近水平软弱基底排土场变形破坏研究

赵立春，刘德利，王彦卓

（扎鲁特旗扎哈淖尔煤业公司，内蒙古 扎鲁特 029100）

边坡稳定性是影响露天煤矿安全生产的重要因素，由于排土场不能人为的自由选址，加还受排土运距、征地困难和环境保护等条件限制，我国大多数露天煤矿排土场就近选址紧邻采场，有的周围存在高压输电线、矿山公路等重要的建、构筑物，排土场一旦滑坡不仅将造成重大经济损失，甚至威胁人员的生命安全。排土场稳定性[1-3]研究的难点是确定滑坡模式，排土场由剥离岩土体堆填而成，属于类均质坡体结构，受基底形态的影响其滑坡模式呈不同形式，简单基底形态排土场的滑坡模式相对较易确定，如逆倾基底排土场内部多形成沿弧形面滑动的旋转型滑坡、顺倾基底排土场多沿地层分界面形成顺层滑坡。排土场边坡的变形破坏多是由于基底软弱造成的，此类排土场边坡，若能在出现滑坡迹象时采取适当的治理措施，是可以避免滑坡灾害的发生的[4-5]。

尽管已经有学者对露天矿排土场边坡的稳定性进行了一定的研究[6-9]，但对于近水平软弱基底排土场的研究还很少，并且出于前期发展、经济考虑，排土场一般不做地质勘查，这样造成对排土场基底地层赋存、地质构造、岩土体岩性、水文地质情况等都不清楚，这大大增加了排土场边坡问题研究的难度。

1 工程地质概况

扎哈淖尔露天煤矿北排土场自2013 年排弃至2018 年7 月到界，排土场边坡变形复杂，到界后，排土场发生沉降并向南北两侧滑移，排土场顶部沉降最大11.2 m，平均沉降5 m，排土场南边坡坡角隆起严重，最大隆起12.2 m，平均隆起6.5 m。

掌握边坡工程地质条件是边坡稳定性评价、分析以及制定合理滑坡防治措施的前提和基础。排土场基底下部第1 层为第四系细砂，第2 层为新近系黏土，倾角都为1°～2°为近水平软弱基底。确定排土场排弃物料及基底岩土体的物理力学参数，可为潜在滑坡模式的初步判定及边坡稳定性分析提供基础资料，排土场从上到下岩层分别为排弃物、第四系砂层、新近系黏土层和泥岩基底，各层岩土体物理力学指标见表1，典型计算模型如图1。

表1 岩土体物理力学指标

图1 典型计算模型图

2 排土场稳定性影响因素及潜在的滑坡模式分析

排土场边坡的内部不存在结构面，其稳定性的主要受排土场基底的工程性质、形态、排土场的高度及角度等因素的影响。排土场覆盖范围内基底形态大体分为近水平、顺倾、逆倾3 种形态。当排土场基底面的倾向与排弃物边坡倾向相反时边坡稳定性较好，相同时稳定性差。如果基底为软弱岩层而且力学性质低于排弃物料的力学性质时，软基底在排土场荷载作用下必产生隆起，持续发展导致排土场滑坡。

边坡稳定性分析的前提是确定滑坡模式排土场边坡是由松散的碎石土人工堆积而成，因而在本质上可以认为是碎石土材料，这类边坡的稳定性不仅取决于材料本身的强度，更重要受到排土场基底岩土体抗剪强度、堆积坡度和高度、水流渗透压力及动水压力等因素影响。根据扎哈淖尔露天煤矿排土场现状和基底岩性考虑，以过主滑线位置的剖面为例，判断其潜在的滑坡模式为推动式的部分切层-顺层-挤出性滑动，排土场潜在的滑坡模式分析如图2。

图2 排土场潜在的滑坡模式分析

3 排土场数值模拟

结合软弱基底排土场潜在滑坡模式，考虑到排土场潜在变形区破坏位置确定的复杂性，采用SIGMA/W 有限元软件数值模拟对排土场稳定性进行分析，通过有限元法应力－应变位移云图来判断变形区的发展过程进而确定最危险的变形破坏区。

3.1 模型建立

根据排土场的排土现状、软弱基底形态和基岩顶板等高线等地层信息建立数值模拟模型如图3，模型排土场高度为70 m、砂层厚度45 m，新近系厚度9 m，南北长为1 950 m，各地层从上至下分别为：排弃物料，第四系粉土、新近系黏土，风化泥岩带。

图3 数值模拟模型

3.2 数值模拟结果

1）排土场变形分析。通过SIGMA/W 有限元软件数值模拟得到的软弱基底排土场变形云图如图4，图4 为排弃高度70 m 下对应的排土场最大变形云图。受第四系、新近系软弱基底影响，排弃物料在自身自重的影响变形以沉降、滑移为主。其中模型最大滑移量为24.3 m，坡顶滑移区影响范围0～350 m，坡底滑移区影响范围0～320 m；最大沉降为12.4 m，隆起平均4.3 m 坡顶沉降区影响范围0～730 m，坡底滑移区影响范围0～200 m。边坡上部以沉降变形为主，边坡中部以滑移为主，坡底处以隆起为主。在排土场边坡上部的推动作用下，中、下部土体出现变形，受软弱基底的影响，形成类椭球形的变形区，其中排土场边坡中部的变形区滑移量大于沉降量，其坡底位位于第四系、新近系的软弱基底层位，由于其力学参数、力学强度相对较小，加上排土场载荷作用的影响，在接近坡底的临空面位置，软弱基底产生相应挤出的变形破坏变化，在边坡坡底位置处产生底鼓现象，同时排土场坡底发生明显沉降。

图4 软弱基底排土场变形云图

2）排土场稳定性分析。由于前期通过扩大产能、发展建设速度和经济原因考虑，排土场基底一般不做水文地质和工程地质勘查，这就造成对排土场基底地层赋存、软弱基底结构面产状和岩性指标等情况不了解，增加了软弱基底排土场边坡问题研究的难度。通过SIGMA/W 有限元软件得到的软弱基底排土场边坡稳定性计算结果图如图5，在现阶段排弃高度下，通过计算得到边坡的稳定系数为0.958，处于不稳定状态，现状边坡变形处于初加速和均加速阶段，滑坡模式为推动式的部分切层-顺层-挤出性滑动，当排土场边坡暴露时间过长、大气降雨量与降雨强度及冻融影响下，易造成滑坡，在未滑动之前建议采用坡角处压脚、坡顶卸荷减载或者两者方案结合实施治理工程措施。

图5 软弱基底排土场边坡稳定性计算结果图

4 结语

1）通过有限元法应力－应变模拟可知，排土场排弃设计高度时，受第四系和新近系软弱基底影响，排土场变形以滑移沉降为主，其中滑移变形量大于沉降变形量。

2）通过有限元法应力－应变计算可知，排土场排弃设计高度时，受第四系和新近系软弱基底影响，最大滑移量为26 m，坡顶滑移区影响范围0～350 m，坡角滑移区影响范围0～320 m；最大沉降为12.4 m，隆起平均4.3 m 坡顶沉降区影响范围0～730 m，坡角滑移区影响范围0～200 m。

3）通过有限元法极限平衡计算可知，排土场边坡的稳定系数为0.958，处于不稳定状态，现状边坡变形处于初加速和均加速阶段，滑坡模式为推动式的部分切层-顺层-挤出性滑动。

4）现状边坡变形处于初加速和均加速阶段，当排土场边坡暴露时间过长、大气降雨量与降雨强度及冻融影响下，易造成滑坡，在未滑动之前建议采用坡角处压脚、坡顶卸荷减载或者两者方案结合实施治理工程措施。