某露天铁矿排土场边坡稳定性分析研究

王豪 吕岱

摘要：中国是一个多露天矿国家，其中露天铁矿的开采量占到中国整个铁矿石开采总量的90%。而在露天铁矿的经营中，排土场安全问题显得尤为重要。排土场的稳定与否不仅直接关系到矿山的安全生产，还涉及到周边环境的安全及附近居民的安危。

研究工作主要包括野外工程地质勘查、建立排土场边坡的地质模型、确定排土场滑坡的破坏模式和运用极限平衡法对排土场边坡进行稳定性分析。

通过此项研究，可以对排土场边坡进行稳定性进行分析和评价，指导今后的排土场治理，对于排土场稳定性分析评价、排土场灾害治理及矿山复垦等都具有十分重要的意义。

关键词：露天铁矿；排土场；边坡稳定性；滑坡；极限平衡法

中图分类号：TF521文献标识码： A

0、前言

露天铁矿生产过程的重要特点就是必须剥离覆盖在矿体上部及其周围的岩石，并运至一定地点排弃。铁矿的围岩硬度系数大，一般在8～10以上,经过大规模机械化开采后,剥离排弃物料粒径常在几百乃至上千毫米,难以在短期内自行粉碎风化,加之排土场极端缺乏细粒碎屑,平整难度大,平整后场地孔隙大，持水性差。多数矿山不易在近距离内找到用以覆盖的土壤，以致于不进行大规模的工程措施来改善土地条件，就不具备植物生长的基础，因而只能降低复垦土地的利用目标。当露天开采很深的急倾斜矿床时，要恢复利用被破坏的土地是很困难的。排土场高度达100米以上时，形成了独立的小气候，干燥、风大，雨水迅速流失，极难作为农业用地。急倾斜矿床开采完后留下的深露天坑绝不是暂时现象，它们几乎将永远地改变了原来的自然景观。矿山复垦后有条件用于农业的土地一般不会超过15%，大部分只能用于造林、休憩地或建筑；排土场边坡上可考虑种植容易生长的藤草和灌木丛，达到绿化和保持水土的目的。

本文对某露天铁矿排土场为例，对排土场的稳定性进行了分析及评价。

1、排土场地质环境现状

露天铁矿排弃的大量的废石占用了大量的土地，使原有的绿色生态环境变成了碎石遍地，寸草不生的荒坡。每年汛期排土场形成的滑坡、泥石流等地质灾害的危险直接威胁着周边居民生命财产的安全。春秋季节由于大风的作用，排土场成了空气污染的源头，漫天飞舞的尘土黄沙，严重地影响着矿区及周边居民的身体健康，矿区及周边地区居民呼吸道疾病的发病率明显地高于其它地区。由于矿山的生产严重地破坏了周边地区的自然生态环境，致使矿山与周边地区居民的矛盾日趋严重。

2、边坡稳定性分析方法及原理

边坡稳定性分析方法中极限平衡法是边坡工程分析与设计中最主要的且最有效的实用分析方法，并为各国规范所采用。其基本原理是先假定多个滑坡可能的滑动面，然后根据静力平衡条件和莫尔——库伦强度准则计算沿各滑动面滑动的可能性，从中寻找稳定系数最小者，其对应的滑动面即为滑坡滑动可能性最大的滑动面。

圆弧型滑面主要采用Sarma法, Janbu 法和Bishop法来综合考虑。目前极限平衡法多为竖向条分法体系，即将滑动土体分为若干竖向条块，然后在考虑条块受力平衡、力矩平衡或二者均平衡的条件下，求解边坡的稳定系数及相应的滑动面。

3、排土场边坡稳定性分析

根据我国部分露天矿排土场的典型滑坡事例分析表明：排土场滑坡破坏模式主要有：排土场内部滑坡、沿原始坡面滑坡以及基岩本身滑坡三种形式。

1.内部滑动

结合排土场具体情况，对排土场内部滑坡考虑圆弧型滑动。选取了1个剖面来进行计算和讨论。

表3－1排土场剖面Ⅰ—Ⅰ潜在滑面稳定性系数

Sarma法 Janbu法 Bishop法

滑面1 1.292 1.224 1.297

滑面2 1.216 1.206 1.238

滑面3 1.222 1.213 1.253

滑面4 1.369 1.362 1.361

在正常水位下，排土场Ⅰ—Ⅰ剖面的各个潜在滑动面的稳定性系数均大于1.2，处于稳定状态，边坡不会沿着潜在滑动面滑动。但是本地区，6～9月份降雨量较大，7月份降水能达到200mm左右。在这种情况下，如果排土场的排水情况不好，坡体内的地下水位升高到一定数值，将会影响排土场边坡的稳定性。

而此次排土场治理工程中，不仅坡顶设置了挡水墙，使地表汇水沿墙排出，阻止地表汇水冲刷坡面，还在坡面设置了排水沟，以便排出坡面的地表汇水和，防止地表水渗入坡体，有效降低坡体的地下水水位，保证坡体稳定，不发生大规模的滑坡。排土场的边坡治理过程中夯实地表裂缝以减小地表水的入渗，平整渣台保证地表水快速排泄，降低地下水位。在排土场坡面采用网格状种植树木，植成防风固沙片林。保持水土，防止雨水直接冲刷坡体，防止发生地质灾害。

2排土场沿原始坡面滑动

经计算分析，排土场原始坡面在正常水位状态下的稳定系数为1.217，大于1.2，处于稳定状态。当排土场疏干率为75%时稳定系数为1.2;当排土场疏干率为42%时稳定系数为1.0，排土场处于临界状态。当排土场疏干率低于42%时，稳定系数小于1.0，处于不稳定状态，排土场将整体沿原始坡面产生大规模滑动。

输干率对于排土场稳定性有很大影响，而在排土场治理工程中沿坡顶设置的挡水墙和坡面纵向设置的排水沟，能在降水较大时，迅速排出地表水和地下水，有效降低地下水水位，保证排土场稳定，不发生滑动。

综上可得:目前情况下，排土场在正常水位下的稳定系数大于1.2，处于稳定状态。而排土场治理工程中的诸多措施，例如设置挡水墙、排水沟等，都能在降水较多的季节及时截留地表汇水，降低坡体内的地下水水位，保证坡体不会沿最危险滑动面发生滑坡。

排土场的边坡治理过程中夯实地表裂缝以减小地表水的入渗，平整渣台保证地表水快速排泄，降低地下水位。在排土场坡面采用网格状种植树木，植成防风固沙片林。保持水土，防止雨水直接冲刷坡体，防止发生地质灾害。

3排土场基岩本身滑坡

露天铁矿土场地区主要分布蛋青色泥灰岩，以及灰白色中细粒石英砂岩夹薄层黑色页岩。其中以泥灰岩分布最广，石英砂岩只在局部出现。

岩体破坏有以下几种模式：楔体破坏，圆弧破坏。每种破坏模式的产生都有其特定的地质条件，只有当条件满足时，才可能产生相应形式的破坏。

对于岩体的稳定性，主要是由其中的各种不连续面所控制的。而各种破坏的发生有其特定的条件，当条件不满足时，岩体则不可能产生滑动。

产生楔体破坏时，必须要有两组结构面控制，才能形成楔形体，从而产生破坏。而排土场下部基岩中只有地层层面一组结构面，无法形成楔形体，故不会发生楔体破坏。

圆弧破坏产生的条件是：岩体非常松散，组成岩体的单个颗粒与边坡相比是极其小的，且这些颗粒由于其形状关系不是相互咬合的。而研究区域内基岩是相当完整密实的，所以不会产生圆弧滑动。

综上所述，研究区域内基岩是稳定的，排土场基岩本身不会产生滑动。

4、结束语

1、目前情况下，排土场的稳定系数大于1.2，处于稳定状态。

2、在雨季或融雪季节，当排土场内地下水不能及时排出时，排土场边坡的稳定性将大幅度降低，边坡处于不稳定状态。

3、排土场如果降水较多，坡体内地下水来不及排出，则容易沿滑面滑坡。

4、目前情况下，排土场疏干率低于42%时，排土场将整体沿原始坡面产生大规模滑动。

5、在排土场排土场治理工程中，渣台平整。使坡面不会汇集地表水，保证坡体不会产生局部地下水过多，影响整个坡体的稳定性。

6、由于排土场治理工程中在坡顶处设置了挡水墙，在降水较多的季节，能够阻止地表汇水冲刷坡体，并及时把地表水排出。使坡体内地下水维持在一个安全的水平，使整体排土场的稳定性。

7、在治理工程中，在排土场范围内修筑排水沟，将山坡渗流下来的表层水通过排水沟导流向渣台两侧山谷保证了渣台稳定。

8、夯实地表裂缝以减小地表水的入渗，降低地下水位。

9、在排土场坡面采用网格状种植树木，植成防风固沙片林。保持水土，防止雨水直接冲刷坡体。

10、正常水位下，排土场稳定，不会发生滑坡。降水较多时，采取较好的防排水处理措施，能保证坡体稳定，不会发生大规模滑坡。

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