基于水保设施验收的矸石(渣)场稳定性评估分析

陈小龙，张连科，王云峰，杨茹珍，安亚鹏

(甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所，甘肃 兰州 730000)

我国矸石排放量已达70亿吨，占地约70km2，以1.5亿吨排放量1年的速度增加[1]，而矸石的综合利用率不到矸石排放量的15%，剩余矸石多采用圆锥式或沟谷倾倒式自然松散地堆积于矿区周边，形成不规则的矸石山。全国现有矸石山1600余座，累计存量约50亿吨，且每年均有增加[2- 3]。构成矸石山的矸石散体属于不连续介质，且其排列不规则、密实性不定，导致矸石山的稳定性变化以塑性流变为主，稳定性普遍较差[4]。随着经济社会的快速发展，人类活动规模和范围在不断扩大，使矸石山失稳的可能性趋势增加，不仅影响煤矿的安全生产和正常运行，而且扰动周围的生态环境，甚至影响周边设施和人民生命财产安全。

国内外对矸石(渣)场稳定性的研究多对矸石(渣)场边坡的稳定性进行科学评价，通过改变矸石(渣)场边坡的几何形态，结合边坡排水工程和相应的边坡加固措施对其进行治理。而边坡的稳定性研究19世纪70年代初期提出的破坏概率分析法和数值分析法，在分析边坡应力、变形和稳定性态的手段中，以有限元法最为理想，而后又相继出现了边界元法、FLAC法、离散元法、块体理论(BT)和不连续变形分析(DDA)等数值分析法[4]。

研究区以甘肃某煤矿矸石(渣)场为例，基于矸石(渣)场及周边地质环境的现场调查和无人机精准测绘，从矸石(渣)场选址、矸石(渣)场边坡、矸石(渣)场现有水保工程有效性3个方面，采用“定性分析为主，定量计算为辅”的方法，进行矸石(渣)场稳定性综合分析评估。

1 自然地理与地质环境

2 矸石(渣)场形状及边坡特征

2.1 矸石(渣)场型态特征

研究区矸石(渣)场原地形地貌为黄土梁峁，矸石沿梁峁边缘自下而上堆积，堆积型式为坡地型，堆渣型态为多峁型，目前已结束堆填，占地面积17.82hm2，堆积量396.58×104m3，堆积高度35～65m，堆积边坡坡度25°～40°，为3级矸石(渣)场。后期经过水土保持工程治理，形成近似“心”型的堆积山丘，表面覆盖填土，堆积顶部平台覆土厚度30cm，坡面覆土厚度50cm，目前覆土已结皮，产生了水土保持防治效果。

2.2 矸石(渣)场边坡特征

研究区矸石(渣)场根据堆积和分级特征划分为3处边坡，编号为X1、X2、X3。

X1位于矸石(渣)场南侧边缘，平面近“勺”型，剖面呈“凸”型，倾向160°～250°，坡宽290m，坡高37～55m。坡肩为堆积平台，地势较平坦，局部见拉张裂缝；坡体西南段发育多条水蚀冲沟，坡比1∶1.19，南段分2级，1级坡高20m，坡比1∶1.54，平台宽5m，边缘种植景观树种，2级坡高15.6m，坡比1∶2；坡脚为自然沟道、荒坡、储煤场和管理房等设施，西南段设浆砌石挡墙。

X2位于矸石(渣)场西北侧边缘，呈近南北走向，平面近直线型，剖面呈“凸”型，倾向270°，坡宽140m，坡高35～48m，坡比1∶1.19。坡肩为堆积平台，地势较平坦，植被覆盖率20%；坡体见1条水蚀冲沟，矸石(渣)裸露；坡脚处为自然冲沟和荒坡，设浆砌石挡墙，局部发生断裂。

X3位于矸石(渣)东侧边缘，呈近南北走向，平面近直线型，剖面呈折线型，倾向40°～80°，坡宽330m，坡长78～159m，坡高40～65m。坡肩为堆积平台，地势较平坦；坡体分3级，1级坡高17.6～30m，坡比1∶2～1∶2.4，平台宽4～32m，2级坡高9.5～15m，坡比1∶1.9～1∶2，平台宽5.5～24m，设鱼鳞坑栽植景观树种，局部设有菱形格构护坡，3级坡高14～15m，坡比1∶1.2；坡脚处为南采区污水处理站及部分民房，设浆砌石挡墙和排水沟(图1)。

图1 矸石(渣)场X1、X2、X3边坡剖面示意图

3 矸石(渣)场变形特征及其原因分析

据调查，矸石(渣)场存在局部变形痕迹：矸石(渣)场西南侧坡肩发育拉张裂缝，约6组，已出现下错和浅层滑动，裂缝宽5～30cm，裂缝最长40m，下错高度30～50cm；坡面发育多条水蚀冲沟，零星出露矸石(渣)。矸石(渣)场西北侧坡脚挡墙局部断裂，断裂长度约12m；坡面发育1条水蚀冲沟，冲沟长约38m，宽约0.5m，深约0.5m，由坡顶直达坡脚。

西南侧浅层滑动和下错是矸石(渣)自然下沉导致；西北侧挡墙断裂是坡脚处为自然沟道，沟道长时间冲刷、掏蚀挡墙基础，致其坍塌，破坏墙身，已失去挡墙效果；水蚀冲沟均因坡面表层土体长时间处于疏松状态，未经压实，加之顶部平台存在局部汇水地形，降雨期间形成汇流，沿坡面向下冲刷，最终出现水蚀冲沟。

矸石(渣)场失稳破坏将威胁南侧储煤场和管理房、东侧南采区污水处理站和部分民宿，对以上构(建)筑物造成不同程度的损坏，甚至威胁人民生命财产安全。

4 矸石(渣)场现有水土保持设施

经现场勘查，矸石(渣)场现有水土保持设施为挡墙、护坡、排水、覆土绿化等。

挡墙：西侧坡脚布设180m，西北侧坡脚布设190m，东侧和东北侧坡脚布设260m，总长630m。采用重力直立式浆砌石挡墙，M7.5块石75号水泥砂浆砌筑，外侧用1∶3水泥砂浆勾凹缝，顶部用1∶3水泥砂浆照面，厚度50mm，设100mm排水孔。

护坡：布设于东侧坡面，面积1746m2。采用菱形格构护坡，C20混凝土预制，规格一般1.5×1.5m，倾斜角度为45°。

排水：布设于东北侧和东侧坡角处，长度225m。采用“矩型”排水沟，规格一般0.5×0.7m厚0.2m。

覆土绿化：堆积平台覆土厚度50cm，坡面覆土厚度30cm，总覆土量21000m3；东侧坡面绿化面积11450m2，采用穴状整治或栽植景观树种。

5 矸石(渣)场稳定性评估方法

5.1 矸石(渣)场场址稳定性

据调查，矸石(渣)场原址为黄土梁峁，遭受长时间侵蚀和周围工程建设取土开挖，地形破碎，黄土裸露，形成孤立、不连续的黄土残丘。区内构造形迹复杂，主体受北西西向的断裂、褶皱控制，无天然滑坡、泥石流、采空塌陷等地质灾害影响区，弃渣活动一般不会引发或加剧周围地质灾害的发生，地震烈度为VII度，地震动峰值加速度为0.15g，场址基本稳定[6- 8]。

5.2 矸石(渣)场边坡稳定性

5.2.1定性评估

煤矸石(渣)边坡体的坡面是被排弃的矸石散体在自重作用下形成的，形态主要取决于散体动摩擦效应，自然休止角取区间值38°～42°[11]。依据DB 62/T1792—2009甘肃省《地质灾害危险性评估规程》中的斜坡稳定性野外判别依据，从矸石(渣)场边坡的坡度、坡肩、坡体、坡脚特征等要素，结合休止角，定性判断边坡X1、X2、X3的稳定性，结果见下(表1)。

5.2.2定量计算

据调查，矸石(渣)具有碎石土特征，胶结程度低，结构破碎，表层强风化，遇水易软化，颗粒大小不一，排列方式不规则。研究采取极限平衡法，使用简化Bishop法计算稳定性。参考GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》，计算公式如下[12]：

式中，FS—边坡稳定性系数；Ci—第i条块滑面的粘聚力，kPa；φi—第i条块滑面的内摩擦角，(°)；li—第i条块滑动面的长度，m；θi—第i条块滑面倾角，(°)；Gi—第i条块自重，kN/m；Ui—第i条块滑面单位宽度总水压力，kN/m；Gbi—第i条块单位宽度竖向附加荷载，kN/m；Qi—第i条块单位宽度水平荷载，kN/m；γω—水重度，kN/m，取10kN/m3；n—条块数量。

(1)参数选择

依据《工程地质手册》(第五版)、

GB 50330—2013，经过参数反演计算取得物理力学参数见表2。

(2)工况选择

Ⅰ工况：自重+天然(正常运用状况)；Ⅱ工况：自重+饱水(非正常运用状况)；Ⅲ工况：自重+地震(非正常运用状况)，基本地震动峰值加速度取0.15g。

(3)计算结果

边坡安全系数根据GB 51018—2014《水土保持工程设计规范》，正常运用状况取1.25，非正常运用状况取1.05。采用软件Slide5.0计算稳定性(不考虑水保工程措施)，结果如下(表3、图2)：

表1 矸石(渣)场边坡稳定性定性判断

表2 矸石(渣)场边坡稳定性计算参数[8，12- 14]

5.3 矸石(渣)场水保工程有效性

水保工程措施对矸石(渣)场的稳定性至关重要，尤其浆砌石挡墙能起到抗倾覆和抗滑移效果。据调查，矸石(渣)场浆砌石挡墙基本完整，唯西北侧局部断裂。

根据《开发建设项目水土保持技术规范》规定，抗滑移稳定安全系数取1.3，抗倾覆稳定安全系数取1.5[8]。

依据GB/T 51297—2018《水土保持工程调查与勘测标准》对矸石(渣)场浆砌石挡墙进行验算，得出挡墙的抗滑移系数为11.217>1.3，抗倾覆系数为2.654>1.5，均满足安全稳定需求。

5.4 矸石(渣)场稳定性综合评估

矸石(渣)场稳定性综合评估，从矸石(渣)场场址的稳定性、矸石(渣)场边坡的稳定性(定性分析+定量计算)、矸石(渣)场水保工程的有效性，采取“定性分析为主，定量分析为辅”的原则，综合评估矸(渣)石场的稳定性，具体见表4。

图2 矸石(渣)场3条边坡稳定性计算云图

6 整治措施建议

(1)坚持“长期监测”，采取定期人工监测方式，雨季加密监测频率。

(2)西南侧坡肩滑移处按照规范要求削坡处理，消除坡肩易滑体，坡肩布设截排水措施。

(3)西北侧坡脚浆砌石挡墙建议按照设计规范修补，坡脚布设排水措施。

(4)坡面水蚀冲沟建议覆土填平。

表3 矸石(渣)场边坡稳定性计算结果

表4 矸石(渣)场稳定性综合评估一览表

7 结论

(1)研究区矸石(渣)场目前已结束堆填，堆积量396.58×104m3，堆积高度35～65m，堆积边坡坡度25°～40°，属于3级矸石(渣)场，已布设水土保持工程措施。矸石(渣)场出现以下变形现象：西南侧坡肩发育拉张裂缝，出现下错和浅层滑动，坡面发育多条水蚀冲沟；西北侧坡脚挡墙局部断裂，坡面发育1条水蚀冲沟。矸石(渣)场失稳破坏将威胁南侧储煤场和管理房、东侧南采区污水处理站和部分民宿等构(建)筑物，甚至威胁人民生命财产安全。

(2)通过结合矸石(渣)场场址的稳定性、矸石(渣)场边坡的稳定性、矸石(渣)场水保工程的有效性三者综合评估，结果显示矸(渣)石场整体基本稳定，西南侧和西北侧边缘局部不稳定。为矸石(渣)场治理项目水土保持设施验收工作提供地质技术依据。

(3)鉴于矸石(渣)场的稳定性评估结果，为了降低矸石(渣)场的风险，指导矸石(渣)场后续整治，首先坚持“长期监测”，尤其雨季加密监测频率，其次消除变形隐患，避免灾害发生，保障矸石(渣)场周围环境和人民生命财产安全。