高寒地區(qū)露天礦排土場穩(wěn)定性分析研究*

李 鋼

(中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012)

0 引言

露天開采已成為淺埋固體礦山的主要開采方式，露天開采所剝離的巖土量巨大，目前主要采用排土場進(jìn)行堆排。露天排土場占地面積大、堆積體松散，其穩(wěn)定性影響因素復(fù)雜，一旦失穩(wěn)必然引發(fā)重大礦山事故。因此，研究排土場穩(wěn)定性問題十分重要[1]。

高寒地區(qū)氣溫低、晝夜溫差大，土石混合物因凍融循環(huán)所導(dǎo)致的物理力學(xué)性能劣化是影響露天排土場穩(wěn)定性的關(guān)鍵性因素之一。凍融循環(huán)主要影響巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因巖石風(fēng)化不完全及內(nèi)部含水等因素，使巖土體中存在大量不規(guī)則且尺度較大的孔隙，這些孔隙結(jié)構(gòu)直接影響排土場的物理力學(xué)特性[2]。高寒地區(qū)排土場的凍融循環(huán)導(dǎo)致巖土體內(nèi)部裂隙發(fā)生改變，從而引起孔隙結(jié)構(gòu)破壞甚至損壞巖土體完整性，并最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。其破壞規(guī)律對于散體物料在寒區(qū)的破壞機(jī)理研究十分重要，同時對于工程災(zāi)害防治等具有重要指導(dǎo)意義[3-5]。目前，針對排土場破壞機(jī)理與防治技術(shù)的研究多集中于常溫地區(qū)[6-8]，對高寒地區(qū)凍融循環(huán)條件下排土場的穩(wěn)定性研究尚有不足。本文以烏努格吐山銅鉬礦排土場為工程背景，通過測定凍融環(huán)境下巖土體物理力學(xué)參數(shù)，開展凍融循環(huán)條件下高寒地區(qū)排土場的穩(wěn)定性研究，并提出相應(yīng)防治技術(shù)措施，研究結(jié)果可為寒區(qū)礦山安全開采提供技術(shù)保障。

1 工程地質(zhì)概況

烏努格土山銅鉬礦區(qū)位于滿洲里市西南22 km，地處高緯度地帶，屬干旱型寒溫帶，冬季嚴(yán)寒且春季有暴風(fēng)雪，年平均氣溫為-0.71 ℃，冬季平均氣溫為-19.64 ℃，最低為-42.7 ℃，凍土最大深度為3.89 m。礦區(qū)上部淺埋礦體采用露天開采，目前北礦段露天開采標(biāo)高+870～+810 m，臺階邊坡角約60°。為節(jié)省成本縮短排土距離，排土場布置在露天礦南側(cè)，距離溝口距離為0.35 km。該區(qū)溝壑寬闊，溝底坡度平緩，縱坡1∶4～1∶5，較適于堆放露天廢石土料。根據(jù)工程地質(zhì)勘探報告，在鉆孔揭露的深度范圍內(nèi)，將地層由上至下劃分為耕土(Q4)、黑云母花崗巖(γβ)和花崗斑巖(γπ)3層。排土場地基工程地質(zhì)條件良好，無不良地帶和凍漲危害。烏努格土山銅鉬礦排土場如圖1所示。

圖1 烏努格土山銅鉬礦排土場Fig.1 Waste dump of Wunugetushan copper and molybdenum mine

根據(jù)設(shè)計資料，排土場分臺階堆放，最低排放標(biāo)高+710 m，頂標(biāo)高+930 m，總堆高220 m。臺階高度25～30 m，安全平臺寬度15 m，臺階坡面角為自然安息角34°，最終邊坡坡腳27°，排土場總?cè)莘e為111 860萬m3?？紤]排土場的復(fù)墾，臺階高度15.0 m、安全平臺寬度7.5 m、臺階坡比1.0∶2.5，最終邊坡1.0∶3.0，排土場總?cè)莘e110 868萬m3。

2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)測定

2.1 現(xiàn)場取樣與試樣制備

受重力影響，排土場不同粒徑的顆粒自然狀態(tài)下堆積在豎直方向，呈一定規(guī)律性。顆粒較大的塊石順坡滑至坡腳，顆粒小的則堆積于坡頂，排土場中間粒徑分布相對復(fù)雜，但基本以中等粒徑物料為主，且符合從下到上粒徑由大變小的規(guī)律。為保證試驗的準(zhǔn)確性，分別在排土場上、中、下部取現(xiàn)狀土堆下深1 m處的土體5～10 kg，試驗測得其含水率為2.1%。影響排土場穩(wěn)定性主要因素是排土場碎石物料的級配，但因排土場物料粒徑較大，很難直接測其抗剪強(qiáng)度，故采用縮尺法對烏努格吐山銅鉬礦排土場的散體物料進(jìn)行凍融循環(huán)試驗和小三軸抗剪強(qiáng)度測試，縮放尺度為原基礎(chǔ)試樣的10倍。

2.2 散體凍融循環(huán)試驗

對試樣進(jìn)行10次凍融循環(huán)試驗，測試巖土體黏聚力與內(nèi)摩擦角。將稱取的物料按照測試粒徑分布與含水率制成若干試樣，放入15 ℃的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)1 d并保證其含水率不變；再將試樣轉(zhuǎn)入冷凍設(shè)備進(jìn)行冷凍，溫度設(shè)為-15 ℃，冷凍時間為12 h，此為1次凍融循環(huán)。共連續(xù)進(jìn)行10次試驗，分別測其抗剪強(qiáng)度。凍融循環(huán)試驗箱如圖2所示[9]。

圖2 凍融循環(huán)試驗箱Fig.2 Test chamber of freeze-thaw cycle

2.3 散體抗剪強(qiáng)度測試

采用固結(jié)不排水方法對試樣進(jìn)行剪切測試。三軸抗剪強(qiáng)度試驗如圖3所示。將指定循環(huán)次數(shù)的凍融試樣混合均勻，分5層填入制樣筒，層與層之間盡量用細(xì)粒徑顆粒以防止離析，撒細(xì)顆粒后并整平試樣頂面；施加固結(jié)圍壓σ3分別取100，200，300 kPa，讀排水量管讀數(shù)；慢慢打開排水閥，使試樣中的水通過頂帽流入量水管，使孔隙壓力慢慢消散；當(dāng)量水管水面基本穩(wěn)定后，孔壓消散為0(<5 kPa)，即固結(jié)完畢。

圖3 三軸抗剪強(qiáng)度試驗Fig.3 Triaxial shear strength test

關(guān)閉排水閥，并記錄排水量管及孔壓表讀數(shù)。剪切應(yīng)變速率控制在0.05%～0.10%，當(dāng)試樣應(yīng)變每產(chǎn)生垂直應(yīng)變0.5 mm時，記錄量力環(huán)表及孔壓表讀數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)峰值后，繼續(xù)剪切3%～5%的垂直應(yīng)變，若量力環(huán)表讀數(shù)無明顯減少，則垂直應(yīng)變進(jìn)行到15%～20%為止，此為1組數(shù)據(jù)。根據(jù)不同圍壓下試樣的抗壓強(qiáng)度，運用摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，間接得到凍融循環(huán)下式樣黏聚力與內(nèi)摩擦角，見表1。

表1 凍融循環(huán)下物料黏聚力與內(nèi)摩擦角Table 1 Cohesion and internal friction angle of material under freeze-thaw cycle

2.4 試驗結(jié)果分析

由表1可知，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，散體物料的黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈一定規(guī)律性：黏聚力c在第1次凍融過程后大幅度降低，但在3次凍融以后趨于穩(wěn)定；內(nèi)摩擦角φ在第2次凍融后有所下降，但在第3次凍融時突然增大，后隨凍融次數(shù)增加逐漸趨于穩(wěn)定。由上述試驗數(shù)據(jù)可知，前3次凍融循環(huán)對散體物料的抗剪強(qiáng)度影響顯著，后期影響趨于穩(wěn)定，因此，寒區(qū)排土場穩(wěn)定的前期防治尤為關(guān)鍵。

3 排土場邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定性理論分析包括定性分析與定量分析2類。定性分析主要包括工程類比法與圖解法，主要通過現(xiàn)場地質(zhì)條件探測，分析邊坡破壞形式與失穩(wěn)機(jī)制，并根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗等對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行解釋[10-11]。定量分析主要有極限平衡法、有限元法與可靠度分析法，3種方法通過計算可判斷邊坡是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，并得到邊坡的安全系數(shù)。

烏努格土山銅鉬礦排土場近似三角形，其剖面截圖如圖4所示。取各個角與邊上具有代表性的6個剖面進(jìn)行分析，各剖面截取及簡化圖如圖5所示。通過GeoStudio軟件中SLOPE-W模塊對所取剖面可能發(fā)生滑移的面進(jìn)行計算，得到相對應(yīng)安全系數(shù)，其中安全系數(shù)最小的滑移面即為最危險滑移面。

圖4 排土場剖面截圖Fig.4 Cross-sectional view of waste dump

圖5 各剖面截取及簡化圖Fig.5 Interception and simplified drawings of each section

GeoStudio軟件是1款用于地質(zhì)工程和地質(zhì)環(huán)境計算的數(shù)值模擬軟件，軟件中SLOPE/W模塊基于極限平衡法可模擬得到巖土結(jié)構(gòu)體在水壓力作用下的安全系數(shù)和臨界滑動面位置。將簡化的6個剖面導(dǎo)入SLOPE-W模塊，基于表1試驗參數(shù)對模型賦值，通過瑞典條分法、畢肖普法與簡布法計算安全系數(shù)Fs并進(jìn)行對比分析[10-11]。排土場極限平衡計算結(jié)果如圖6所示。安全系數(shù)匯總見表2。

由表2可知，在無地下水影響時，6個剖面的安全系數(shù)均較高，普遍大于1.2并處穩(wěn)定狀態(tài)；存在地下水影響時，各剖面安全系數(shù)普遍減小，尤其是剖面E-E，存在地下水時坡面處于危險狀態(tài)，無論是瑞典條分法、畢肖普法還是簡布法計算的安全系數(shù)均小于1，理論上一定會產(chǎn)生滑坡，需采取必要防范加固措施。

表2 安全系數(shù)匯總Table 2 Calculation results of safety factor

4 滑面判定與治理

以烏努格吐山銅鉬礦排土場凍融循環(huán)前后的物理參數(shù)變化為基礎(chǔ)，采用GeoStudio計算特定邊坡剖面安全系數(shù)以及最危險滑移面位置，通過FLAC3D有限元分析該剖面在參數(shù)變化下的滑坡規(guī)律，為滑坡治理工作提供依據(jù)。

4.1 模型建立

本文主要運用FLAC3D中Extrusion功能進(jìn)行建模。

排土場模型(E-E剖面)如圖7所示。模型采用笛卡爾坐標(biāo)系，長350 m，寬1 000 m，高85.6 m，網(wǎng)格單元數(shù)6 680，節(jié)點個數(shù)7 770。本構(gòu)關(guān)系選用Mohr-Coulomb模型，原理是當(dāng)材料內(nèi)部某點發(fā)生滑移時，該面上的切應(yīng)力τn不但要克服分子內(nèi)部黏聚力，還要克服正應(yīng)力σn在該點所在平面產(chǎn)生的摩擦力。邊界條件設(shè)置為約束模型底部不讓其進(jìn)行縱向位移，模型左右前后邊界進(jìn)行橫向約束，計算時只考慮模型自重，然后進(jìn)行平面應(yīng)變分析，其頂面為自由面。

圖7 排土場模型(E-E剖面)Fig.7 Waste dump model (section E-E)

4.2 參數(shù)選取

由GeoStudio二維極限平衡理論計算可知，有水存在時邊坡安全系數(shù)降低，滑移面隨之發(fā)生變化，從而產(chǎn)生不同的破壞形式。試驗選取凍融循環(huán)0次無水和凍融循環(huán)10次含水作為數(shù)值計算基本參數(shù)。在二維極限平衡計算過程中，假定其他條件不變，僅考慮凍融循環(huán)條件下改變其物理力學(xué)參數(shù)，觀察邊坡的破壞形狀與趨勢。物理力學(xué)參數(shù)見表3。將有限差分方法與二維極限平衡理論的計算結(jié)果進(jìn)行對比，找出二者差異性，并提出對應(yīng)治理措施。

表3 物理力學(xué)參數(shù)Table 3 List of physical mechanics parameters

4.3 結(jié)果分析

根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果可知，排土場潛在滑面與二維GeoStudio的極限平衡計算結(jié)果基本一致。

1)凍融循環(huán)后邊坡的塑性區(qū)相對凍融循環(huán)前明顯增大，且呈現(xiàn)圓弧滑面破壞趨勢。凍融循環(huán)后，排土場邊坡在圓弧剪切應(yīng)力作用下，巖土體逐漸產(chǎn)生裂隙變化，裂隙貫通后將導(dǎo)致滑移。

2)無水條件下，雖剪切應(yīng)力與GeoStudio計算結(jié)果大體相同，但在二維極限平衡計算中，通過預(yù)設(shè)排土場滑面，可計算出相應(yīng)安全系數(shù)；凍融循環(huán)前后剪切應(yīng)力分布基本相同，與GeoStudio計算結(jié)果基本吻合。二維極限平衡計算剖面A-A處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)凍融循環(huán)后剖面E-E安全系數(shù)小于1而產(chǎn)生滑動，與FLAC3D應(yīng)力計算相吻合。

3)凍融循環(huán)前后，剖面E-E的巖土體在垂直方向位移明顯增大，與GeoStudio計算的滑面吻合，最危險滑面基本沿計算滑移面滑動。數(shù)值計算結(jié)果(E-E剖面)如圖8所示，研究結(jié)果可為剖面E-E的滑坡治理提供理論依據(jù)。

圖8 數(shù)值計算結(jié)果(E-E剖面)Fig 8 Results of numerical simulation (section E-E)

4.4 滑坡治理

根據(jù)GeoStudio與FLAC3D計算結(jié)果可知，滑面形狀大體相同。邊坡一旦發(fā)生滑坡事故，不但會改變排土場整體結(jié)構(gòu)，還將威脅場地人員安全。因此，需要依據(jù)計算的最危險滑面，采取相應(yīng)防治措施，對不穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行加固處理。

1)水對排土場穩(wěn)定性影響大，水的存在將導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)大幅下降，故消除暴雨積水等對排土場穩(wěn)定性的影響，對確保截洪溝、截水溝、排水溝和排土場底部排水構(gòu)造的完整性十分必要。

2)削坡治理。根據(jù)烏努格吐山銅鉬礦排土場現(xiàn)場實際情況，在凍融循環(huán)條件下，剖面E-E為最危險滑移面，可采取削坡的方法對其進(jìn)行滑坡治理。利用GeoStudio軟件對逐步削坡后的邊坡進(jìn)行模擬，并計算安全系數(shù)，如圖9所示?；泼嬷饕诘?個臺階，而第2臺階的坡腳為37°，故采用2°的臺階差角對其進(jìn)行削坡，一步削坡后邊坡安全系數(shù)為0.977，二步削坡后為1.116，三步削坡后增為1.383。由圖9可知，隨坡角削減，邊坡安全系數(shù)由0.929增至1.383，由危險滑移面變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)，驗證了削坡處理的可行性。

圖9 安全系數(shù)變化Fig.9 Changes of safety factor

3)布置抗滑樁。根據(jù)烏努格吐山銅鉬礦排土場穩(wěn)定性分析結(jié)果，在二維極限平衡法計算的滑面處通過打樁可實現(xiàn)排土場加固。在剖面E-E的滑面處每隔5 m進(jìn)行1次打樁加固，傾角為46.2°，抗滑樁長20 m，頂部露出地面3 m，下部埋置深度17 m。利用GeoStudio軟件對打樁加固后的邊坡進(jìn)行模擬，并計算逐根打樁后的邊坡安全系數(shù)。當(dāng)抗滑樁數(shù)量逐步增加為7根時，安全系數(shù)增至1.138，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，仍然存在滑移風(fēng)險；當(dāng)抗滑樁數(shù)量為8根時，安全系數(shù)為1.296，此時邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此設(shè)定抗滑樁數(shù)量為8，抗滑樁加固示意如圖10所示。

圖10 抗滑樁加固示意Fig.10 Schematic diagram of anti-slide pile reinforcement

5 結(jié)論

1)對不同凍融循環(huán)次數(shù)的試樣進(jìn)行三軸剪切試驗，得知試樣的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ在凍融循環(huán)作用下皆呈一定演化規(guī)律，即前3次凍融循環(huán)對散體物料的抗剪強(qiáng)度影響顯著，后期影響則趨于穩(wěn)定，因此寒區(qū)排土場穩(wěn)定的前期防治尤為關(guān)鍵。

2)結(jié)合室內(nèi)試驗參數(shù)，采用GeoStudio對不同工況下邊坡安全系數(shù)進(jìn)行計算得知，在無地下水時，6個剖面的安全系數(shù)普遍大于1.2，處穩(wěn)定狀態(tài)；在地下水的干擾下，各剖面安全系數(shù)普遍下降，尤其是剖面E-E，其安全系數(shù)低于1，存在滑坡風(fēng)險。通過FLAC3D有限元計算分析E-E剖面在參數(shù)變化下的滑坡規(guī)律，為滑坡治理工作提供理論依據(jù)。

3)利用GeoStudio軟件對滑坡治理措施進(jìn)行可行性模擬分析，控制水對邊坡的影響較為重要；其次提出削坡治理及布置抗滑樁措施，當(dāng)邊坡角度削減至31°時，邊坡的安全系數(shù)增至1.383；抗滑樁增至8根時，安全系數(shù)增加至1.296，均可有效預(yù)防治理邊坡滑坡。