沙层基底排土场稳定性分析与工程治理

滕瑞雪，赵立春，李 维

（扎鲁特旗扎哈淖尔煤业公司，内蒙古 扎鲁特旗 029100）

露天矿边坡区别于其他类型边坡的显著特点之一就是对地质条件没有选择的余地，一些边坡由于软弱基底、断层、弱层等自身的变形破坏机制及稳定性问题变得极为复杂，这给生产带来较大的安全隐患[1-2]。

由于排土场选址的局限性，我国内蒙古东部的一些露天煤矿不得不将排土场建立在沙层基底[3-4]上，因而形成了特殊的沙层基底排土场：基底形态复杂、岩性差，地表受外营力侵蚀支离破碎，滑坡模式难以确定；沙层的结构松散、多孔隙、流塑强，大孔隙多的沙土在外力或水的作用下易发生流动状态，排弃后排土场顶部大范围的不均匀对排土场稳定性的影响很大。沙层基底（软弱基底）是边坡失稳的主控因素，也能成国内外专家关注的热点话题之一，学者们应用不同理论对软岩边坡展开大量研究[5]。曹兰柱等[6]为了探究多个弱层对复合边坡失稳破坏和稳定性的影响，针对白音华二号露天煤矿中由弱层导致的由非工作帮和排土场组成的复合软岩边坡的区域进行研究，以SRM 法为基础，以FLAC3D软件为分析实现手段，分别计算了危险区的典型剖面在两种开挖条件下的稳定性规律和破坏机制，展现了存在多条弱层的地质情况下复合边坡的失稳破坏的特点及其对稳定性的影响，并提出边坡治理措施；王东等[7]应用RFPA 强度折减法，将拉伸和剪切2 种破坏判据一并作为判断依据，数值模拟了露井联采条件下平庄西露天煤矿顶帮逆倾边坡岩移规律及稳定性，总结出边坡在露井联采条件下的破坏形式是滑移－塌陷复合型破坏，并且研究出在地下采动的作用下逆倾边坡稳定性降低的本质是剪应力在边坡构成岩体内部的大面积累加提升，造成上部一定范围的岩体遭到破坏的时间提前到边坡滑移之前，从而加剧了滑坡的发展；周先齐等[8]认为岩体本身具有复杂的非连续、非线性特性，相比于连续介质数值方法，离散单元法更加适合具有非连续特征的岩体；P H S W Kulatilake 等[9]针对露天矿开挖过程的位移场变化运用3DEC 软件进行了计算，达到了理想的效果；刘蕾等[10]运用FLAC 和PFC2D耦合方法，对逆层岩质边坡地震动力作用下的破坏情况进行了分析；贺续文等[11]采用PFC2D构建了含有大量节理的岩体边坡模型，并对其进行了探讨，结果表明，此类破坏是一个渐进破坏过程，同时证明了离散单元法在解决含节理岩体边坡问题方面有着独特的优势；刘福明等[12]揭示了压实区与非压实区渗透速率不同的内在原因.根据试验结论提出了提高露天矿排土边坡稳定性的建议。

现阶段关于沙层基底排土场稳定性的研究相对较少，这种特殊基底形态的排土场对露天煤矿安全生产的影响日渐突出，所以，有必要研究边坡破坏特征，对排土场边坡进行稳定性分析及评价，从而为采取合理的治理措施提供依据[13]。为此，以扎哈淖尔露天煤矿北排土场为工程实例，基于极限平衡分析理论和自编软件计算程序，结合排土场南边坡底鼓和裂缝实际情况，反算岩土体力学指标，根据计算结果和排土场的潜在滑坡模式，对现状排土场边坡进行稳定性评价，得到排土场边坡滑坡模式为推动式的部分切层－挤出性滑动，北排土场边坡处在欠稳定阶段；通过对排土场边坡坡角处压脚工程处理，提出合理的治理措施[14-15]。

1 北排土场南帮边坡数值模拟

结合沙层基底排土场南帮边坡潜在滑坡模式，根据裂缝和底鼓现场实际条件，同时考虑到排土场潜在变形区破坏位置确定的复杂性，拟用采用CAD二次开放功能自编极限平衡分析软件法对排土场的稳定性进行分析，通过计算稳定系数大小来判断变形区的发展过程进而确定最危险的变形破坏区，在根据治理工程适用条件，选择合理的工程治理措施，确保排土场稳定性达到所需服务年限。

结合由于勘探线数量、空间分布特征、排弃物料现场条件、底鼓、裂缝发展情况及沙层基底形态、岩性和岩层顶板等高线等地层信息建立数值模拟模型，数值模似模型如图1，模型排土场高度为70 m、沙层厚度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1 数值模拟模型

通过自编程序软件数值计算，北排土场在现状沙层基底排弃高度70 m 下对应的稳定性计算结果如图2。

图2 北排土场现状边坡稳定性计算结果

由图2 已知：稳定性系数为1.001，排土场处于欠稳定状态。受第沙层岩性、基底产状、边坡形态、新近系基底等影响，再加上裂缝和和底鼓变形情况，排弃物料在自身重力的影响以下切层－挤出为主。在现阶段沙层基底控制下，排土场边坡顶部以沉降变形为主，底处以隆起为主，中部以变形滑动为主。后期考虑受降雨、风化、爆破振动、冻融等不利影响因素，会进一步造成边坡稳定程度的恶化，最终造成滑坡，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。

由于排土场沙层基底试验参数与现场实际参数差异较大，所以根据裂缝和底鼓现场实际情况，有必要进行沙层基底参数反分析，从而得到准确沙层岩土力学参数，为下一步的排土场治理提供最佳的方案，通过试验反算分析得北排土场基底土体的抗剪强度参数为c＝0 kPa、φ＝5.7°，得到南边坡滑坡模式为推动式切层－挤出性滑动。

2 北排土场稳定性治理方案

针对软弱基底排土场边坡的变形，唯一有效可行的措施是对边坡进行卸荷减载、坡角处压脚，减小下滑力，增大抗滑力，进一步提高边坡稳定性。而压脚作为滑坡处治中具有施工速度快、工程造价低的特点，可以有效地提高滑坡的抗滑力，从而有效提高坡体的稳定性，故条件允许时宜尽量采用。尤其是在滑坡应急处治时，具有良好的独到优势。而压脚方案在实施前应注意如下有效事项，以确保反压工程的有效实施：①压脚体应具有一定的高度：这不但是压脚体所具有的土压力需求，也是防止滑坡从压脚体顶部发生“越顶”的需要，这是依据现场实际情况决定的；②压脚体应具有一定的（高度）厚度：只有确保一定的厚度，才能确保土压力或压脚体抗力的有效性。一般情况下，反压体的顶宽不宜小于5 m。为了保证排土场稳定性要求，最大程度减少成本，加快工程，所以对其进行压脚设计，压脚方案为压脚高度10 m 和20 m 和压脚好的10 m 和20 m 4 种组合方案，根据滑体形态，压脚最小工作平盘宽度10 m，压脚台阶高度10 m，台阶坡面角35°，台阶高度为10 m；通过计算压脚高度、宽度分别为20 m 北排土场边坡稳定系数1.216，压脚工程量为20 万m3，达到了满足安全储备系数1.2 的要求。北排土场边坡压脚高度、宽度分别为20 m 计算结果图如图3。

图3 北排土场边坡压脚高度、宽度分别为20 m 计算结果图

3 结语

1）通过CAD 二次开发极限平衡计算可知，排土场边坡的稳定系数为1.001，处于欠稳定状态，现状边坡变形处于初加速阶段。

2）通过反算分析得北排土场基底土体的抗剪强度参数为c＝0 kPa、φ＝5.7°，得到南边坡滑坡模式为推动式切层－挤出性滑动。

3）综合考虑排土场底鼓和裂缝情况，排土场压脚高度、宽度分别为20 m，压脚体体积为滑体1/5时，排土场稳定性均能满足规范要求。