張 凱 高毓山 劉奎明 陳成誠 陶志剛 蘇春陽

（1.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室(北京)，北京100083；2.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京100083；3.本溪鋼鐵集團南芬露天鐵礦，遼寧本溪117000；4.西藏華泰龍礦業(yè)開發(fā)有限公司地質(zhì)資源部，西藏 拉薩850200）

排土場邊坡由散體材料組成，粒徑分級不明顯，顆粒級配較差，坡體較為松散，且不穩(wěn)定，一旦排土方式不當，極易引發(fā)安全事故［1-3］。如：安太堡露天煤礦南排土場滑坡、攀礦尖山第六排土場滑坡、太和鐵礦排土場滑坡、黑山露天煤礦北排土場滑坡等都造成了較大的人員傷亡和財產(chǎn)損失［4-6］。究其原因，是對排土場穩(wěn)定性分析不足和排土工藝優(yōu)化欠缺，并且關(guān)于諸如西藏甲瑪?shù)V區(qū)這類高海拔地區(qū)的排土場邊坡的研究少之又少，因此，對于高海拔地區(qū)排土場邊坡穩(wěn)定性分析和排土工藝關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化就顯得尤為重要。

近年來，眾多學者針對排土場穩(wěn)定性分析開展了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果［7-10］。張燕飛等［11］以云南某金屬礦山為背景，用Monte-carlo法對邊坡進行了穩(wěn)定性分析，評價了該排土場邊坡的穩(wěn)定性及風險性，但缺少了與現(xiàn)場破壞情況的對比，穩(wěn)定性分析不足。王海等［12］針對霍林河南露天煤礦西四排土場沉降問題進行了分析，針對排土場沉降現(xiàn)狀制定了相關(guān)的治理措施，并通過極限平衡法對采取的措施進行了安全評價，但未對現(xiàn)場排土場的破壞情況進行詳細描述且未進行排土參數(shù)優(yōu)化。長沙礦冶研究院的相關(guān)技術(shù)人員對南芬鐵礦和廠壩七架溝排土場進行了穩(wěn)定性研究，但工程背景均不是高海拔地區(qū)，其研究成果難以應(yīng)用于高海拔地區(qū)［13-14］。曹蘭柱等［15］以蒙東西二露天礦排土場邊坡為工程背景，基于剛體極限平衡與三維數(shù)值模擬方法，揭示了不同基底傾角條件下的排土場邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，分析了軟弱傾斜復合基底排土場的邊坡失穩(wěn)機理。Sloan［16］研究認為排土場邊坡破壞主要是由軟弱土層控制，在夾層附近位置塑性應(yīng)變較大，控制了排土場邊坡的破壞模式。白羽等［17］以元寶山露天煤礦內(nèi)排土場為背景，利用剛體極限平衡法對不同排棄平盤寬度的內(nèi)排土場穩(wěn)定性進行了分析，確定了最優(yōu)排棄平盤寬度為55 m，但平臺臺階高度也是排土場邊坡穩(wěn)定性的重要控制因素，該項研究缺少了對其進行準確取值；胡旭東等［18］進行了排土場穩(wěn)定性分析，提出了合理的排土方案，并編制了某排土場的排土規(guī)劃；王?。?9］針對安太堡露天煤礦南寺溝排土場的增高擴容問題，通過優(yōu)化分析，使得南寺溝排土場的最小工作平盤寬度由65 m 縮小至60 m，但該參數(shù)較難在具有凍融損傷作用的高海拔地區(qū)應(yīng)用。

現(xiàn)階段對于排土場穩(wěn)定性分析和關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化的研究方法較為多樣，但針對高海拔地區(qū)排土場穩(wěn)定性的研究及關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化的成果較少。本研究以西藏甲瑪?shù)V區(qū)排土場為背景，基于有限差分方法和強度折減原理，對排土場進行穩(wěn)定性分析，利用FLAC3D軟件對不同單臺階高度和多臺階平臺寬度工況下的角巖排土場邊坡進行穩(wěn)定性分析，得出最優(yōu)關(guān)鍵參數(shù)，減小排土場失穩(wěn)風險并為類似排土場問題研究提供參考。

1 工程概況及區(qū)域地質(zhì)條件分析

1.1 工程概況

甲瑪?shù)V區(qū)位于西藏自治區(qū)拉薩市周邊，距離市區(qū)約68 km，角巖排土場位于角巖采場東北方向約600 m 處的山溝，為溝谷型排土場，屬于典型的多臺階覆蓋式排土場，如圖1所示。不同于低海拔的常溫地區(qū)，該礦區(qū)處于高海拔、高寒地區(qū)，排土場常年暴露于晝夜溫差大、四季溫差大的環(huán)境下，長期受到凍融循環(huán)作用，對排土場邊坡的穩(wěn)定性不利。

1.2 地層巖性

工程區(qū)地層巖性主要為白堊統(tǒng)林布宗組，其次為侏羅統(tǒng)多底溝組。角巖排土場場地基巖基本裸露，對場地穩(wěn)定性有利。區(qū)內(nèi)主要地層見表1。

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1.3 地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)位于從北到南的一系列推覆構(gòu)造系統(tǒng)中，地層之間存在一體化的接觸關(guān)系，褶皺構(gòu)造較為發(fā)育，主要有紅塔背斜、牛馬塘背斜、夏工普向斜、軸面節(jié)理密集帶和層間破碎帶。

2 高海拔排土場穩(wěn)定性分析

2.1 模型構(gòu)建

角巖排土場平面圖如圖2所示，選取近似垂直于坡面的A-3 剖面進行分析，該剖面所反映出的地層組成和地質(zhì)結(jié)構(gòu)都與現(xiàn)實較為貼切，可以更好地了解整個排土場的變化，并且可以更準確地判定排土場的整體安全性。依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，各臺階高度為30 m，平臺寬度為30 m，臺階坡面角為45°。在建立計算模型時，排土場的滑坡體需要有一定的外延空間，才能更有效地模擬排土場坡面的臨空狀態(tài)，以便盡可能減少邊界條件對于計算結(jié)果的影響。本研究計算模型如圖3所示。

2.2 初始參數(shù)選取

本研究選用的初始巖土體參數(shù)是以各類巖石的實驗室力學參數(shù)為基礎(chǔ)，以實際工程經(jīng)驗進行工程類比得到的。根據(jù)甲瑪銅礦所處地理位置的特殊性，運用邊坡凍融損傷巖體力學參數(shù)修正方法［20］，結(jié)合排土場實際情況，對巖體力學參數(shù)進行了凍融損傷修正，結(jié)果見表2。

2.3 角巖排土場邊坡穩(wěn)定性分析

為了能夠?qū)Ω鱾€臺階的位移變化進行準確描述，分別在平臺5 075 m、5 045 m、5 015 m、4 985 m 4 個臺階的坡頂和坡腳處設(shè)置了位移監(jiān)測點，如圖4所示。

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最終境界下的穩(wěn)定性分析云圖如圖5 所示。由圖5可以看出只有部分區(qū)域為受壓狀態(tài)，臺階頂部零星出現(xiàn)受拉狀態(tài)，雖然沒有形成貫通的剪應(yīng)變帶，但是從平臺5 045 m處剪應(yīng)變已經(jīng)有貫通的趨勢。并且有局部壓應(yīng)力不均勻擴展會導致小范圍的應(yīng)力集中，當所產(chǎn)生的應(yīng)力超過排土場所能承受的應(yīng)力時，巖體將會發(fā)生破壞。從剪應(yīng)變圖中可以預(yù)測，在各個部位與區(qū)域的破壞點貫通后將會形成破壞面，直至擴展到自由面時將發(fā)生滑坡。

結(jié)合位移圖、應(yīng)力圖和塑性區(qū)云圖，可以看到排土場邊坡坡面應(yīng)力較大，且邊坡中上部相對于下部位移量較大，塑性區(qū)即將貫通，排土場邊坡即將發(fā)生失穩(wěn)，破壞特征可能是坡頂發(fā)生位移擠壓到坡腳，發(fā)生剪切破壞，導致滑坡體沿著近似圓弧滑面向整體排土場的坡腳進行移動。

本研究在計算過程中所設(shè)置的各個監(jiān)測點獲得的位移信息如圖6所示。

由圖6 可知：在計算排土場邊坡穩(wěn)定時，其監(jiān)測點位移的變化趨勢仍處于上升階段，在當前排土工藝下并沒有達到沉降穩(wěn)定的程度，仍有滑坡趨勢。排土場現(xiàn)狀如圖7所示，頂部沿平臺方向出現(xiàn)了垂直裂縫，但裂縫均較小，還沒有發(fā)生坡體滑動，若處理不當，繼續(xù)對排土場頂部施加荷載，將會形成前一緣拉著后一緣、后一緣推著前一緣的張拉破壞。

3 角巖排土場關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

控制排土場穩(wěn)定性的3 個重要參數(shù)為臺階高度h、平臺寬度b、臺階坡面角φ（圖8）。本研究選取前兩個控制因素進行優(yōu)化設(shè)計。

本研究構(gòu)建單臺階模型時，臺階坡面角取散體物料的自然安息角37°，坡高為h，排土場坡腳到右邊界的距離為1.5h，坡頂?shù)阶筮吔绲木嚯x為2.5h，模型總高為2h，如圖9所示。依據(jù)此原則的模擬計算結(jié)果較為理想。

在保證排土場邊坡穩(wěn)定性的條件下，為了能夠最大限度節(jié)約礦山成本，降低工程量，本研究對單臺階的高度進行不同排土高度下的模擬分析，根據(jù)不同高度下所得到的安全穩(wěn)定性系數(shù)曲線，分析安全穩(wěn)定性系數(shù)與臺階高度之間的關(guān)系，從而確定最優(yōu)單臺階高度。依據(jù)最優(yōu)單臺階高度對不同組合臺階的平臺寬度進行模擬，同樣根據(jù)不同組合臺階平臺寬度情況下所得到的安全穩(wěn)定性系數(shù)，分析組合臺階平臺寬度與安全穩(wěn)定性系數(shù)之間的關(guān)系，確定最適宜的組合臺階平臺寬度。

3.1 單臺階高度確定

根據(jù)現(xiàn)場排土場要求，臺階高度不宜超過100 m，故選取20 m、30 m、40 m、50 m、60 m 共5 種不同高度的臺階進行模擬，歸納總結(jié)得出穩(wěn)定性系數(shù)與臺階高度的變化規(guī)律。選取30 m、40 m、50 m 典型臺階高度的位移云圖和剪應(yīng)變云圖（圖10）進行分析。

由圖10 可知：臺階高度為30 m 時，坡頂處出現(xiàn)最大位移，其余坡面位移量較小，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，從其剪應(yīng)變云圖來看，尚未形成貫通的剪切帶；臺階高度為40 m 時，位移最大處位于坡頂，位移量較小，模型計算穩(wěn)定后并未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象；臺階高度為50 m 時，位移最大值已經(jīng)達到1 m，由剪應(yīng)變云圖可以看出其剪應(yīng)變主要集中在下坡腳處，并且已經(jīng)形成了貫通的剪應(yīng)變帶，模型已經(jīng)出現(xiàn)了破壞現(xiàn)象。各臺階高度安全系數(shù)及其變化曲線見表3 及圖11。

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分析表3 及圖11 可知：隨著排土場臺階高度的增加，安全系數(shù)逐漸降低，在臺階高度為50 m 時，安全系數(shù)發(fā)生突降，可見當邊坡堆載高度為40 m 時，土場已達到安全平衡狀態(tài)，同時安全系數(shù)大于1.25，符合邊坡排土場的安全儲備，大于40 m 時臺階高度成為主導邊坡穩(wěn)定性的因素，安全系數(shù)下降率變大，邊坡更加容易失穩(wěn)，因此最優(yōu)臺階高度選擇40 m。

3.2 組合臺階平臺寬度確定

本研究以單臺階高度40 m 為不變量，選取30 m、40 m、50 m、60 m 作為平臺寬度進行模擬，分析平臺寬度與穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系，推斷出安全又經(jīng)濟的平臺寬度。選取30 m、40 m、50 m 作為典型臺階寬度，其位移云圖和剪應(yīng)變云圖如圖12所示。

由圖12可知：平臺寬度為30 m時，在排土場上部有剪應(yīng)變集中，并有向下擴散的趨勢，結(jié)合位移云圖來看發(fā)生最大位移處與最大剪應(yīng)變處位置相近，說明排土場在此次工況下不會發(fā)生整體性破壞，可能會發(fā)生局部破壞；當平臺寬度為40 m 時，最大位移的位置上移，其剪應(yīng)變主要集中在排土場最上的臺階處；當平臺寬度為50 m 時，隨著臺階寬度的增大，每個臺階所發(fā)生的位移并未相連。不同平臺寬度的安全系數(shù)見表4，安全系數(shù)變化曲線見圖13。

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由表4 及圖13 可知：臺階寬度為30 m 時，其安全系數(shù)為1.20，尚未符合排土場的安全儲備，在40 m 的工況條件下的安全系數(shù)是一個陡增的狀態(tài)并滿足排土場的安全儲備，50 m、60 m 兩種工況下，也滿足了排土場的安全儲備條件，但是對于安全系數(shù)的增幅較小，也減少了排土場自身所能堆載的廢料數(shù)量，在一定程度上增加了礦山生產(chǎn)成本。從整體趨勢來看，最優(yōu)平臺寬度為40 m。

綜上分析：選取臺階高度為40 m，臺階寬度為40 m 時，不僅保證了排土場邊坡安全，還使排土場的利用率達到了最大化，節(jié)約了礦山生產(chǎn)成本。

4 結(jié) 論

（1）運用凍融損傷修正后的巖體力學參數(shù)對西藏甲瑪?shù)V區(qū)角礫巖排土場進行了穩(wěn)定性評價，結(jié)果表明：在當前排土工藝下并沒有達到穩(wěn)定程度，有滑坡的趨勢，滑坡整體可能沿著近似圓弧滑面向整體排土場的坡腳移動。

（2）當排土場形成之后，滑坡體內(nèi)部出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，沿著排土場內(nèi)部的軟弱土層延展到最近的坡面，并且軟弱層的前緣也具有擴展趨勢。隨著剪應(yīng)變帶的擴大，邊坡內(nèi)的塑性破壞區(qū)面積也有所增加，剪切塑性區(qū)將會大面積出現(xiàn)在斜坡前緣上，其塑性區(qū)基本貫通，導致滑坡產(chǎn)生。

（3）從單臺階高度和多臺階平臺寬度兩個角度，分不同工況對關(guān)鍵參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，利用FLAC3D軟件對不同單臺階高度和多臺階平臺寬度工況下的角巖排土場邊坡進行了模擬，分析了其位移變化規(guī)律、應(yīng)力應(yīng)變變化以及塑性區(qū)范圍大小，根據(jù)所得結(jié)果云圖和安全系數(shù)的變化趨勢，確定最優(yōu)的關(guān)鍵參數(shù)為單臺階高度40 m，組合臺階寬度40 m。