红家营排土场堆排设计及边坡稳定性分析

卢邦飞，卢俊华，穆顺要

（天津华勘老挝矿业有限公司，天津 300170）

1 工程地质概况

红家营铅锌矿矿排土场位于云南省个旧市大屯镇。排土场作为矿山接纳废土石的场所，是矿山组织生产中不可缺少的一项永久性工程建筑[1]。排土场在矿山生产和闭坑后能否持续稳定，其堆存方法及稳定性是必须考虑的重大问题。

根据工程资料，结合钻探结果，堆场地层主要是第四系人工堆积石渣、第四系坡残积黏土及三叠系中统个旧组灰岩，各层的具体情况如下。

（1）第四系人工堆积层（Qml）。第①层石渣：灰色～深灰色、灰白色夹浅肉红色，由碎石组成，稍密为主，局部松散或中密，稍湿。碎石成分主要为强～中风化的石灰岩、大理岩及花岗岩，少量为矽卡岩、泥岩等岩类碎屑，粒径1～5cm为主，最大可达30cm左右。厚度2.00～33.50m，分布于整个场地。

（2）第四系坡残积层（Qdl+el）。第②层黏土：棕褐色～褐黄色，夹黑灰色，硬塑～坚硬状态，稍湿，局部含少量强风化石灰岩。主要分布坡脚一带，厚度0.90～21.50m。

（3）三叠系中统个旧组（T2g）基岩。第③层石灰岩：浅灰色，灰色，细晶结构，中厚层状构造，中风化为主，部分强风化。裂隙较发育，沿裂隙偶见溶蚀现象，裂隙被黏土充填。岩芯呈短柱状或碎块状，所有钻孔均揭露此层，揭示厚度2.40～8.60m。

各岩体物理力学参数取值如表1所示。

表1 岩体物理力学参数取值表

2 排土场地形特征

红家营排土场为山谷+坡地型排土场，山沟走向由东至西，南、北高中间低，南、北部有山脊，形成天然的分水岭。排土场东高西低，乡村公路由西至东从排土场南侧通过，排土场西部下游有天然的山沟，可作为截洪沟排泄通道，排土场排水条件较好。

3 排土场堆排设计

（1）废石堆置总高：60m（标高2010.00～2070.00m）。

（2）堆置台阶高度：20m、20m、20m，分成3个堆置平台堆存。具体如图1所示。

图1 排土场边坡主沟剖面图

（3）分段安全平台宽度：15m、15m，平台设返坡i=2%。

（4）设计台阶坡面角34°（自然安息角）。

（5）边坡整体坡面角：26.21°。

（6）红家营排土场设计容量V=200万m3，为四等库容。

（7）土工艺：采用汽车运输，推土机辅助堆排，平地式排土和台阶式排土相结合。

（8）防洪：防洪拟定按20年一遇设防，场地周边设置有浆砌毛石截洪沟，为防止雨水对外坡冲刷，在安全平台内侧设置排水沟，排土台阶边坡的雨水汇集到排水沟后汇入场外截水沟。

（9）坡脚防护：2025排土场西侧下游设置格宾石笼碾压石坝，南侧与乡村公路毗邻段设置浆砌毛石挡渣墙坡脚防护。通常采用硬质石块做垫层以形成排水渗流通道，以便排土场顶部、平台渗水能顺利排出。碾压石坝（拦渣坝）几何尺寸：①坝顶中轴线长度：124.00m；②坝体高度：Δh=10.00m；③坝顶标高：2100.00m；④坝顶宽度：5.00m；⑤坝体面坡坡比1∶2.0；坝体背坡坡比1∶2.0；⑥基底处理方案：拟建碾压石渣坝坝址素填土①层（即石渣）厚度1.50～3.20m，该层均匀性较差，该层下伏有性质一般的黏土②层，厚度较小，揭示厚度3.30～3.60m。基于这些因素考虑，碾压石渣坝的坝体不宜落于石渣填土①层和黏土②层。建议坝基清至③层灰岩，再在其上进行分层碾压。因此拦渣坝施工前，应先清除基底的石渣填土层和黏土层，至③层灰岩后方能开始筑坝。

（10）排土场顶面处理：顶面采用0.25～0.3m厚的红黏土隔水，压实度不小于93%，向内设排水反坡。

4 边坡稳定性判别标准

红家营排土场工程主要利用两岸坡之间的沟谷进行堆存，沟谷地形较陡，总体地形有利于石渣堆存。排土场下游关系较简单，库容量不太大，但是边坡高度较高，根据《有色金属矿山排土场设计规范》（GB 50421-2007），拟定该排土场安全等级为三级，边坡安全系数：天然工况Fs≥1.20；地震工况Fs≥1.10；降雨工况Fs≥1.10[2-5]。

5 基于极限平衡理论的理正岩土边坡稳定性验算

采用基于极限平衡理论的边坡稳定计算软件理正岩土对排土场边坡建立了仿真模型与系统计算和分析。根据国家《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001）附录A的规定，该工程抗震设防烈度为7。本次稳定性计算和分析考虑天然、地震、降雨3种工况，采用理正岩土软件对建立的模型进行计算，得到最危险滑动面的安全系数如表2所示，主沟断面变形破坏滑动面图如图2所示。

表2 排土场边坡安全系数（极限平衡）

图2 主沟断面变形破坏滑动面图

6 基于有限差分法的FLAC2D边坡稳定性验算

连续介质快速拉格朗日法（FLAC）是基于有限差分法的数值分析方法，它适用于大变形。运用FLAC2D7.0计算和分析了3种不同工况下边坡的稳定状态。边坡变形潜在滑坡破坏面的位置，其分布云图如图3所示，计算结果如表3所示。

7 结论与建议

图3 主沟断面滑动面分布云图

表3 排土场边坡安全系数（FLCA2D）

滑坡的风险来源于上部堆积体以及堆积体与基底的接触面，一般接触面岩性较软弱，雨水侵蚀后力学指标易降低，在一定的地形坡度下，容易诱发滑动风险，通过上文两种模拟方法进行边坡整体稳定性分析，得到结论：

（1）红家营排土场在现最终设计堆存状态下，其潜在滑动面先穿过堆积体而后沿着基底穿出，其潜在的滑面在自然工况和降雨工况下均达到安全等级三级的要求，能够消除沿基底面滑动，证明该排土场堆存方案是可行和合理的，为后期土石堆排提供了指导依据。

（2）通过模拟计算得出：最终堆高在考虑7°地震工况下能够满足安全等级三级的要求，说明该排土场边坡在目前堆存方案下具有一定的抗扰动能力。

（3）从图2和图3可以看出：潜在滑动面先通过堆积体最后由基底面穿出，说明滑坡的风险来源于堆体与基底接触面。

（4）为使排土场满足相长期稳定的要求，建议排废采用自下而上，由近而远，由里向外的堆放工艺；采用汽车在排土平台上顺序卸载，然后将靠近边坡临空处的堆积体按每30cm由推土机推平和压实，如此循环，排土台阶逐渐加高；远离边坡以外的堆积体无需碾压，靠其自重慢慢固结压实。