相对较大(图4)。

3 尾矿高边坡地质灾害防治

通过高边坡稳定性分析可知，该尾矿排土场上部和下部滑坡如不及时处理，雨季强降雨条件下易产生滑坡甚至诱发泥石流灾害，危及排土场下方的厂矿、居民区和铁路的安全。

3.1 灾害治理

排土场的稳定性可采用多台阶模式，在相邻台阶之间设置安全平台，这样就可以使排土场总体坡度小于其自然安息角，从而提高其稳定性。

鉴于该尾矿排土场的基底为岩体力学性质较稳定的灰岩，因此，采用基底稳定条件下的极限高度[16]。

(8)

式中:C为基底岩土的内聚力(Pa)；φ为基底岩土的内摩擦角(°)；γ为排土场堆积散体的单位体积质量(t/m3)；H为第一台阶极限高度(m)；λ为稳定性参数，无量纲，根据试验资料和经验选取，0<λ<1。一般λ与F/tanφ成函数关系(F为边坡稳定系数)，当F/tanφ由1增到5时，则由0增到1，两者成正比关系。

图1 黄土颗粒级配及其渗透函数

图2 尾矿颗粒级配及其渗透函数

图3 计算剖面

图4 基于极限平衡理论计算的滑动面

经稳定性分析计算滑面在尾矿堆体内，由(8)式计算可得极限高度为20.3m，因此该排土场可采用20.3m高度间距的多台阶排土方式，并设置相应宽度的安全平台，清理尾矿弃渣。

3.2 水害防治与防灾监测

地表水的入渗和地下水的活动往往是导致边坡滑塌的关键诱因，地下水的活动会严重影响尾矿排土场边坡的稳定状态。在边坡周界设置排水沟，将滑坡区外坡体上的降水和地下水露头通过人工排水沟排出，减少对滑坡区稳定性的影响；同时对坡体内地下水露头区设置排水管，将地下水引出。此外还需对滑坡裂缝区和上部采用防渗措施，降低降雨入渗量，从而减少降雨入渗对边坡稳定性的影响。

在防治工程施工完成之前，设置观测网络，监测滑坡体及周边地段的地表变形情况，随时了解变形动态，识别变形异常，做好实时预警，为地质灾害防治提供技术支持。

4 结论

1) 龙门矿区尾矿排土场高边坡堆积坡度大，且为岩土混排结构，尾矿介质物理力学性质差，不利于边坡稳定；同时距活动断裂带近，且降雨量集中，这些因素都不利于边坡稳定性，容易在外动力条件下诱发滑坡灾害。

2) 选取典型剖面进行稳定性分析，得出天然状态下，排土场上部剖面稳定性系数为1.201，排土场下部剖面稳定系数为1.36，其边坡处于稳定状态；强降雨条件下，结合流场与孔隙水压力计算，排土场上部剖面稳定系数为1.07，排土场下部剖面稳定系数为0.97，其边坡处于临滑失稳状态。

3) 龙门矿区尾矿高边坡地质灾害防治可采用20.3m高度间距的多台阶排土方式，并设置相应宽度的安全平台，清理尾矿弃渣，以达到安全稳定状态。同时需辅以地表水和地下水排水防渗措施，加强地质灾害预警监测，做好减灾防灾工作。

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