露天礦松散介質(zhì)排土場(chǎng)邊坡在SlGMA/W下應(yīng)力及穩(wěn)定性分析研究

王德忠，吳 燃

(1.山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030031；2.山西忻州神達(dá)能源集團(tuán)有限公司，山西 忻州 034000)

我國(guó)露天礦山開(kāi)采和剝離工程中形成了大量的排土場(chǎng)，排土場(chǎng)主要由松散介質(zhì)構(gòu)成，松散介質(zhì)是介于流體和固體的一種物質(zhì)，在干燥狀態(tài)下松散顆粒體屬于固體，在雨水和飽水狀態(tài)下松散體變成了流體狀態(tài)[1]。近幾年我國(guó)北方雨水也明顯增多，在雨季這些排土場(chǎng)邊坡給人民的生產(chǎn)和生活帶來(lái)了極大的安全隱患，主要隱患為滑坡和泥石流。本文通過(guò)分析北方某露天礦排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性因素、邊坡類型和形成機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)圖，利用SIGMA/W有限元分析軟件求解排土場(chǎng)邊坡體線彈性變形問(wèn)題，用總應(yīng)力法和有效應(yīng)力分析方法進(jìn)行軟土固結(jié)分析，以及排土場(chǎng)邊坡排水措施的固結(jié)分析，最后計(jì)算得出該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，對(duì)今后此類型排土場(chǎng)邊坡治理提供理論依據(jù)。

1 影響排土場(chǎng)穩(wěn)定性的主要因素分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析，該露天礦排土場(chǎng)排棄物料松散，凝聚力較小，在干燥狀態(tài)下松散顆粒體屬于固體，穩(wěn)定性尚可，在雨水和飽水狀態(tài)下松散體變成了流體狀態(tài)。排土場(chǎng)中的部分泥巖及砂質(zhì)泥巖遇水強(qiáng)度明顯減弱，排土場(chǎng)穩(wěn)定性降低。影響排土場(chǎng)穩(wěn)定性的主要因素有：基底、地表及第四系潛水和排棄物料荷載等[2]。

1.1 排土場(chǎng)基底

根據(jù)該礦邊坡巖土工程勘察報(bào)告，外排土場(chǎng)基底巖性主要為第四系等，基底巖性強(qiáng)度較高，穩(wěn)定性較好，但整體邊坡要做好防水與排水。

1.2 潛水因素

由于大氣降水及地下水為上升等因素引起的排棄物含水增加，排棄物和基底力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)出現(xiàn)明顯弱化，增加了邊坡滑坡體的下滑力，減小了抗滑力，從而穩(wěn)定性降低。

1.3 排棄物荷載作用

露天礦排土場(chǎng)排棄堆積高度越高、排土場(chǎng)邊坡角越陡，對(duì)基底壓力越大，越容易產(chǎn)生底鼓，從而降低了邊坡穩(wěn)定性。

2 排土場(chǎng)邊坡滑坡模式分析

松散介質(zhì)排土場(chǎng)邊坡地基軟弱層滑坡的破壞機(jī)理主要是其下部基底巖土體內(nèi)存在軟弱地層和軟弱結(jié)構(gòu)面，當(dāng)外部應(yīng)力超過(guò)滑面抗剪強(qiáng)度，致使其地基不穩(wěn)定體沿剪切滑移面下滑，從而引起松散介質(zhì)排土場(chǎng)邊坡失穩(wěn)[3]。松散介質(zhì)排土場(chǎng)邊坡內(nèi)部滑坡主要發(fā)生原因是其內(nèi)部抗滑面發(fā)生了剪斷，導(dǎo)致松散介質(zhì)排土場(chǎng)邊坡抗滑力下降，從而發(fā)生了滑坡。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分析，該露天礦存在兩種潛在滑坡：

（1）沿排土場(chǎng)地下部的軟弱夾層發(fā)生的滑坡，排土場(chǎng)地內(nèi)部含有軟弱層時(shí)，隨著排棄物的堆積高度不斷增加，一旦坡體的自身荷載超過(guò)下部軟弱層的承載能力，排土場(chǎng)邊坡將會(huì)沿著場(chǎng)地下部的軟弱層發(fā)生滑坡。

（2）排土場(chǎng)邊坡表層的局部坍塌、錯(cuò)動(dòng)，由于排土場(chǎng)的局部堆積坡度過(guò)大，若上部繼續(xù)進(jìn)行堆積時(shí)，有可能打破局部應(yīng)力平衡，引發(fā)坡體錯(cuò)動(dòng)，形成新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。

3 模型建立

首選選取合適的外排土場(chǎng)邊坡驗(yàn)算剖面，該現(xiàn)狀邊坡高184m，邊坡角20°，根據(jù)排土場(chǎng)邊坡現(xiàn)狀情況進(jìn)行SIGMA/W模型建立。本項(xiàng)目穩(wěn)定系數(shù)的確定主要按照《露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50197-2015)有關(guān)規(guī)定，確定外排土場(chǎng)邊坡服務(wù)年限大于20年，確定穩(wěn)定系數(shù)為1.2。

由于傳統(tǒng)的剛體極限平衡理論沒(méi)有考慮巖土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，無(wú)法分析邊坡變形對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。因此，本項(xiàng)目采用專業(yè)的有限元邊坡分析軟件SIGMA/W軟件來(lái)分析邊坡巖體的應(yīng)力情況，揭示滑坡機(jī)理。根據(jù)實(shí)際邊坡剖面建立模型，SIGMA/W模型見(jiàn)圖1所示。

圖1 邊坡體模型示意圖

4 排土場(chǎng)邊坡剪力應(yīng)變分析

從圖2該排土場(chǎng)邊坡剪力應(yīng)變?cè)茍D可以看出該邊坡坡腳出現(xiàn)小面積應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要原因是在露天開(kāi)采的影響和排土場(chǎng)持續(xù)排放廢棄物的情況下應(yīng)力會(huì)發(fā)生重新分布，具體為坡面處的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力都比較小，而坡腳處的水平應(yīng)力則相對(duì)較高。由于應(yīng)力分布差別的結(jié)果，坡腳處水平應(yīng)力顯著提高，局部出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成了邊坡穩(wěn)定性下降，甚至出現(xiàn)失穩(wěn)崩塌滑坡等不良后果。因此，露天礦生產(chǎn)時(shí)要時(shí)刻關(guān)注松散介質(zhì)排土場(chǎng)邊坡內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，必要是要對(duì)其進(jìn)行加固處理。

圖2 剪切應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

5 排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

通過(guò)對(duì)該露天礦的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘，針對(duì)其外排土場(chǎng)邊坡，通過(guò)運(yùn)用極限平衡法（Bishop法和Morgenstern-Price法）和數(shù)值模擬對(duì)其邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了全面驗(yàn)算分析，驗(yàn)算模型如圖3、圖4所示，極限平衡驗(yàn)算下該排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.202，符合相關(guān)規(guī)范，通過(guò)摩爾應(yīng)力圓驗(yàn)算，該排土場(chǎng)邊坡總應(yīng)力在節(jié)點(diǎn)50，未出現(xiàn)大面積應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖3 極限平衡驗(yàn)算示意圖

圖4 摩爾應(yīng)力圓示意圖

采用極限平衡法與有限元分析法對(duì)該露天礦山外排土場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析評(píng)估，得出了外排土場(chǎng)基底基本穩(wěn)定，外排土場(chǎng)邊坡潛在的滑坡模式為圓弧型滑面和圓弧直線型滑面，數(shù)值模擬、驗(yàn)算結(jié)果均大于1.2，滿足《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50197-2015）中6.0.7規(guī)定要求，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表。

表1 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

6 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

邊坡的穩(wěn)定性涉及地面設(shè)施的安全及生產(chǎn)的連續(xù)性。鑒于邊坡變形破壞的復(fù)雜性和影響因素的不確定性，除了采取必要的邊坡防護(hù)措施外，還須實(shí)施邊坡監(jiān)測(cè)，以實(shí)時(shí)掌握剝采過(guò)程中邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)，對(duì)于避免滑坡災(zāi)害的發(fā)生具有重要意義。常用的邊坡監(jiān)測(cè)內(nèi)容有應(yīng)力監(jiān)測(cè)、位移監(jiān)測(cè)、地下水監(jiān)測(cè)、震動(dòng)監(jiān)測(cè)等，本項(xiàng)目擬采用全站儀配合RTK監(jiān)測(cè)地表位移。

6.1 位移監(jiān)測(cè)

邊坡從受到力的作用變形到最終破壞，通常要經(jīng)歷一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的演化過(guò)程。邊坡失穩(wěn)的發(fā)展過(guò)程，往往伴隨著一系列邊坡地表、地下的宏觀與微觀變形現(xiàn)象，包括邊坡地表的位移、地面裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展、地下滑動(dòng)面的形成等，通過(guò)位移監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)掌握這些現(xiàn)象的發(fā)生發(fā)展過(guò)程。目前采用的礦山邊坡位移監(jiān)測(cè)手段主要有地表位移監(jiān)測(cè)和地下位移監(jiān)測(cè)，而地表位移監(jiān)測(cè)由于容易實(shí)現(xiàn)應(yīng)用十分廣泛，設(shè)備的可操作性和精度也相對(duì)較高。

6.2 監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立及監(jiān)測(cè)管理措施

（1）監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立

監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布置形式可分為正方格網(wǎng)、任意方格網(wǎng)、十字交叉網(wǎng)、射線網(wǎng)和基線交點(diǎn)網(wǎng)等5種。采用何種監(jiān)測(cè)網(wǎng)要根據(jù)觀測(cè)區(qū)的地形條件確定。

監(jiān)測(cè)網(wǎng)的形成應(yīng)不但在平面上，更重要的應(yīng)體現(xiàn)在空間上的展開(kāi)布置，監(jiān)測(cè)網(wǎng)的形成可能是一次完成，也可分階段按不同時(shí)期和不同的要求形成。主滑面和可能滑動(dòng)面上、地質(zhì)分層及界限面，不同風(fēng)化帶上都應(yīng)有測(cè)點(diǎn)，可能形成的滑動(dòng)帶，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位和可疑點(diǎn)需加深加密布點(diǎn)。這樣可以使監(jiān)測(cè)工作在不同階段做到有的放矢，在邊坡工程監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，監(jiān)測(cè)方案必須隨時(shí)調(diào)整，使能有效地監(jiān)測(cè)邊坡工程的巖土變形的動(dòng)態(tài)變化和發(fā)展趨勢(shì)，具體了解和掌握其演變過(guò)程，及時(shí)捕捉崩滑災(zāi)害的特征信息，預(yù)報(bào)崩滑險(xiǎn)情，防災(zāi)于未然，同時(shí)為危巖的穩(wěn)定性評(píng)估和防治提供可靠依據(jù)。

（2）邊坡監(jiān)測(cè)管理措施

邊坡的安全管理與采礦作業(yè)的安全息息相關(guān)，因此應(yīng)加強(qiáng)排土場(chǎng)的邊坡監(jiān)測(cè)和管理，防止滑坡、坍塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。

礦山應(yīng)成立邊坡管理小組，選派技術(shù)人員或有經(jīng)驗(yàn)的工人專門負(fù)責(zé)邊坡監(jiān)測(cè)和管理工作。邊坡監(jiān)測(cè)工作主要是建立邊坡監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，定期進(jìn)行地表、地下位移監(jiān)測(cè)，掌握第一手資料，所有邊坡安全檢查均應(yīng)做好記錄，由專職安全員歸檔，應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行邊坡位移分析，每個(gè)月作出邊坡監(jiān)測(cè)分析報(bào)告。邊坡管理工作主要是邊坡專業(yè)技術(shù)人員日常對(duì)排土場(chǎng)等邊坡進(jìn)行檢查，加強(qiáng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理，嚴(yán)禁出現(xiàn)超高臺(tái)階，加強(qiáng)工作面水的管理，如發(fā)現(xiàn)不按設(shè)計(jì)施工或違反規(guī)定以及出現(xiàn)滑坡險(xiǎn)情時(shí)，有權(quán)責(zé)成兩礦及時(shí)處理。邊坡監(jiān)測(cè)或現(xiàn)場(chǎng)檢查有重大滑坡征兆等緊急情況時(shí)，邊坡管理人員有權(quán)停止有滑坡險(xiǎn)情或險(xiǎn)情危及區(qū)域的生產(chǎn)或施工作業(yè)，并向礦山負(fù)責(zé)人報(bào)告，保證生產(chǎn)安全。

6.3 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

巖體在力的作用下產(chǎn)生變形，內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到巖體強(qiáng)度時(shí)，巖體發(fā)生破壞。因此，監(jiān)測(cè)巖體應(yīng)力是一種積極主動(dòng)的監(jiān)測(cè)措施，對(duì)及時(shí)掌握滑坡動(dòng)態(tài)和采取治理措施至關(guān)重要。

7 結(jié)論

（1）由于露天礦開(kāi)采和排土場(chǎng)持續(xù)排土擾動(dòng)，排土場(chǎng)邊坡應(yīng)力會(huì)發(fā)生重分布，坡腳處水平應(yīng)力顯著提高，局部出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成了邊坡穩(wěn)定性下降，甚至出現(xiàn)失穩(wěn)崩塌滑坡等不良后果。

（2）排土場(chǎng)排棄物料松散，凝聚力較小，在干燥狀態(tài)下松散顆粒體屬于固體，穩(wěn)定性尚可，在雨水和飽水狀態(tài)下松散體變成了流體狀態(tài)。排土場(chǎng)中的部分泥巖及砂質(zhì)泥巖遇水強(qiáng)度明顯減弱，排土場(chǎng)穩(wěn)定性降低。

（3）通過(guò)SIGMA/W軟件對(duì)該露天礦松散介質(zhì)排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，其驗(yàn)算結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范要求，得出了外排土場(chǎng)基底基本穩(wěn)定，研究結(jié)果為類似條件排土場(chǎng)穩(wěn)定性治理提供了思路。

（4）排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性通過(guò)監(jiān)測(cè)巖體應(yīng)力是一種積極主動(dòng)的防治措施，對(duì)及時(shí)掌握滑坡動(dòng)態(tài)和采取治理措施至關(guān)重要，因此加強(qiáng)邊坡變形監(jiān)測(cè)工作，及時(shí)掌握邊坡變形的動(dòng)態(tài)情況和規(guī)律，對(duì)采場(chǎng)、排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，專人監(jiān)管，一旦發(fā)現(xiàn)滑坡跡象，應(yīng)立即撤離人員設(shè)備，對(duì)于出現(xiàn)的任何局部、小規(guī)模的邊坡坍塌滑落還要進(jìn)行專門的勘察、評(píng)估與治理工程設(shè)計(jì)。