排土场边坡稳定性分析及安全评价分析

马永明

（甘肃省建设项目咨询中心有限公司，甘肃 兰州 730070）

1 矿山概况

以某地区矿山（后统称为a矿山）为例进行分析，该矿山位于我国北方某地区，地质储量达到22441Mt，实际生产能力达到20.0Mt/a。A矿山首采设置内排土场、东一排土场、西南排土场。在a矿山不断开发过程中，发现内排土场北帮严重不稳定，故采用Bishop及FLAC3D对北帮排土场边坡稳定性详细分析，以此避免内排土场边坡出现的变形，导致发生人员伤亡异常，造成重大经济损失[1]。

2 排土场边坡稳定性影响因素及边坡滑坡模式

排土场为人工堆积形成，多为当地松散、破碎岩石混合物。受传统价值观念影响，矿山企业过于重视经济效益，过分追求少征地、短运输、大容量，逐渐发展形成矿山普遍排土场高且陡，易发生滑坡及泥石流[2]。

在矿产开发中，其不同台阶岩层不同，实际开采中往往需要用到爆破方式，后经过开发和运输不断深入，排土场实际堆积物理化性质发生变化，混合料强度低于原本岩层，且排弃后混合物分布不均，影响排土场稳定性，具体影响因素为：

（1）排土场地基，排土场地基岩土倾角等。

（2）排土场周围水文地质。

（3）排土工艺及边坡高度、最终边坡角也对排土场稳定性有影响。

（4）一系列外在因素：边矿年限、边坡形状、工程活动、安全管理等。

针对a矿山内排土场地形、岩土性质、排弃物性质，其可能存在三种变形：

（1）地基型滑坡：针对a矿山工程地质条件，内排土场为黄土，存在较多冲沟，黄土自然斜坡大，排弃物料及黄土接触面抗剪强度在排弃物及黄土抗剪强度之下。雨季则排弃物和黄土接触层受到雨水侵蚀，受到侵蚀后，其实际抗剪强度逐渐下降，且若实际排弃高度过高，达到极限，就会发生地基式滑坡[3]。

（2）沿采场、排土场边坡内部容易出现圆弧破坏：采场边坡岩土将受降水、外部载荷等因素影响，通过深入开发，则排弃物不断累加，高度不断上升，容易导致坡体滑力持续上涨，发生严重滑坡。

（3）沉降变形：受周围地势影响，排土场周围地貌高低不平，且存在冲泡发育，随着开采不断开展，对应堆积高度增加，打破原本平衡状态。矿山的实际排土高度增加，则其自身排土场就容易出现不均匀变形，导致边坡应力不衡，局部边坡存在明显搓动，形成新平衡状态。

3 Bishop及FLAC3D介绍

Bishop法对边坡稳定分析圆弧滑动分析法（Fellenius）改进，Bishop提出安全系数理念，对条分法起到重要作用，其假定土条间作用力为水平方向，求土条间法向力。由于分条剪力计算困难，考虑到实际需求，Bishop忽略分条剪力作用。

FLAC3D源于美国，为有限差分软件，其可将土、岩及其他材料三维结构受力分析，调整三维网络多面体单元，结合实际单元，以线形/非线性本构模型代表单元材料，受外力影响，材料屈服后，网格也发生变形及移动，因此，采用FLAC3D可模拟实际工程中不同受力变化，有效模拟岩土工程问题，为解决问题打下坚实基础。

4 Bishop计算结果分析

a矿场内排土场北帮边坡高度达到193m，边坡角达到20°，对内排土场帮样本采集，以岩石力学试验，测试得到岩体参数如表1所示。

表1 岩体物理力学参数

实际计算剖面如图1所示。

图1 排土场北帮计算剖面图

以Bishop方式计算内排土场北帮边坡稳定系数达到1.22，此时边坡为极限平衡。

5 FLAC3D软件计算结果

A矿场内排土场北帮剖面模型如图2～图7所示。

图3 北帮剖面塑性区分布图

图4 北帮剖面X方向位移图

图5 北帮剖面Z方向位移

图6 北帮剖面安全系数及最大主应力云图

图7 北帮剖面安全系数及最小主应力云图

通过上图显示出边坡变形及破坏规律状态。其中，从图4到图5可以得到a矿山内排土场北帮边坡X方向位移及Z方向位移实际变化情况。通过图4和图5得到，该边坡整体稳定性突出，虽局部有塑性变形，但通过积极治理、管理，护脚，稳定性得到保障。此时该边坡体为稳定蠕变形态，并不会短时间出现瞬时滑坡，影响矿山开发安全性。

从图6到图7可以得到，内排土场北帮边坡实际安全系数及应力云图，可有效观察到边坡变形破坏形式及实际破坏面。

6 对滑坡现象有效预防治理

针对以上a矿山开采遇到的问题，提出以下具体防治措施。

（1）对内排土场最下部的台阶坡底及采掘台阶坡底间设置足够的安全距离，保证开采正常进行的同时，也保证排土场自身平整性及稳定性，积极修筑截泥设施及排水设施，保证开采现场安全性。

（2）内排土场需强化边坡管理工作，对内排土场落实监测及科学管理，采取平整处理方式，对现场出现坡面裂缝的现象要及时填充。开采遇到雨季、春季雨雪刚刚融化的时期，尤其需注意对边坡的管理和控制。要对边坡积极观测、巡检，避免雨水及雪融化后逐渐深入到排土场底板，严重影响排土场实际质量。在旱季对矿山开采，则需注意沉降变形导致的不均匀性，避免沉降严重影响边坡稳定性。

（3）要定期对滑坡区域的边坡是否稳定切实分析，若稳定性降低或出现异常现象，需及时采取必要防治措施，控制不稳定现象发生。若滑坡已经发生，要针对滑坡区落实紧急安全措施，对滑坡进行专业勘查，对危害评价并设计具体治理工程。

（4）边坡发生变形破坏后，其自身变形因素较为复杂，且影响因素具有不确定性，为后续治理及提前预防造成诸多不便，需采取必要的边坡防护措施，并对边坡进行有效监测。对边坡状态实施监控，从而掌握剥采中的边坡状态。在监测中国，可通过应力监测、位移监测、地下水监测及振动监测，有效了解边坡状态。以a矿山开采为例，该矿山开采中布置边坡的监测线10条，设置40个监测点，监测上以钢筋混凝土桩设置监测点，采用全站仪配合对应RTK、GPS系统对地表位移有效监督。

7 结语

综上所述，文章通过对a矿山开采中内排土场北帮边坡稳定性详细分析，通过Bishop计算出具体的稳定系数为1.22，以FLAC3D软件计算出稳定系数为1.25，该内排土场北帮边坡为圆弧式滑坡模式，表示内排土场北帮边坡状态相对稳定。通过FLAC3D对内排土场北帮边坡数据模拟分析，从而有效验证平衡理论是否准确，结果发现边坡基本处于稳定蠕变状态，短时间内不会发生滑坡。