降雨对矿山排土场边坡稳定性影响分析

华铁军

（长春黄金设计院有限公司，吉林 长春 130000）

伴随采矿行业的不断发展，矿山排土场的生产规模越来越大，高度也在上升，而排土场的可靠性关系着矿山的稳定生产，如果出现失稳现象，不但会阻碍矿山的顺利生产及经营，还可能引起人员伤亡事件，尤其是遇到连续降雨环境，可能引发大范围的泥石流，导致更加严重的后果。由此，对降雨环境下矿山排土场边坡可靠性展开分析十分重要。边坡可靠性是个长久的探究课题，国内外很多学者均进行了全面的探究工作，并获得了显著的研究成果。下文结合矿山排土场基本特征，经假设四棱锥型的碎裂面模式，并给予极限平衡理论，得出了矿山排土场边缘的3D可靠性分析办法。

1 排土场边坡3D模型和地质环境模型

1.1 基本假设

考量到矿山排土场是处在自然山体坡面上，且分台阶存在的，具有自然滑裂面，本文假设矿山排土场坡体失稳模式见图1所示，边坡失稳模式是四棱锥体（ABCD），破裂面于底面（ADE）。

图1 边坡失稳模式示意图

按照本文假设的破裂面模式，后期分析过程的基本假设是：①初始状态假设滑裂体并未变位；②滑块处在极限条件下时，两侧面（ABE与CDE）遭到静止土压力影响，底面ADE遭主动土压力影响，滑裂面的损坏准则符合Mohr-Coulomb标准；③滑块侧边滑动轨迹是AF、DG、F，其中，G是BE和CE的中点；④地表可能具有的超载处在BCE的形心；⑤坡体失稳滑裂面的改变参数涉及三点，即坡面大小BC为a（米），深度ME为b（米），土体滑裂面（ADE）倾角是θ。

1.2 排土场项目的地质环境与边坡模型的创建

某矿山排土场包括一期与二期规划建造。一期排土场在2011年完工，土场东西长度为1250m，南北宽度为370m～570m，占地范围为903亩，最高排土堆放标高是150m，总容积为1887万m³。二期排土场于一期前提下开展扩容建造，扩容后的排土场重点朝南北两边各增宽200m～300m，总占地范围2286亩，二期排土场最后堆放标高180m，初步规划总容量是9000万m3，二期排土场在2017年正式投用。

排土场是丘陵地貌，存在侵蚀-剥蚀性；地形条件是：两条沟谷，为南北走势，沟谷上游较为窄小，所以沟谷形态是“V”型；沟谷下游就是两条山沟的集中处，比较开阔，同时谷底的长度大概是1km，宽度大概是450m；纵坡降大概是10%。排土场周围的山坡坡度大概是20%～30%，绿化植物较为发育。

仔细研究排土场项目的设计信息、地勘报告和现场项目的测量调查表明，该排土场现场的岩土层，由上至下分别为：废土石、耕种土、粉质土层、中风化粉砂岩。根据地下水压力特点与内部的条件，能细化排土场地下水，分成基岩内空隙潜水、第四系疏散层空隙潜水；而空隙潜水常存于风化基岩中；而空隙潜水则存于第四系冲洪积层中。相关排土场边坡和常见地质剖面如图2所示。

依据排土场地质环境，创建有关排土场边坡运算模型，其中，模型系统共6073个，节点为5947个。

图2 排土场边坡和常见地质剖面（单位/米）

2 研究排土场项目边坡的稳固性与时变

2.1 饱和以及非饱和的渗水理论管理微分方程

降雨环境下的排土场项目边坡渗水稳固性研究是饱和以及非饱和的失稳渗水分析，具体管理偏微分式子为：

其中，kq表示介质饱和条件下的渗水张量；kr（h）p表示介质相对渗水的阐述；饱和区的数值为1，非饱和区就处在0～1之间。

hp表示压力水头；z表示位置水头；h为总水头，它们之间的关系为：h=hp+z；Q为源汇项。C（h）p表示容水度，具体饱和区的数值为1，非饱和区就为∂θ/∂hp（θ代表体积含水率，β为选取的产量，0是非饱和区，1是饱和区系数）。

SS表示饱和系统的贮水值，饱和区为常数，非饱和区的值为0；t为时间变量；xi为坐标。

2.2 明确降水的边界

重点是对排土场瞬间渗水分析，提出以下假设：

第一，排土场边坡表层受到降雨影响，并以降雨渗透为边界，当流量边界的降水强度低于土体渗水性能时，测定水头边界的降水强度就大于土体渗水性能，这时，假设超渗透产生径流之后迅速排泄，没有积水，则水头值为地面的高程，而边界水压为0；

第二，饱和区用作定水头边界，重点按照初始的地下水高度进行确定；

第三，边坡模型下底假设仅产生水平的渗水，是不渗透的边界。

3 不同雨型环境下排土场的可靠性探究

3.1 失稳形式

参考矿区项目的地质调研表，该排土场边坡有三种失稳形式：

其一，顺基底下卧层总体的滑动，重点是因为堆积的台阶增多和滞水的作用导致，这次滑动失稳形式的危害性很大，但难以出现，所以，此处不进行考虑。

其二，总体圆弧的滑动，常产生在近似圆弧状的废石土中，而这次滑动失稳形式也难以出现，所以，本文不予以考量。

其三，台阶坡度较为陡峭，从而导致每个平台边坡局域的滑动，这次滑动的损害极易出现，所以文章将进行详细探究。经对本排土场边坡每个平台形态稳定时程计量，得到三种失稳形式安全指标时的变曲线。

3.2 整体分析

（1）比较研究三个平台安全指标的变化程度，四种降水下565平台的安全指标和时间是正相关关系，这是因为565平台偏低，如果出现降雨，则水流可以迅速排出到最小的平台，且难以再次被排出，所以产生了滞水情况；此外，两个平台就是因为高层相对偏高，难以受到降水的汇流。通过上述分析得知，若565平台连续推高，则出现失稳的机率很大。

（2）比较研究Ⅰ雨型和Ⅱ雨型，针对本排土场区域安全系数对时间的影响，能够从中知道，Ⅰ雨型上的565平台安全系数从1.148下降到1.105；Ⅱ雨型安全系数就是从原本的1.148下降到1.075；比较两种雨型，可以得知，总雨量相等环境下，短期大暴雨将极大严重到排土场的可靠性。这是因为排土场渗水指标较大导致，且和其他土质边坡在根本上存在明显区别；当降强偏小时，排土场渗水的水平＞降雨强度，则降雨会直接渗入排土场边坡中，从而导致地下水水位升高，从地表直接排出，所以仅有大暴雨会极大影响到排土场的可靠性。

（3）比较研究Ⅲ雨型和Ⅳ雨型对该排土场边坡安全性能的影响，可以从中得知，Ⅲ雨型降水结束后的安全指标呈降低趋势，而且滞后效应非常明显；Ⅳ雨型降水完成后的安全系数不断回升，且没有滞后效应。比较结果表明，Ⅲ雨型影响下，该排土场降雨结束以后的安全系数降低幅度很大。

4 结语

首先，针对极限平衡理论，研究了矿山排土场坡度四棱椎滑坡体的3D可靠性判断方式。以某排土场边坡为研究主体，提出边坡模型和地质模型的建立条件。

其次，根据实验得出的排土场分散物料强度和含水量间的联系，利用提供的边坡3D可靠性判断方式，比较研究了降雨渗入前后边坡的可靠性。由分析结论得知，降雨渗透加大的土体含水量，下降了其抗剪强度性能，边坡可靠性也将下降。为此，为保证排土场的安全，排土场应建可靠的截（排）水设施：为了上游汇水和底部渗流及时排出，可采用大石铺底、底部设排水盲沟、上游设截水坝、倒洪硐（渠）等措施；为减少排土场汇集雨水量，可在排土场周围设截（排）水沟，并在安全平台和排土场表面设计排水沟渠等。

综述：降雨是排土场边坡失稳的重要因素之一，无论何种形式的降雨都将对排土场边坡的稳定带来不利的影响，为此，排土场应建有可靠的截（排）水设施，尽量避免（较少）降雨对排土场边坡稳定的影响，保证排土场的安全。