地震和降雨作用的矿山排土场稳定性分析

罗成彦

(中钢集团武汉安全环保研究院有限公司 武汉 430081)



地震和降雨作用的矿山排土场稳定性分析

罗成彦

(中钢集团武汉安全环保研究院有限公司 武汉 430081)

为了研究不同工况对矿山排土场边坡稳定性的影响，在调查分析排土场工程地质特征、散体和地基土物理力学性质、结构特征和稳定性影响因素的基础上，运用极限平衡法对排土场在正常运行、地震、连续降雨3种工况下的稳定性进行了分析。研究表明：3种工况下排土场均处于稳定状态，但在地震条件下排土场边坡稳定安全系数储备较低，可能发生浅层滑坡，对坡脚下部的高压线铁塔和铁路线构成威胁，提出了修筑防滚石挡墙，做好排土场安全监测、排水、日常安全管理工作等对策措施。

排土场 地震 降雨 稳定性

0 引言

武钢乌龙泉矿山北排土场分为山北东、山北中、山北西3个区段，设计堆存量941万t，其中山北东排土场占总堆存量近50%。山北东排土场顶部已复垦植树，东临京广铁路线，东面边坡下部坡段修建有高压铁塔，且周边村民时常在排土场掏采石料，造成排土场坡面形态局部劣化，形成潜在的安全隐患。山北东排土场的稳定性至关重要，不仅会影响到矿山生产安全，而且会危机坡面下的高压输电线铁塔和临近的京广铁路线运行安全。因此，本文对山北东排土场稳定性展开分析与预测，并提出了相应的治理建议。

1 排土场工程地质、气象条件

乌龙泉矿山北东排土场位于湖北省武汉市江夏区乌龙泉镇境内，区内地形属丘陵地貌，区域地质属东西向构造带鄂南之东段，即南淮阳断裂带之西南，洪湖-武汉一线以东的单斜构造。山北东排土场长约880 m；坡顶标高79.0 m左右，坡脚标高31.9～39.8 m；坡顶至坡脚最大高差为47 m。山北东排土场分两级台阶，阶段高度为12～20 m，总堆置高度为32 m，安全平台宽度为10 m，阶段坡角为7°～36°，总边坡角为13°。排土场地基地层岩性以下二叠系页片状粘土岩和灰岩为主；第四系坡积+洪积层、残积+坡积层覆盖其上，厚度为0.0～5.9 m；人工填积层包括碎石土和素填土。排土场平面图如图1所示。

图1 排土场平面图

根据国家标准《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)，乌龙泉地区的建筑抗震设防烈度为6 度，设计基本加速度值为0.05g，所属地震分组为第一组；场地按抗震有利和不利地段划分，属于“抗震不利场地段”。

根据气象观测资料，乌龙泉矿区降雨量由于受季风影响，全年分配不均，年降雨量一般在950.2～1 862.6 mm之间，平均年降雨量为1 282.23 mm，每年四至八月份为雨季，雨季降雨量平均为780.67 mm，占平均年降雨量60.88%，日最大降雨量为211.5 mm。最长连续降雨天数为14 d，其降雨量为136.9 mm；连续最大降雨量为457 mm，其天数为8 d。由于雨量集中，对排土场稳定性有直接影响。

山北东排土场地下水有上部滞水和基岩裂隙水两种类型。上部滞水赋存于碎石土和素填土层中，无自由水面，水位受周边环境影响而变化；基岩裂隙水赋存于基岩裂隙中，总体上水量不大且不均匀。

2 地震和降雨作用的排土场稳定性分析

2.1 排土场结构特征及稳定性影响因素

2.1.1 排土场结构特征

排土场是露天开采剥离物集中排弃堆存的场地，包括排弃物本身及其基底两部分。

排弃物分为土、岩石或土和岩的混合物料，基底有土层或岩层。堆积体属于松散岩土物料组成的结构体，不同岩性、不同强度的岩土排弃在排土场内形成不同结构，而且松散岩石沿排土场边坡面排放后运动形成自然分级，产生自上而下的岩石块度结构的变化。

排土场地基是所排弃废石的承载体，不同的排土场地，因场地工程地质、水文地质条件及地貌特征变化影响，尤其是山坡型排土场，在排土场推进过程中可能要经历陡缓不同坡度地形、或由坚硬岩石、或强风化层、第四系表土软岩等构成的地基。

2.1.2 排土场滑坡形式

排土场的灾害形式因地质、地理、气候等自然条件不同而异，按其排土场破坏表现形式，主要分为排土场滑坡和泥石流。

排土场滑坡是排土场灾害中最为普遍、发生频率最高的一种，按其产生滑坡的位置和深度可分为排土场与基底接触面滑坡、排土场沿基底软弱层滑坡和排土场内部滑坡3种类型[1]。

2.1.3 排土场稳定性影响因素

因排土场处在自然环境条件下，堆积物一方面在重力作用下逐渐沉积压实固结，结构强度增加；另一方面在长期经受自然界风、雨水、高温寒冷、地震等环境应力的作用下，也面临侵蚀风化的影响，其稳定性是动态变化的，二者的综合作用将决定排土场稳定性发展趋势。

影响排土场边坡稳定性的主要因素有：排弃岩土石料的性质、排土场基地工程地质条件、水文地质条件、气象条件、堆置高度及坡度等，其中排弃岩土石的性质和排土场地基及水的影响最为显著[2]。

若排土场堆积体存在软弱夹层，或含粘性矿物的软岩，在超规模堆积、降雨或地下水位上升时，使基底沼泽化、土砂吸水后软化呈塑性状态，则排土场稳定性较差，如风化岩或表土层岩土混排时，堆体中形成集中的土体软弱带，特别是沿排土台阶形成的整齐的软弱层，将极大削弱排土场的稳定性。

大气降雨及降雨量的多少是排土场是否稳定的重要条件，尤其对土、软岩性质的堆积体更为明显，大量的降水形成的堆积体孔隙水及下渗将产生静水压力和渗透压力，同时增加了土体自重荷载，浸透湿润同时减弱了堆体的抗剪强度，并在排弃物料中或与地基接触带形成软弱层从而导致滑坡，大面积浸泡或迳流冲刷堆体坡脚也将削弱排土场的稳定性。

基底倾斜或缓倾斜的排土场，易发生滑坡，有关研究成果和生产实践表明，当基底坡度大于24°时，不利于堆集体的稳定。基底虽平缓，若排放不合理，或总堆置高度超高，超过土层承载力，也可能诱发滑坡；由中硬、硬岩及其风化碎块构成平缓基底的排土场不易发生滑坡。

排土场堆置要素配置是否合理也影响其稳定性，若排土场堆置台阶过高、坡面过陡，超量堆放，或表层土等粘性料的集中成片排放等都可能引起排土场产生滑坡变形。因此，不适当的改变排土场堆置条件和堆置要素将严重危害排土场的稳定性，如在排土场坡脚进行采挖，人为加大坡面坡度等活动必然引起排土场变形、滑坡，并可能诱发坡面石块向下滑动、滚落。

山北东排土场原地形地貌为平缓的丘陵坡地，坡度4°～13°，局部24°。总体而言场地地形条件比较好，排土场原地形局部还有反坡，更增加了排土场整体稳定性。同时因堆积总量较大，堆积体料大多为露天采矿剥离的基岩等，堆积体中岩石比例相对较高，渗透条件较好。排土场坡脚下部局部修建有排水沟，但疏于管理，多处存在堵塞，对排土场稳定性未起到应有作用。排土场边坡设有沉降观测点等安全监测设施，矿方对排土场边坡进行不定期监测。

2.2 排弃物及原始场地基础岩土层物理力学性质

对山北东排土场的勘察探明其岩土分层情况从上到下为：3层排弃碎石土，3层第四系表土，3层场地基础岩层。通过对各岩、土层的物理力学性质试验，获得稳定性计算综合参数取值见表1。

表1 稳定性计算参数

注：空白项表示相应岩、土层未测出相应指标。

2.3 排土场稳定性分析方法选取及稳定性计算工况确定

本文采用土质边坡稳定性分析软件STAB对山北东排土场进行稳定性分析。由于排土场边坡为人工堆积高边坡，排弃物内没有明显的破坏面存在，在分析排土堆的稳定性时，需要对多个可能的滑面进行稳定性分析，从中寻找安全系数最小者，进而确定最危险的滑动面[2]。由于排土场堆料为散体结构，所以堆积体内最易发生圆弧型滑坡，而对于沿堆体与基底接触面或地基中的滑坡破坏形式，其滑动面基本为非圆弧滑面。本文对各滑面采用了Spencer法进行搜索并确定最危险滑动面。

排土场废石顺坡自下而上分台阶堆放，因废石全部为露天矿剥离矿岩，材料来源相对稳定单一，各堆积层堆放的矿岩基本为同一时期的剥离矿岩，其结构、性质和堆置条件也基本相同。本次稳定性计算对山北东排土场沿走向选择有代表性以及坡面较陡剖面A-A′和B-B′分别进行计算(见图1)，综合分析排土场的整体稳定状况，剖面示意图如图2、图3所示。

图2 A-A′剖面

图3 B-B′剖面

排土场内部的人工填积层1-1,1-2,1-3地层渗透系数均很大，降雨时较难在其内部形成孔隙水压力，因此在排土场内部滑动的局部破坏稳定性分析中直接将降水荷载等效为上部土层的容重进行降雨作用的考虑；而对于深部的地基第四系粘土层2-1,3-1,3-2渗透系数较小或为相对隔水层，在连续降雨时，存在降水入渗到这些地层的可能性，故在沿排土场与基底接触面滑动破坏和沿第四系表土发生滑动的整体破坏稳定性分析中，对上部渗透系数大的碎石土将降水荷载等效为土层的容重，在第四系土层中通过孔隙水压力系数考虑降水影响。

山北东排土场场地属于“抗震不利场地段”。故在本次稳定性分析中考虑了烈度6度地震发生时的情况。具体通过地震加速度值考虑地震作用的影响，按规范乌龙泉矿区域设计地震加速度为0.05g，本次稳定性计算中按通常的折减系数0.25进行折减[3]。

排土场部分区域是在原地形基础上经过开挖剥离后再排弃物料(其稳定性分析剖面B-B′具该代表性)，在开挖剥离过程中已将第四系粘土层清理干净，其地基基础为强度指标较高的灰岩，该区域堆积体内部土层也均是渗透系数较高的土层1-1，1-2和1-3，故排土场B-B′剖面沿地基发生滑动破坏情况概率很小，沿接触面滑坡破坏方式中降雨时亦较难在其内部形成孔隙水压力，所以排土场B-B′剖面在稳定性分析中不必考虑沿地基发生滑动破坏形式，沿接触面滑坡破坏稳定性分析中无需考虑降雨工况下的孔隙水压力。

综上，对排土场堆积体稳定性情况分别在正常运行、地震两种工况下计算分析；对排土场沿排土场堆积体与基底接触面滑动情况分别在正常运行、连续降雨(排土场B-B′剖面除外)、地震3种工况下进行稳定性计算分析；对排土场沿第四系表土发生整体滑动情况(排土场B-B′剖面除外)在正常运行、连续降雨、地震3种工况下进行稳定性分析。这些潜在滑面及其相应的运行工况包括了排土场可能存在的滑动破坏情况及形式，其稳定性分析能客观全面地反映排土场稳定性情况。

2.4 排土场稳定性分析

通过计算，稳定性分析中选取的两个剖面各滑坡破坏模式下不同工况安全系数见表2。

表2 排土场稳定性分析结果

注：空白项表示相应区域相应工况经论证破坏概率很低而未进行计算。

排土场堆积体内部滑坡类型、沿堆积体与基底接触面滑动破坏类型、潜在滑动面穿过第四系土发生整体滑动破坏模式最危险滑动面位置示例分别如图4、图5、图6所示。

图4 堆积体内滑坡稳定性分析结果

示例(A-A′剖面，正常运行)

图5 沿基底接触面滑坡稳定性分析结果

示例(B-B′剖面，地震)

图6 沿地基整体滑坡稳定性分析结果

示例(A-A′剖面，连续降雨)

通过稳定性计算，排土场堆积体在正常运行和烈度6度地震工况下最小稳定性安全系数分别为1.192及1.160，均位于B-B′剖面区域，不存在排土场内部滑坡破坏的危险，但在烈度6度地震工况下安全储备较小；排土场与基底接触面在正常运行、烈度6度地震和连续降雨工况下稳定性安全系数最小分别为1.448，1.402和2.832，有一定安全储备，该种滑坡破坏的风险较低；排土场潜在滑面通过第四系表土时计算分析所得在正常运行、烈度6度地震和连续降雨工况下最小稳定性安全系数均大于2，

安全储备较高，符合规范要求，整体稳定性较好。

3 结论与建议

(1)乌龙泉矿山北东排土场产生沿排弃物与基底接触面、穿过地基深层大规模整体失稳破坏的可能性很小。

(2)当发生烈度6度地震时，排土场堆积体内浅层稳定性安全系数储备较小，由于地震震动影响，可能造成坡面滚石危害坡脚附近的高压输电线路铁塔和京九铁路线的运行安全。

(3)降雨工况下，排土场稳定性安全储备较高，发生滑坡破坏的可能性很小。

(4)建议在高压输电线路铁塔附近修筑防滚石挡墙，在该区段坡顶附近修建截水沟，且加强坡面浮石清理，设置安全警示。

(5)建议加强、完善排土场边坡的安全监测工作，优化现有监测网，定期进行监测，并视情况合理调整监测频度。今后随着排土场的推进，视情况增加相应的监测点。

(6)建议矿方加强管理，禁止沿坡脚的采挖活动，防止形成陡立坡面，破坏和劣化排土场安全条件，及时清理坡面浮石，定期对截水沟进行疏通；设立必要的警示标识，防止人员、车辆误入不安全区域。

[1]徐燕,佴磊,丁黄平.南芬铁矿大东沟排土场稳定性分析与治理对策[J].金属矿山,2007(4):19-22.

[2]陈鹏,陈鹏飞.露天矿排土场边坡稳定性分析[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2010,29(6):1028-1031.

[3]陈祖煜.土质边坡稳定分析-原理·方法·程序[M].北京:中国水利水电出版社,2003:192.

Stability of Mine Waste Dump Considering Earthquake and Rainfall

LUO Chengyan

(SinosteelWuhanSafety&EnvironmentalProtectionResearchInstituteCo.,Ltd.Wuhan430081)

In order to study the effects of different working conditions on the stability of mine waste dump, surveys of engineering geology characteristic, mechanical property of soil layers, structural characters and factors affecting stability of the waste dump are done. Then stability analyses are carried out using limit equilibrium method to obtain the safety factors of the waste dump slope respectively considering normal condition, earthquake and rainfall. The results show that the waste dump slope is stable in the three different working conditions. Yet the safety factor of the waste dump slope is relatively low and surface landslide is likely to appear while earthquake happens. As surface landslide is a great threat to the iron tower and railway near the slope toe, some measures are presented to prevent the damage, like building retaining wall to keep off rockfall, enhancing safety monitoring, water draining and daily safety management against the waste dump.

waste dump earthquake rainfall stability

罗成彦，男，1983年生，工程师，主要从事矿山安全技术及边坡安全方面的研究工作。

2016-06-13)