红沙泉露天矿外排土场边坡稳定性分析与治理

祁有涛，张东旭，白继元，胡德昊

（1.国家能源集团新疆能源公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁 抚顺 113122；4.国家能源集团新疆能源公司 红沙泉露天煤矿，新疆 昌吉 831100）

随着我国经济建设快速发展，因为工业生产引起的边坡失稳或多或少的影响着财产损失和人身安全，需要众多的学者专家更进一步的研究[1]。缪海宾等[2]通过基地黄土孔隙水压力消散实验，得到了孔隙水压力及消散度与消散时间之间影响规律，基于极限平衡法和孔隙水压力消散规律，提出了黄土基地排土场动态稳定系数计算方法，基于该算法，对原有静态的黄土基地排土场稳定控制措施进行优化，提出了“分段排土，控制强度，分区推进，调整程序，监测监控，增大容量”动态稳定控制措施；曹兰柱等[3]采用二维刚体极限平衡等手段对白音华三号露天矿顺倾软弱基地的内排土场边坡进行了研究，提出了内排角度及内排土场发展至不同工程位置对内排土场边坡稳定性的影响；韩万东等[4]利用Bishop 和Spencer 2 种极限平衡法对露天矿边坡进行分析计算，并利用数值模拟对边坡破坏机理及其滑坡模式进行研究，为边坡稳定性评价治理提供依据，李伟[5]根据边坡地质资料和现场地表GPS 位移监测结果，运用FLAC3D数值模拟软件分析了阴湾排土场边坡破坏机理，确定了阴湾排土场滑坡治理措施及后续排土方案。

随着不断的深入研究，以有限元法、有限差分法、离散元法等为代表的数值计算方法在边坡工程领域应用得越来越广泛[6-10]，为边坡稳定性分析提供了有效的技术手段。

1 工程地质概况

1.1 边坡基本情况

红沙泉露天煤矿老外排土场位于采场西北角，是建矿初期初始拉沟排弃的剥离物料，后期在露天矿建设过程中，老外排土场不在外排境界内而放弃排弃，最终形成1 个高20 m 的排土场。紧邻老外排土场南帮建设有加油站1 座，在2017 年6 月，由于雨季降水量集中，导致老外排土场南帮坡顶处出现裂纹，并且沿裂纹沉降高程最大处有1.1 m，严重威胁加油站油库的安全。

南帮边坡长约30 m，边坡倾向16°，走向NE74°，边坡高12～20 m。边坡中的土体已经发生轻微的破坏，沿软弱层向临空面方向发生了变形。

1.2 岩土体类型及结构

1）第四系松散层。中等干强度，褐红色，中等韧性，可塑，略湿，无摇震反应。

2）侏罗系浅部风化岩。构造厚层状，白灰色，变晶结构石英岩；夹有薄层板岩，隐晶质呈变晶构造，厚度一般为1～10 cm 不等；短柱状岩心，不易被击碎，锤击声清脆，为较硬岩，破碎较容易，岩体基本质量等级为Ⅳ级。

3）新近系碎屑岩。褐黄色或褐红色，构造厚层状，变晶结构石英岩；局部含有薄层板岩，厚度一般1～10 cm，呈变晶构造；隐晶质厚度一般为10～30 mm，层状构造；岩体结构破碎，易被锤击碎，碎块状岩心，软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

4）排弃物。略湿，褐黄色，松散，主要成分为戈壁碎石风化岩及粉土含量，碎石呈石英质，含量30%左右，棱角状，粒径一般为4～15 cm。

1.3 岩土工程参数

根据室内试验及原位测试、红沙泉露天煤矿初步设计、边坡稳定性评价及验算报告，并结合地区经验参数，得出各岩土层物理力学参数及其他地基承载力。

1）排弃物。黄褐色，松散，重型圆锥动力触探试验区间值为2.0～5.9 击，标准值为3.7 击，根据地区经验该层密度为1.80 t/m3，黏聚力为10 kPa，内摩擦角为10°。

2）第四系松散层。红褐色，可塑，标准贯入试验区间值为5.8～12.3 击，标准值为7.6 击，液性指数为0.52，孔隙比为0.826，密度为1.92 t/m3，黏聚力为22.3 kPa，内摩擦角为6.7°，地基承载力特征值为180kPa，墙底摩擦系数为0.35。

3）新近系碎屑岩。属于较软岩，破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。重型圆锥动力触探试验区间值为13.8～20.5 击，标准值为17.1 击，地基承载力特征值为400 kPa，根据地区经验该层密度为2.30 t/m3，黏聚力为30 kPa，内摩擦角为25°，墙底摩擦系数为0.50。

4）侏罗系浅部风化岩。属较硬岩，较破碎，岩体基本质量等级为Ⅳ级，中风化石英岩饱和抗压强度为35.4～46.4 MPa，平均为37.2 MPa，地基承载力特征值为3 000 kPa，密度为2.60 t/m3，黏聚力为50 kPa，内摩擦角为40.0°，墙底摩擦系数为0.60。

2 GeoStudio 边坡稳定性分析

2.1 模型的建立和安全储备系数

GeoStudio 南帮边坡为人工堆填形成的边坡，选取南帮边坡A-A′剖面为典型地质剖面，采用极限平衡二维算法模拟软件对边坡的稳定性进行分析，可以反映出加油站油库北侧南帮边坡的稳定性情况。A-A′剖面所在边坡基于GeoStudio 软件建立的模型中各层代表的岩土性质自上而下依次为：排弃物、第四系松散层、新近系碎屑岩和侏罗系浅部风化岩。

运用GeoStudio 模拟软件，模拟潜在滑坡模式，计算出剖面滑坡的安全系数，判断边坡稳定性，并对边坡稳定性进行分析，同时提出有效的防护建议[11-12]。考虑到红沙泉露天煤矿老外排土场南帮边坡紧挨着加油站油库，根据GB 50197—2005 煤炭工业露天矿设计规范要求，南帮边坡的安全储备系数确定为1.3。

2.3 GeoStudio 模拟结果

剖面A-A′边坡GeoStudio 计算结果如图1。

图1 剖面A-A′边坡GeoStudio 计算结果

A-A′剖面所在区域边坡倾角较大，经计算得到边坡的安全系数为0.865，因此可以判定该边坡是极为不稳定的，这与边坡的现状相对应。从图3 可以看出，A-A′剖面所在边坡潜在滑移面位置从坡顶部位向坡脚延伸，滑坡模式为圆弧形滑动，计算的安全系数0.865 远小于确定的边坡安全储备系数，因此边坡在进行工程活动时是极不稳定的，即使在自然状态下也是不稳定的。

3 FLAC3D 边坡稳定性分析

3.1 FLAC3D 模型

FLAC3D模型中的每个网格都可以被赋予不同的材料属性，并且还可以指定变化梯度和不同材料参数的统计分布。通过FLAC3D中的网格生成器gen连接、匹配生成局部网格，可以快速的生成所需要的三维属性结构网格。

由于FLAC3D对于复杂的三维模型的建模较为困难，因此采用CAD 建模，ANSYS 划分单元与节点，再将单元节点信息导入FLAC3D生成模型进行数值模拟的方法对边坡进行稳定性分析[13-15]。

选择A-A′剖面所在边坡作为模拟对象，建立FLAC3D模型，其侧视图尺寸与基于极限平衡法的GeoStudio 中建立的模型尺寸相同。模型的坡面为自由面，模型假设水平和垂直位移均为0；建立的模型的顶部和坡面均无约束条件，视为自由边界。

3.2 FLAC3D 模拟结果

A-A′剖面边坡FLAC3D模拟结果如图2 。

从最大位移矢量图2（a）中可以看出，边坡体最大位移为3.94 m；从二维位移云图2（b）与剪切应变增量图2（e）可以看出，边坡的滑坡模式为圆弧滑动，滑坡圆弧沿边坡体坡顶延伸至坡脚；边坡体的潜在滑移模式为下部土体（或岩体）的滑动牵引上部土体（或岩体）滑动，从而使边坡产生潜在的滑动；在自重作用下，边坡岩体沿软弱层向临空面发生大变形。

通过分析垂直应力云图2（c）与水平应力云图2（d）可以看出，垂直应力主要在自重应力的作用下，随着埋深的增加垂直应力近线性增加；而水平应力也是随着埋深的增大而呈近线性增大，在坡脚处出现一定程度的应力集中，这也是造成边坡发生破坏的重要因素；随着边坡体软弱层破坏范围增加，使得边坡稳定性下降，从而边坡发生破坏。

运用数值模拟软件计算的边坡安全系数为0.86，与极限平衡法所得安全系数0.865 基本一致，且A-A′剖面所在边坡的潜在滑移面位置和滑坡模式也基本一致相同，说明边坡是不稳定的。

4 边坡的治理

由于该边坡属于人工堆填而形成，且边坡由于排弃物厚度太大，采取削坡挖方的方式进行治理工作量太大，也不够经济。因此，对于该边坡采用挡土墙的方式对边坡进行治理，综合考虑坡体的高度、边坡倾角和稳定性分析结果，选取挡土墙中最简单的处理方式重力式挡土墙对边坡进行治理，设计的重力式挡土墙的模型如图3 。

图3 重力式挡土墙模型

挡土墙的材料采用毛石混凝土，根据设计的挡土墙，结合边坡实际情况，进而对治理后的边坡进行稳定性验算。

抗滑验算如下：

挡土墙的截面面积A=5 m2。

式中：b1为墙顶上部宽度为b1=1 000 mm；b2为基地宽度，b2=1 500 mm；H 为整个挡土墙的高度，H=4 000 mm。

挡土墙每1 m 宽的自重G=110 kN。

式中：ρd为挡土墙的密度，ρd=2.2 t/m3；g 为重力加速度，m/s2。

每米宽的填土形成的主动土压力Ea=34.85 kN。

式中：ψc为土压力增大系数，ψc＝1.1；ρ 为填土密度，ρ=1.8 t/m3；ka为主动土压力系数，ka＝0.22。

抗滑稳定性系数ks=1.58。

式中：Gn为挡墙自重沿基底法线方向分量，Gn=Gcosα；Gt为挡墙自重沿基底平行方向分量，Gt=Gsinα；Ean为主动土压力沿基底法线方向分量，Ean=Eacosα；Eat为主动土压力沿基底平行方向分量，Eat=Easinα；μ 为基地土摩擦系数，μ=0.5；α 为自重与基底法线方向的夹角，α=0°。

由于计算所得的安全系数为1.58，大于所需安全按系数1.3，所以按设计的重力式挡土墙能够满足边坡抗滑的要求。

抗倾覆验算如下。

主动土压力作用点距墙背底端高度z=1.33 m。

主动土压力作用点距墙趾底端高度zf=1.33 m。

挡墙截面形心距墙趾底端水平距离x0=0.866 m。

式中：S 为挡墙截面对通过墙背底端竖轴的静距，S=3.17 m3。

主动土压力作用点距墙趾底端水平距离为xf=1.50 m。

抗倾覆安全系数Kt＝1.82≥1.6。

式中：Eax=Eat；Eaz=Ean。

计算得到的抗倾覆安全系数大于所需的安全系数，所以设计的重力式挡土墙满足抗倾覆的要求。

承载力验算如下：

修正后的地基承载力特征值fa＝194.4 kPa。

式中：fak为地基承载力，取180 kPa；ηb为挡土墙宽度修正系数，取0.3；ηd为埋深修正系数，取1.6；b为基础地面宽度，取3 m；d 为挡土墙埋深，d=1 000 mm。

作用在基础底面法线方向的每1 m 总作用力F=110 kN。

轴心荷载作用时，基础底面的平均压力值pk=73.3 kPa。

式中：B 为基础底面宽度，B=b2；fa为地基承载力，fa=194.4 kPa。

挡墙自重及土压力的合力在基础底面的偏心距e=0.36 m，小于=0.375。

由此，可以看出偏心距也满足要求。

挡墙自重及土压力的合力在基础底面产生的偏心力距M=39.6 kN·m。

偏心荷载作用时，基础底面的最大压应力值pkmax=178.9 kPa，小于1.2fa=233.28 kPa。

地基承载力也满足边坡稳定性要求。综合对治理后的边坡抗滑移、抗倾覆和地基承载力的验算，经验算可知处理后的边坡满足边坡稳定性的要求，即设计的重力式挡土墙可以使边坡稳定。

5 结语

1）从边坡的潜在滑移面位置的来看：极限平衡法和FLAC3D模拟这2 种方法得到的边坡潜在滑移面位置基本一致，A-A′剖面所在边坡潜在滑移面位置从坡顶延伸到坡脚位置。

2）极限平衡法得到边坡安全系数为0.865，基于FLAC3D的模拟出边坡中土体的最大位移为3.94 m，综合这2 种分析方法得到的结果来看，南帮边坡是不稳定的，容易产生滑动。

3）对于A-A′剖面所在边坡的治理方案为：采用由毛石混凝土为材料的重力式挡土墙，挡土墙顶宽为1.00 m，基地宽为1.50 m，高为4.00 m，埋深为1.00 m，持力层选择为粉质黏土层，挡土墙位置为边坡坡脚位置。经验算，经过治理后的边坡满足稳定性要求。