排土場穩定性分析與工程治理

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沙層基底（軟弱基底）是邊坡失穩的主控因素，也能成國內外專家關注的熱點話題之一，學者們應用不同理論對軟巖邊坡展開大量研究[5]。曹蘭柱等[6]為了探究多個弱層對復合邊坡失穩破壞和穩定性的影響，針對白音華二號露天煤礦中由弱層導致的由非工作幫和排土場組成的復合軟巖邊坡的區域進行研究，以SRM法為基礎，以FLAC3D軟件為分析實現手段，分別計算了危險區的典型剖面在兩種開挖條件下的穩定性規律和破壞機制，展現了存在多條弱層的地質情況下復合邊坡的失穩破壞的特點及其對穩定性的影響，并提出邊坡治理措施；王東等[7]應用RFPA強度折減法，將拉伸和剪切2種破壞判據一并作為判斷依據，數值模擬了露井聯采條件下平莊西露天煤礦頂幫逆傾邊坡巖移規律及穩定性，總結出邊坡在露井聯采條件下的破壞形式是滑移－塌陷復合型破壞，并且研究出在地下采動的作用下逆傾邊坡穩定性降低的本質是剪應力在邊坡構成巖體內部的大面積累加提升，造成上部一定范圍的巖體遭到破壞的時間提前到邊坡滑移之前，從而加劇了滑坡的發展；周先齊等[8]認為巖體本身具有復雜的非連續、非線性特性，相比于連續介質數值方法，離散單元法更加適合具有非連續特征的巖體；PHSWKulatilake等[9]針對露天礦開挖過程的位移場變化運用3DEC軟件進行了計算，達到了理想的效果；劉蕾等[10]運用FLAC和PFC2D耦合方法，對逆層巖質邊坡地震動力作用下的破壞情況進行了分析；賀續文等[11]采用PFC2D構建了含有大量節理的巖體邊坡模型，并對其進行了探討，結果表明，此類破壞是一個漸進破壞過程，同時證明了離散單元法在解決含節理巖體邊坡問題方面有著獨特的優勢；劉福明等[12]揭示了壓實區與非壓實區滲透速率不同的內在原因．根據試驗結論提出了提高露天礦排土邊坡穩定性的建議。現階段關于沙層基底排土場穩定性的研究相對較少，這種特殊基底形態的排土場對露天煤礦安全生產的影響日漸突出，所以，有必要研究邊坡破壞特征，對排土場邊坡進行穩定性分析及評價，從而為采取合理的治理措施提供依據[13]。為此，以扎哈淖爾露天煤礦北排土場為工程實例，基于極限平衡分析理論和自編軟件計算程序，結合排土場南邊坡底鼓和裂縫實際情況，反算巖土體力學指標，根據計算結果和排土場的潛在滑坡模式，對現狀排土場邊坡進行穩定性評價，得到排土場邊坡滑坡模式為推動式的部分切層－擠出性滑動，北排土場邊坡處在欠穩定階段；通過對排土場邊坡坡角處壓腳工程處理，提出合理的治理措施[14-15]。

1北排土場南幫邊坡數值模擬

結合沙層基底排土場南幫邊坡潛在滑坡模式，根據裂縫和底鼓現場實際條件，同時考慮到排土場潛在變形區破壞位置確定的復雜性，擬用采用CAD二次開放功能自編極限平衡分析軟件法對排土場的穩定性進行分析，通過計算穩定系數大小來判斷變形區的發展過程進而確定最危險的變形破壞區，在根據治理工程適用條件，選擇合理的工程治理措施，確保排土場穩定性達到所需服務年限。結合由于勘探線數量、空間分布特征、排棄物料現場條件、底鼓、裂縫發展情況及沙層基底形態、巖性和巖層頂板等高線等地層信息建立數值模擬模型，數值模似模型如圖1，模型排土場高度為70m、沙層厚度45m，新近系厚度9m，南北長為1950m，各地層從上至下分別為：排棄物料，第四系粉土、新近系黏土，風化泥巖帶。由于排土場沙層基底試驗參數與現場實際參數差異較大，所以根據裂縫和底鼓現場實際情況，有必要進行沙層基底參數反分析，從而得到準確沙層巖土力學參數，為下一步的排土場治理提供最佳的方案，通過試驗反算分析得北排土場基底土體的抗剪強度參數為c＝0kPa、φ＝5．7°，得到南邊坡滑坡模式為推動式切層－擠出性滑動。

2北排土場穩定性治理方案

針對軟弱基底排土場邊坡的變形，唯一有效可行的措施是對邊坡進行卸荷減載、坡角處壓腳，減小下滑力，增大抗滑力，進一步提高邊坡穩定性。而壓腳作為滑坡處治中具有施工速度快、工程造價低的特點，可以有效地提高滑坡的抗滑力，從而有效提高坡體的穩定性，故條件允許時宜盡量采用。尤其是在滑坡應急處治時，具有良好的獨到優勢。而壓腳方案在實施前應注意如下有效事項，以確保反壓工程的有效實施：①壓腳體應具有一定的高度：這不但是壓腳體所具有的土壓力需求，也是防止滑坡從壓腳體頂部發生“越頂”的需要，這是依據現場實際情況決定的；②壓腳體應具有一定的（高度）厚度：只有確保一定的厚度，才能確保土壓力或壓腳體抗力的有效性。一般情況下，反壓體的頂寬不宜小于5m。為了保證排土場穩定性要求，最大程度減少成本，加快工程，所以對其進行壓腳設計，壓腳方案為壓腳高度10m和20m和壓腳好的10m和20m4種組合方案，根據滑體形態，壓腳最小工作平盤寬度10m，壓腳臺階高度10m，臺階坡面角35°，臺階高度為10m；通過計算壓腳高度、寬度分別為20m北排土場邊坡穩定系數1．216，壓腳工程量為20萬m3，達到了滿足安全儲備系數1．2的要求。

3結語

1）通過CAD二次開發極限平衡計算可知，排土場邊坡的穩定系數為1．001，處于欠穩定狀態，現狀邊坡變形處于初加速階段。2）通過反算分析得北排土場基底土體的抗剪強度參數為c＝0kPa、φ＝5．7°，得到南邊坡滑坡模式為推動式切層－擠出性滑動。3）綜合考慮排土場底鼓和裂縫情況，排土場壓腳高度、寬度分別為20m，壓腳體體積為滑體1/5時，排土場穩定性均能滿足規范要求。

參考文獻：

［1］曹蘭柱，霍麗紅．順傾軟巖邊坡穩定性分析與防治［J］．科技導報，2011（36）：46－49．

［2］張信，殷志祥，王東．順興露天礦順傾軟弱基底內排土場穩定性研究［J］．世界科技研究與發展，2015（2）：138．

［3］曹蘭柱，楊秀．基于FLAC3D的黃土基底排土場邊坡穩定性分析［J］．科技導報，2011（14）：46－50．

［4］單儒嬌．極限平衡法和有限元法分析排土場邊坡穩定性［D］．阜新：遼寧工程技術大學，2009．

［5］張衛國．黃土地基排土場基底型滑坡機理研究［J］．中國礦業，2006（11）：46－48．

［6］曹蘭柱，趙立春，王東，等．含多弱層復合邊坡滑坡治理三維數值分析［J］．中國安全生產科學技術，2015，11（6）：102－107．

［7］王東，王前領，曹蘭柱，等．露井聯采逆傾邊坡穩定性數值模擬［J］．安全與環境學報，2015，15（1）：15－20．

［8］周先齊，徐衛亞，鈕新強，等．離散單元法研究進展及應用綜述［J］．巖土力學，2007，28（S1）：408－416．

作者:滕瑞雪 趙立春 李維 單位:扎魯特旗扎哈淖爾煤業公司