某花岗岩露天矿排土场稳定性分析

吴翔伟 余新洲3

（1.长沙矿山研究院有限责任公司；2.金属矿山安全技术国家重点实验室）

矿山排土场是在采矿过程中剥离的表土、废石集中堆放所形成的，堆放的废石土属于松散介质，整体强度较低，随着排土物料的增高、自重荷载的增加以及雨水作用等因素影响，在排土场薄弱区易发生冲剪破坏，从而产生泥石流或滑坡灾害，甚至威胁下游工业场地、居民的安全，因此，对排土场边坡进行稳定性分析对矿山安全管理具有极大的指导意义［1-2］。

1 排土场地址

本排土场设置在露天采场西北侧沟谷中，距离露天堑沟口1.6 km，沟谷坡向为东西向，北、东及南侧均为丘陵斜坡，在沟谷西侧仅有一个收口，地形向西侧倾斜，场地中部为带状凹地。沟谷北侧地形分水岭最高标高为152.00 m，南侧分水岭最高标高为176.00 m，东侧最高标高为230.00 m，西侧最低标高为35.00 m，高差为165 m。沟谷两侧山体坡度为20°～35°，沟底坡度为5°～12°，岸坡植被较好，沟谷内无常流水。将山谷作为排土场地址，能利用山谷的凹形，阻止排土水平位移，沟谷上宽下窄有利于排土场整体稳定性。

根据《排土场详细勘察报告》，排土场场地范围内无全新世活动断裂通过，在勘察范围内亦未发现断裂构造等，岩体较完整。勘察场区地形起伏大，地层结构较简单，未发现陡坎、滑坡、危岩和崩塌、泥石流等不良地质作用。未见坡体内存在明显的潜在滑动面或软弱（夹层）结构面，沟谷两侧自然边坡较稳定。排土场及附近均无大的地表水系通过，地表水体主要为局部沼泽、沟涌等，地表水主要受大气降水的影响，季节性影响明显。排土场所在沟谷三维模型见图1。

2 外部防护距离

参考冶金矿山和有色金属矿山排土场设计要求，根据排土场的等级及下游铁路、公路、工业场地、居住区、村镇等情况，确定排土场坡底线与下游设施之间的防护距离。

本排土场总堆置高度为125.0 m，为二等排土场，排土场下游距拦挡坝坡底线200 m 范围内无相关设施及建（构）筑物，满足安全距离要求；下游900 m 处为西江，西江是珠江流域第一大水系，上游发源于云南省沾益县马雄山，流经黔、桂、粤等省。

3 排土场设计参数

（1）根据本项目生产规模、地形地质条件、剥采比及资源综合利用情况，排土场主要堆放前期剥离的土层及废石，采用30 t自卸汽车运输排土。露天采场基建期表土量为294.0 万m³，考虑沉降后的松散系数1.15和排土场富余系数1.02，设计排土场设计容量为344.9 万m3，排土场总堆置高度为125.0 m，为二等排土场。

（2）在排土场收口处设置一个拦挡坝，采用透水碾压堆石坝结构，拦挡坝顶标高为60.0 m，坝底标高为40.0 m，上下游坡率均为1∶2，在50.0 m 标高处设10 m宽平台。

（3）排土场台阶高度为15 m，台阶之间留10 m 宽平台，排土场终了后形成8 个台阶，台阶标高为60～165 m。

（4）降雨是排土场稳定性的重要影响因素之一，尤其是高台阶排土场，阻止大气降雨进入排土场，场区不产生大量的汇水，能有效地阻止泥石流发生，并降低滑坡的可能性［3-4］。本项目排土场防排洪按50 a一遇标准进行设计，场外截洪沟采用C20素混凝土结构，梯形断面，内坡均为1∶0.5，沿程最小坡降均为1%。排土场每级台阶形成后，及时在台阶坡脚和两侧设置平台排水沟及两侧坝肩排水沟，均采用矩形断面，平台排水沟由中间坡向两侧接入肩部排水沟。

（5）本次设计以不同的台阶边坡坡率进行排土场稳定性分析，模拟出稳定性曲线，根据曲线参数选取合理的边坡坡率，再验算边坡稳定性。排土场平面布置见图2，沿排土场纵向A—A剖面进行稳定性分析。

4 边坡稳定性分析

4.1 稳定性标准

参考冶金矿山和有色金属矿山排土场设计要求，排土场稳定性标准要求详见表1［5-6］。

表1 排土场安全标准

该排土场为二等排土场，安全系数判别标准为天然工况Fs≥1.25，降雨工况Fs≥1.20。

4.2 分析方法

本排土场设置在露天采场西北沟谷中，在沟谷东侧仅有一个收口，沟谷上宽下窄，有利于排土场整体稳定性，沟底坡度在5°～12°，较为平缓，经分析认为，该排土场沿排土体—山谷接触带、排土场基础薄弱面的滑坡几率较小，沿排土体内部近呈圆弧滑动的几率较大［7］。在极限平衡分析法中，选取了Bishop法、Morgenstern-Price 法、Spencer 法等常用方法进行分析，可有效减少计算误差对结果造成的影响。

4.3 场地岩土层力学参数

根据《排土场详细勘察报告》，通过岩土力学试验，得出岩土参数建议值，详见表2。

表2 岩土参数建议值

4.4 稳定性计算

影响排土场稳定性的关键参数有台阶高度、平台宽度、边坡坡率，本次计算以A—A剖面建立模型，台阶高度15 m、平台宽度10 m 为恒定值不变，以台阶边坡坡率1∶1.0、1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0 分别分析计算，根据不同坡比下得到的安全稳定性系数建立安全系数—边坡坡率变化曲线，分析安全系数与台阶边坡坡率之间的关系，寻找最优的台阶边坡坡率［8］。

本排土场边坡的稳定性分析采用极限平衡计算软件Rocscience-Slide，该软件能够通过自动寻找潜在的破坏位置或者由设计者确定位置进行分析。

A—A剖面模型见图3，本工程所在地地震基本烈度为6 度，因此，本排土场安全稳定性仅校核自然工况及降雨工况。附图仅列举Bishop法计算结果，详见图4～图7。安全系数计算结果汇总见表3。安全系数—边坡坡率变化曲线见图8。

表3 安全系数计算结果汇总

由表5 可知：3 种计算方法测得的安全系数基本相近，在台阶高度15 m、平台宽度10 m 为恒定值不变的前提下，当边坡坡率为1∶1.0 时，在自然工况和降雨工况下均不能满足安全稳定的要求；当边坡坡率为1∶1.5 时，在自然工况和降雨工况下均不能满足安全稳定的要求；当边坡坡率为1∶1.75 和1∶2.0 时，2 种工况下均满足要求且富余较多。根据安全系数曲线，当边坡坡率为1∶1.6 时，自然工况下Fs=1.251，降雨工况下Fs=1.207，2 种工况下的安全系数均满足要求，且有一定的富余。因此，将排土场边坡坡率调整到1∶1.6，在Slide 软件中验证安全系数是否符合要求［9-11］，见图9。

由图9可知，当边坡坡率为1∶1.6时，自然工况下Fs=1.276，降雨工况下Fs=1.257，比安全系数—边坡坡率变化曲线上推断出来的安全系数略大，均能满足安全验算要求。因此，将排土场边坡坡率设计为1∶1.6，安全系数满足要求。

排土场边坡坡率越小，排土场边坡稳定性越高，排土场有效容积就越小，土地的有效利用率就越低；排土场边坡坡率越大，排土场边坡稳定性越低，排土场有效容积就越大，土地的有效利用率就越高。排土场稳定性分析研究是在排土场的稳定性与有效容积之间寻找到一个平衡点，在保证排土场边坡稳定的前提下，有效提高排土场容积。

5 结 论

（1）排土场设置在露天采场西北沟谷中，在沟谷东侧仅有一个收口，沟谷上宽下窄，场内地质条件有利于排土场整体稳定性；排土场下游防护距离满足要求；截排水设计按50 a 一遇标准进行设计，设置场外截洪沟和场内排水沟，降低泥石流、滑坡发生的风险。

（2）排土场稳定性分析是一个试算的过程，在边坡高度、平台宽度不变的前提下，计算排土场在不同边坡坡率下的安全系数，根据计算结果，绘制安全系数—边坡坡率变化曲线，根据曲线，选择合适的边坡坡率，并进行验算。

（3）通过极限平衡法对排土场稳定性分析计算，结果表明，最危险滑移面出现在中部边坡，当边坡坡率为1∶1.6 时，自然工况下Fs=1.276，降雨工况下Fs=1.257，安全系数均能满足安全验算要求，在保证排土场边坡稳定的前提下，有效提高了排土场容积。