湿陷性黄土地基排土场稳定性分析

常银联

（中铁十九局集团矿业投资有限公司，北京 100161）

排土场是露天矿山三大重大危险源（尾矿库、排土场和边坡）之一，在自然排土堆积过程中，其边缘形成边坡体，易产生裂缝，甚至出现滑坡等不良地质现象，进而影响排土场的稳定性，对周围的环境以及排土场下游的村庄会产生一定的灾害危险。

为了保证排土场的稳定性，减少安全风险，国内大型露天矿山均对排土场开展了稳定性研究工作，朱才辉等[1]研究了降雨对高填方的影响；赵永顺[2]利用了极限平衡法对排土场进行了分析；李岩[3]分析了排土场的破坏区域，并且侧重于如何对排土场进行治理；张岩等[4]构建地质模型，利用数值分析排土场边坡稳定性，研究了边坡破坏的防治方法。以上研究多数采用了Janbu、Spencer、Morgensterm－price 法及折线法进行了排土场边坡稳定性计算分析，虽然上述方法可以有力的分析排土场的稳定性，但未对计算结果进行验证。为此，利用以上方法对不同工况下进行计算分析，建立符合排土场工程特征的典型地质剖面和代表性分析剖面，通过室内外试验结果选取排土料及地基岩体强度的物理力学参数，并利用余推力法[5]辅以佐证，确定计算结果的准确性；研究的意义在于更加准确有效分析排土场边坡的稳定性，对评估排土场对下游的影响提供依据，同时论证排土工艺系统的可行性，确定最佳的排土方式[6]。

1 计算条件

1）计算方法。排土场边坡变形、破坏的模式[7]存在多样性：①上部排土料本身滑坡的可能性（圆弧形）[8]；②沿着基底软弱层滑坡的可能性（折线形）。因此，根据湿陷性黄土地基软弱地层的工程特点，稳定性评价选择Janbu 法（适合于非圆弧形状滑动面）、Spencer 法（适合于圆弧和折线）Morgensternprice 法（M－P，适合于圆弧和折线）[9]、余推力法4种方法，对排土场边坡典型剖面稳定性进行计算分析，并以自动搜索所获得的最小安全系数来表征各代表性剖面的稳定性特征。在完成排土场整体稳定性分析给出全局判断的同时，又通过排土场局部区域稳定性分析，实现对关键部位的调控和处置。

2）计算剖面选定。对袁家村铁矿排土场工程而言，本体堆积坡度基本以固定的安息角存在。典型的代表性剖面，应是最不利剖面，基于地质测绘成果，在排土场选定沟中心处（坡高最大）、原始地基最大倾角处（约束角最大）、正压黄土梁和山谷、以及沿主沟走向（最可能滑动方向）为典型剖面，排土场典型剖面示意图如图1。

图1 排土场典型剖面示意图

3）地质概化模型。排土场本体地质概化模型主要依据工程地质调查、现场排土工艺调查及排土料力学试验成果。排土料根据汽车排土堆积过程及筛分试验成果，按不同台阶分为上、中、下3 层。综合地质调查及现场测绘成果、参照相关地质资料，统筹考虑边界条件及影响，在工程地质剖面基础上建立排土场现状计算剖面模型。典型剖面地质概化模型图如图2。

图2 典型剖面地质概化模型

4）计算参数确定。排土场工程地质结构主要可分为排土料层和地基层。考虑散体组构的差异性主要来源于排土场形成过程中的排土工艺，袁家村3个排土场均采用汽车排土工艺，考虑排土工艺产生的分选效应导致的粗细分层特征，将排土料分为上、中、下3 层。综合完成的大三轴试验成果[10]、室内大直剪[11]，经比较最终选定计算参数。其他地层结构特征、力学参数利用既有勘察资料统计分析的成果，结合补充部分直剪和三轴试验验证结果，综合选取；黄土力学参数主要依据现场室内试验成果，并辅以既有勘察资料统计分析而选取。物理参数主要根据室内外试验结果选取，稳定性计算岩土物理力学参数取值见表1。

表1 岩土物理力学参数取值

5）工况设置。现场地质调查及测试表明，场址范围地下水位线未能穿越排土料层。自然工况对应静态水位条件，地下水的静水压力对排土场边坡稳定性影响较小。本次稳定性计算对现状及终了状态综合考虑了自然、地震、降雨作用，分设3 个计算工况。对典型过程年度只对自然工况及降雨工况进行排土场稳定性进行评价。计算时针对各剖面各年度状态仅对最危险滑面所处位置以及排土场整体计算不同工况下的稳定性。其余位置仅计算自然工况的稳定性，工况计算结果见表2。

表2 工况计算结果

2 稳定性分析

根据以上模型、边界条件、力学参数及工况选择，分别选择Janbu 修正法、Spencer 法和Morgenstern法3 种方法对各个剖面进行极限平衡分析。

现场检测分析表明，排土场区域内场址稳定无不良地质结构，但是整个区域内存在湿陷性黄土等软弱地层，研究区域内排土场有本体滑坡和沿面滑坡的可能。综合考虑到排土场实际的排土工艺，不同位置可能具有不同的标高，且部分为多台阶，计算中对排土场边坡既对整体稳定性进行验算，又对台阶进行稳定性验算，最后选取代表性的计算结果列于报告中。对于最危险滑面列出各工况下各计算方法的潜在滑面位置示意图。

2.1 剖面A 稳定性分析

1）自然工况。剖面A 位置排土场有2 个平台，分别为1577 平台、1565 平台。剖面位置排土场潜在的破坏面从靠近坡肩处进入，沿着排土料散体下穿至坡脚附近的黄土区，Janbu 法、Spencer 法、Mogenstern－price 法计算得到的整体稳定性安全系数分别为2.341、2.428、2.434，安全系数大于选定的1.25 要求。Janbu 法、Spencer 法、Mogenstern－price 法计算得到的局部（1565 m 台阶）稳定性安全系数分别为1.569、1.656、1.648，安全系数满足选定的1.15。

2）降雨工况。计算得到的最危险滑面穿过坡脚位置排土料与黄土的接触面，Janbu 修正法得到的最危险的滑面安全系数最小为1.988，Spencer 法得到的整体稳定性安全系数2.044，Mogenstern－price法得到的稳定性系最小为2.067，Janbu 法、Spencer法、Mogenstern－price 法得到的局部（1565 台阶）稳定性安全系数分别为1.495、1.591、1.604，安全系数满足要求。因降雨改变了排土料内部及地基黄土的渗流场，且土体强度发生改变，该工况下安全系数比自然工况下的安全系数有所减小，但计算得到的安全系数满足选定的允许安全系数要求。

3）地震工况。对整体稳定性进行计算，Janbu 修正法得到的最危险的滑面稳定性系数为2.139，Spencer 法得到的稳定性系数最小为2.228，Mogenstern－price 法得到的稳定性系数最小为2.227，处于稳定状态。对局部（1565 台阶）稳定性进行计算，Janbu 修正法得到的最危险的滑面稳定性系数为1.482，Spencer 法得到的稳定性系数最小为1.568，Mogenstern－price 法得到的稳定性系数最小为1.560，满足选定的允许安全系数，处于稳定状态。与自然工况下相比，稳定性降低，地震作用降低了排土场边坡的稳定性，但仍满足提出的允许安全系数要求。

自然工况下、降雨工况下、地震工况下，剖面A处整体及局部（台阶）稳定性及局部稳定性安全系数均能满足稳定性要求。

2.2 剖面B 稳定性分析

1）自然工况。剖面B 位置排土场有2 个平台，分别为1577 平台、1568 平台。剖面位置排土场潜在的破坏面从靠近坡肩处进入，沿着排土料散体下穿至坡脚附近的黄土区，Janbu 法、Spencer 法、Mogenstern－price 法得到的整体稳定性安全系数分别为3.852、3.938、3.936，安全系数大于选定的1.25要求。Janbu 法、Spencer 法、Mogenstern－price 法得到的局部（1565 台阶）稳定性安全系数分别为2.213、2.370、2.356，安全系数满足选定的允许安全系数。

2）降雨工况。计算得到的最危险滑面穿过坡脚位置排土料与黄土的接触面，Janbu 修正法得到的最危险的滑面安全系数最小为3.581，Spencer 法得到的整体稳定性安全系数3.668，Mogenstern－price 法得到的稳定性系最小3.655，Janbu 法、Spencer 法、Mogenstern－price 法计算得到的局部（1568 台阶）稳定性安全系数分别为2.144、2.282、2.288，安全系数满足要求。因降雨改变了排土料内部及地基黄土的渗流场，且土体强度发生改变，该工况下安全系数比自然工况下的安全系数有所减小，但计算得到的安全系数满足选定的允许安全系数要求。

3）地震工况。对整体稳定性进行计算，Janbu 修正法得到的最危险的滑面稳定性系数为3.408，Spencer 法得到的稳定性系数最小为3.483，Mogenstern－price 法得到的稳定性系数最小为3.481，处于稳定状态。对局部（1568 台阶）稳定性进行计算，Janbu 修正法得到的最危险的滑面稳定性系数为2.060，Spencer 法得到的稳定性系数最小为2.211，Mogenstern－price 法得到的稳定性系数最小为2.199，满足选定的允许安全系数，处于稳定状态。与自然工况下相比，稳定性降低，地震作用降低了排土场边坡的稳定性，但仍满足提出的允许安全系数要求。

自然工况下、降雨工况下、地震工况下，剖面B处整体及局部（台阶）稳定性及局部稳定性安全系数均能满足稳定性要求。

2.3 余推力法佐证

余推力法又称不平衡推力传递系数法，适用于任意形状的滑动面，该法假定条块间的合力与上1 条块底面相平行，根据力的平衡条件，逐块向下推求，直至最后1 条块的推力为0，从而求得极限平衡状态下的安全系数，是工程中一种实用的方法，边坡稳定安全系数K 为整个滑动面上抗滑力和滑动力的比值：

式中：n 为滑坡体滑动面分条块数；Ni为第i 个滑动面的法向力，kN；Si为第i 个滑动面上沿滑动方向的切向力，kN；fi为摩擦系数；ci为黏聚力，kPa；li为各条块体边长，km。

极限平衡系数计算结果汇总见表3。

表3 极限平衡系数计算结果汇总

余推力法排土场稳定性分析结果显示，与前述Janbu 法、Spencer 法和Morgenstern－price 法计算结果基本一致。在自然工况下，现状条件下的各剖面整体稳定性及局部稳定性（剖面A、剖面B）均满足选定的允许安全系数要求。当坡脚地基赋存黄土时，排土场边坡稳定性受地基控制，尤其在降雨条件下，稳定性下降，最危险滑面多数通过地基排土料－黄土接触面，现场生产工作中应注重排水以及坡脚巡视。排土场地基为稳定基岩时，稳定性较高，排土场稳定性受本体（散体强度及段高）控制。

3 结语

通过对计算结果的分析，现状条件下，袁家村上盘排土场、南帮外检修平台以及闪石片岩堆场各剖面在自然、降雨、地震工况下处于稳定性状态且具备一定的安全储备，该排土场潜在的破坏模式为特殊情况下排土本体（内部）近程小范围的滑动及沿排土料－黄土地基接触面的滑动，但经计算稳定性安全系数最小值为1.482 坡体稳定。故在湿陷性黄地基上设置的排土场，其边坡的稳定性满足要求。