排土场边坡区域稳定性及整体安全度分析研究

甘海阔 周汉民 崔 旋

（1.北京矿冶科技集团有限公司，北京102628；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京102628）

露天矿排土场剥离废石总量大，占地面积大。据资料统计，我国排土场、矸石山等的占地面积已达（1.4～2.0）×104km2，而国力只能支撑6%复垦率［1］。近些年来，随着我国矿山企业新建排土场所面临的征地、经济、环保等方面的压力增大，在确保安全的前提下尽可能提高原有排土场排弃高度、增大废石堆排量成了矿山的追逐目标。如海南矿排土场计划堆排高度为200 m，南芬矿庙儿沟排土场设计高度280 m，厂坝七架沟则计划建设约400 m的超高排土场等［2-3］。但现实条件下我国大多已建排土场所面临的现状为：受先天选址条件制约（排土场的复杂地形、地质条件、不规则边界条件）以及后天排土条件影响（特定排土工艺、堆置方式、不均匀的排土物料特性），排土场的稳定性成为关注的重点［4］，随着排土场进一步向高堆排，无疑将造成排土场的安全问题更加突显。

作为大量土石混合料经搬运至特定场地按照一定堆排方式堆积所形成的大体积人工土石边坡，排土场的稳定性呈现出多区域多因素影响的空间效应。表现为：①由于排土场往往占地面积较大，处在同一排土场的不同区域由于场地地形及地质条件差异性大，造成其稳定性存在差别；②排土场的不同区域由于堆置方式以及排土质量控制有所差别，使得各区域排土体排土段高、坡度等条件差别较大并由此造成排土物料力学特性空间变异性较大［5-7］，从而影响各区域边坡稳定性；③受制于不均排土边界条件下的排土场边坡形成极不规则的空间排土体形态，使得排土场在空间上表现为凹形夹持和凸形发散效应［8］，表现为凹形区域、凸形区域和较规则区域的边坡稳定性存在一定差异性；④根据工程实例记录所得的各典型排土场的滑坡失稳均呈现出明显的空间滑移体形态［9］。因此准确反映排土场多区域多因素影响下的空间效应，分析排土场边坡的空间破坏过程，并合理评价排土场整体安全度，对于保证排土场的安全运行具有十分重要的意义。

本文将针对当前我国排土场边坡稳定性研究的上述问题，以国内某复杂条件下大型高排土场边坡为例，依据该排土场特定的几何边界条件、地形地质条件、排土现状等，将排土场划分多个区域建立三维模型，开展多区域下的空间稳定性分析研究。基于边坡稳定性强度折减系数法评价其安全度，通过对边坡开展逐步的强度折减研究排土场边坡渐进破坏失稳过程及失稳机制。并通过对三维空间稳定性与平面结果开展对比分析，研究不规则地形、边界及排土体空间效应对排土场稳定性的影响状况，揭示平面分析和空间分析稳定性结果存在差异的原因，建立排土场整体安全度控制指标。通过该项研究获得许多有益结论，并可为相关类似工程的评价、研究等提供参考。

1 工程背景

受矿区场地及选址条件限制，某排土场坐落于中低山区沟谷地形中。场地原始地形标高+75～ +173 m，沟谷坡度10°～30°，区域地形起伏变化较大。排土场基底表层为厚0～24.93 m的第四系残坡积土，平均深度约8 m；下伏地层为厚大坚实的太古界强（中）风化黑云混合片麻岩组，排土场合计占地面积约3.5 km2。排土场北侧区域分+160 m、+195 m、+240 m、+285 m、+330 m共5个台阶进行堆排；南侧区域由于区域狭窄，划分+160 m、+195 m、+240 m、+285 m共4个台阶堆排，排土场设计最大堆积高度265 m，最大堆土方量约3.60亿m3，属国内超大型排土场。

目前，该排土场采用“胶带+排岩机”方式排土作业，但由于受制于地形条件、征地界线及周边建筑物最小安全距离等限制，形成了极不规则的空间形态，如图1所示。同时该排土场周边存在着村落、学校以及选厂车间等设施，生产生活设施距离排土场的距离较近。目前排土场已堆排至约+200 m标高，随着该排土场后期堆排物的逐步增加、堆排高度进一步增大，无疑将加大周边构筑物的安全风险。因此，基于该排土场特定的地形、边界、排土条件，将排土场划分多个区域开展全面的空间稳定性分析研究显得尤为必要。

2 多区域空间安全度分析

2.1 数值模型与材料参数

本次空间稳定性研究选择排土场在空间形态、地形、地质及边界差异性较大的4个区域作为研究对象，各区域划定的研究范围如图2所示，所建立的多区域三维空间数值分析模型如图3所示。由于该排土场一直采用胶带运转排岩机堆排剥离的废石土料且采取了较为严格的分台阶控制措施，多组取样所得出的各区域排土料粒径分级差异性较小，排土物料及其他各分区材料力学参数汇总如表1所示。

2.2 空间稳定性分析

本文将基于所建立数值分析模型和试验获取的各分区力学参数，采用边坡稳定性分析的强度折减系数法，对排土场各区域空间稳定性开展研究。

边坡稳定性强度折减系数法是指通过降低排土场物料力学参数的黏聚力C和内摩擦角φ，直至边坡发生破坏失稳，以此来评价边坡的安全度。具体降强度方法如式（1）所示。

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式中，Cf，φf分别对应强度折减后的黏聚力和内摩擦角，Kfos为安全度系数值。

图4为强度折减的最终阶段各区域排土场的剪切应变增量云图及其对应安全系数，经分析可得：

（1）排土场各滑坡体区域均呈现出明显的三维空间滑移体形态。结合典型切面下剪切应变增量速度矢量图5可得：各区域排土场滑坡失稳时，表现为排土体顶部下滑、中间部位沿坡面侧向向下滑出，坡脚区域水平剪出，呈现出自顶部外缘沿坡面至坡脚滑出的趋势；对应于排土场边坡实际破坏现状往往为顶部下滑产生拉裂缝，坡脚底鼓错动；数值模拟分析的破坏现象符合排土场边坡滑坡失稳的一般规律。

（2）排土场4个区域的空间安全度分别为Kfos=1.867、1.929、1.975、1.844。依据GB50421-2007《有色金属矿山排土场设计规范》可得：排土场各区域安全度Kfos≥1.30～1.50，排土场各区域均较为稳定。

（3）通过各区域结果的对比分析，区域D与区域A（或区域B）相比，虽降低了45 m高的堆载高度（+330 m堆载平台），但排土场区域D的空间安全度为各研究区域中最小。结果表明，排土场各区域稳定性规律不仅受堆排高度单因子的影响，是受地形、边界、排土条件等因素综合影响的结果。

2.3 空间滑坡破坏过程分析

在计算各区域排土场边坡安全度的基础上，通过对排土场开展逐步的强度折减，并沿排土场各区域坡脚位置分散设置1组位移监测点记录在整个强度折减过程中排土场坡脚水平向位移变化情况，以研究排土场各区域失稳破坏过程。图6为不同强度折减过程中排土场典型剖面塑性区演化；图7则为强度折减过程中对应坡脚特征点位移演化曲线。各区域演化规律基本相似，限于篇幅本文只列出区域A下计算结果。结合区域A下计算结果，经分析可得：

（1）在未进行强度折减时（Kf=1.0），排土场塑性破坏区范围较小，仅表现为基础残坡积层区域小范围的破坏，排土场边坡整体较为稳定。

（2）随着强度折减的逐步进行（Kf=1.10～1.40），排土场边坡塑性区范围不断扩大，主要表现为基础残坡积层首先破坏，内部排土体塑性区范围逐步增大，且呈现自坡脚至坡顶逐步贯通趋势。

（3）特征剖面塑性区范围自坡脚贯通至坡顶位置贯通之后（Kf＞1.40时），塑性区贯通范围进一步由特征剖面向整个排土体延伸，形成空间大范围的塑性破坏区直至滑坡失稳。

（4）在整个强度折减过程中（Kf=1.0～Kfos），随着边坡塑性区范围的不断增大，排土场坡脚特征点位移变化规律也表现为逐步增大趋势；当各区域排土场边坡坡脚特征点位移发生规律性大规模突变时，数值迭代计算不收敛，此时可认为排土体已发生滑坡失稳破坏，此时所对应的强度折减系数即可作为排土场各区域的安全度。

3 与平面稳定性结果的对比分析

为进一步衡量评价排土场各区域安全度，比较平面分析结果与空间稳定性分析下排土场稳定性的差异，对上述4个空间稳定性分析的区域选取10个典型剖面（见图2）开展平面稳定性计算分析。图8为选取的多个特征剖面下排土场稳定性计算剪切应变增量云图，表2则为空间安全度与平面安全度对比汇总表。通过和空间稳定性结果对比分析可得：

（1）平面稳定性分析下排土场的剪切应变增量及矢量同样表现为排土体顶部下滑、中间部位沿坡面侧向向下滑出，坡脚区域水平剪出趋势，该规律与空间稳定性分析下排土场滑坡规律相同。

（2）平面稳定性分析可反映单一平面条件下地形、地质、边界及排土条件的变化，但未能反映排土体的空间效应的影响。相比而言，不同特征剖面计算出的平面安全度差异性及离散型较大，其安全度结果在1.625～2.305之间变化。

（3）平面稳定性分析结果的代表性很大程度上依赖于特征剖面的选取。与空间破坏区域相近区域下的典型切面下的平面安全度普遍低于空间稳定性分析结果0.10～0.20左右；而与空间破坏区域非同侧区域下的典型切面下的安全度结果差异离散较大，未能表现出明显的规律相似性。

4 结论

（1）受场址地形及地质条件、排土边界形态、堆置方式及排土物料特性等因素综合影响下的排土场边坡安全度具有明显的空间效应；基于多区域的空间稳定性分析及平面分析研究，该排土场整体安全情况受关键部分的局部稳定性控制。正常情况下该排土场边坡稳定性安全系数在1.844～1.975之间，排土场较为稳定。

（2）排土场各区域在滑坡失稳时呈现出明显的三维空间滑移体形态及特征，表现为排土体顶部下滑产生拉裂缝，底部剪出呈坡脚底鼓现象。对应于数值计算，表现为排土体大面积塑性区贯通，并产生边坡位移发生突变。

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（3）经过空间与平面稳定性结果的综合比较分析：与空间破坏区域同侧区域下的典型切面下的平面安全度结果能够近似反映排土场的整体安全度，其安全度结果普遍低于空间稳定性分析结果0.10～0.20左右。

（4）平面安全度分析的结果可靠性和代表性依赖于特征剖面的选取。对于受地形、地质、排土边界等空间因素影响较大的排土场边坡，在开展稳定性计算时，宜采取空间稳定性和平面稳定性2种分析手段相结合的方式，以保证分析结果的准确、可靠。

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