0 引言
露天矿开采首先需要将表土层与岩层剥离使矿体出露，而排土场作为剥离废弃土石的排放场所，其边坡稳定性关系到露天矿山的正常生产[1-2]。排土场边坡一旦发生滑坡、失稳等灾害，将会严重影响矿山生产进度甚至造成经济损失与人员伤亡。排土场稳定性受多种因素影响，其中降雨是最常见的自然因素。在我国，每年由降雨引发的各类岩土边坡事故多达数百起[3]，而暴雨后排土场发生滑坡与泥石流的案例也时有发生，如2001年6月土耳其Central Anatolia一露天煤矿排土场发生滑坡致使生产中断，事故调查显示由于5月的降雨致使排土场内部力学性质发生了极大的改变，从而导致滑坡的发生[4]。由于水向排土场边坡体内部渗滤，使堆积物料的力学性质劣化，尤其对抗剪强度影响极大。
目前，学者们做了大量针对降雨对排土场边坡的影响的研究，其中以数值模拟与理论分析的研究方法居多，将边坡体局部位移情况、位移增长速度或安全系数等宏观现象作为数量化指标，分析持续暴雨、长历时降雨工况下排土场的稳定性状况[5-6]；有的学者还分析了不同降雨条件下水的渗流作用与降雨对边坡体渗流作用的影响，从而分析得到降雨对排土场稳定性的影响[7-9]。罗阳华等[7]模拟了降雨过程中渗流的时变规律，模拟结果表明过程降雨量大会导致基底滞水使安全系数降低，由于安全系数的滞后性，边坡稳定性的最危险时刻在降雨之后出现；李超等[8]以粗粒排土场为研究对象研究了降雨入渗对排土场稳定性的影响，粗粒土由于其结构上的特殊性，边坡排弃物料的基质吸力变化与饱和度之间没有显著关联，而粗粒土排水速度较快的特点使得安全系数的滞后性并不明显；张亚宾等[9]分析了降雨持续时间与降雨强度对排土场边坡的影响，得到随降雨时间的延长，边坡体渗水面逐渐向深部扩展，边坡稳定性降低，并且边坡稳定性降低的速度随降雨强度的增大而增加；刘福明等[10]通过降雨相似模拟试验，认为由于排土场表面压实区的存在使雨水直接导入边坡体内部。笔者针对降雨作用对排土场边坡的影响进行了数值模拟，并根据实际工程背景提出了治理措施以及具体的参数优化。
1 工程概况
以山西煤炭进出口集团河曲露天煤矿内排土场为工程背景，研究区段为选煤厂东侧内排土场边坡，由于选煤厂需要与边坡留有足够的安全距离，所以选煤厂一侧的内排土场边坡作为永久边坡，其稳定性关乎选煤厂的安全，排土场位置如图1所示。
排土场排弃物料主要成分为黄土、泥岩、粉砂质泥岩与砂质泥岩等，设计排弃高度101 m，边坡角度21°。基底主要为泥质岩类，局部有黏土岩类，基底整体强度较高，但在基底上方有前期开采排放的一层碎石与砂质土，整体强度不高。
图1 排土场位置
Fig.1 Dump site location
2 边坡稳定性分析方法
2.1 分析方法的确定
根据文献[11]对排土场边坡的稳定性分析方法的分类，将常用的边坡稳定性评价方法分为了定性分析法与定量分析法2大类；其中定性分析法包括地表裂缝检查、工程地质类比法、专家法、范例法等，这一类方法通常根据现场工程的实际，通过现场调研、图解评议的方法对排土场稳定性进行确定与分析的方法；而定量分析法包括极限平衡法、塑性极限分析法、数值分析法等确定性方法与灰色系统评价法、人工神经网络分析法、遗传进化算法等不确定性分析法，这一类方法利用边坡体力学参数与计算机算法得到边坡的稳定性相关系数或滑移面来达到预测分析的目的。
根据工程现场的实际条件，该排土场边坡的稳定性分析方法采用极限平衡计算软件Geo-slope，对现状排土场边坡和终了排弃边坡进行自然工况与暴雨工况下的安全系数等相关指数的分析预测。极限平衡法首先确定边坡的潜在滑移面与滑坡体，并将滑坡体整体视为不可变形的刚体进行剪应力与抗剪强度的分析计算得到安全系数[12-13]。
2.2 边坡计算模型
根据研究区域排弃现状最新验收图纸与排土场到界停排设计图纸，建立计算模型前首先采用三维矿山建模软件3DMine建立了排土场现状边坡模型与终了排弃边坡模型如图2所示，在边坡体上选取4条剖面线，并利用自动剖面功能得到1—1′、2—2′、3—3′与4—4′的典型剖面图，在AutoCAD软件中整理各典型剖面，将各剖面在软件中生成闭合面域以导入极限平衡计算软件进行稳定性计算[14]。以3—3′剖面为例(图2)，进行具体阐述。
图2 3—3′典型剖面
Fig.2 Typical Profile 3—3′
2.3 边坡体力学参数的选择
计算过程中使用的基底岩土体力学参数，可依河曲露天矿早期开展的《山煤集团河曲旧县露天煤业有限公司西端帮靠帮开采边坡稳定性研究》中岩土体基本力学特性试验数据，并给出了自然与饱水状态下的力学参数，本次计算中直接采用研究报告中提供的力学参数，排弃物料力学参数通过室内土力学试验获得，结果见表1。
表1 岩土体力学参数
Table 1 Rock and soil mechanics parameters
岩石类型容重/(kN·m-3)自然状态饱水状态黏聚力/kPa内摩擦角/(°)黏聚力/kPa内摩擦角/(°)排弃物料20.12023.012.013.8碎石+土20.33526.021.015.6泥岩23.18536.551.021.9黄土18.92226.013.215.6煤13.84527.027.016.2
2.4 现状排土场潜在滑移面分析
根据该露天矿边坡的实际情况，并作适当简化建立模型，以该散体边坡模型为研究对象，系统开展潜在滑移面的相关研究。依据现场实际情况设定数值模型尺寸，即边坡高度为99.3 m、边坡底部基岩高度为51.8 m，坡顶面宽度为64.5 m、坡底面宽度为362 m，边界条件设定为平面应变模型,数值模型边坡角设定为21°，数值模型共涉及3个地层，煤岩层倾角较小，可近似视为水平,FLAC3D中建立的排土场边坡模型如图3所示。
图3 排土场边坡模型
Fig.3 Slope model
通过所建立的数值模型，利用强度折减法对边坡稳定性进行模拟，得到边坡在自重应力下变形和位移分布情况，如图4所示，并对潜在滑移面进行识别。位移等值线界线明显，位移为0.04 m的等值线将边坡划分为2个区域，即滑动区和稳定区。在该等值线附近线度密集、变化较大、位移较小，在边坡临空面处等值线稀疏、变化较小、位移较大，可认为是滑动区；位移为0.04 m等值线的边坡内部位移值几近相同、位移很小、无法形成等值线，可认为是稳定区，因此位移为0.04 m的等值线即为潜在的滑移面。
图4 X方向位移等值线
Fig.4 Contours of X displacement
根据边坡内位移等值线分布图，利用FISH语言提取边坡潜在滑移面单元的位置信息，用以求解潜在滑移面曲线方程。针对上述潜在滑移面形态，对其提出2种较为合理的拟合模型假设：
1)指数模型。模型曲线为
z=a1eb1x+c1
(1)
式中：a1、b1、c1为与边坡剪切面相关的待定参数。
2)二次多项式模型。模型曲线为
z=a2x2+b2x+c2
(2)
式中：a2、b2、c2为与边坡剪切面相关的待定参数。
根据模拟结果，可以得到一组边坡剪应变增量带单元坐标(x，z)见表2，单位为m，其他类同。为拟合模型曲线的简洁以及排除边坡模型坐标原点选取的影响，拟合曲线均以坡面与坡底面交点(73，50)为原点，则相对坐标记为(x′，z′)，结果见表2。
表2 剪应变增量带单元坐标
Table 2 Coordinates of units in ssi belt
点号xzx'z'192.0250.3019.020.302111.0950.3838.090.383130.1357.5957.137.594148.0857.6775.087.675136.7771.8563.7721.856199.6665.01126.6615.017231.0472.26158.0422.268260.1979.50187.1929.509287.1086.73214.1036.7310299.4293.89226.4243.8911334.16108.26261.1658.2612344.28108.30271.2858.3013354.35115.45281.3565.4514364.43122.60291.4372.6015374.51129.75301.5179.7516381.11144.04308.1194.0417390.14144.05317.1494.0518397.94151.21324.94101.21
根据抽取点坐标，拟合计算结果见表3。
表3 潜在滑移面拟合参数
Table 3 Fitting parameters of potential slip surface
模型abcR2指数1.47550.014000.7550二次多项式0.00120.11089.01910.9742
可得拟合曲线分别为
z=1.475 5e0.014x
(3)
z=0.001 2x2+0.110 8x+9.019 1
(4)
由
可知，第2种模型更加精确可靠，因此潜在滑移面曲线可以用二次多项式(4)来代替。
2.5 边坡稳定性分析
利用极限平衡计算软件Geo-slope对现状边坡与终了排弃边坡进行稳定性分析计算，以3-3′剖面为例，分别计算现状边坡与终了排弃边坡在自然状态与暴雨饱水状态两种工况条件下的边坡稳定性程度，由于暴雨工况时直至坡体饱水，故不再设计降雨强度与渗流过程，3-3′剖面现状边坡稳定性计算结果如图5所示。
图5 现状边坡3-3′剖面稳定性计算结果
Fig.5 Calculation results of stability of Section 3-3′ of current slope
由图5可知，排土场3-3′剖面在自然工况下安全系数为1.713，滑体范围从坡脚至第2台阶平台前端，由坡脚处剪出，基底基本稳定；而在暴雨工况下安全系数Fs=1.212，与上一工况状态相比降低29.2%，滑体范围扩大为由坡脚前端至第2台阶平台中部，同时，由于泥岩层上方的碎石与土层在降雨条件下强度降低演化为弱层，成为暴雨工况下的剪出口。暴雨工况时安全系数的大幅度降低说明水对该排土场边坡稳定性具有重大危害，雨水入渗使得边坡土层的体积含水率与孔隙水压力逐渐变大[15]，土体强度参数弱化，抗剪强度减弱，边坡安全系数与可靠度指标也随之降低，边坡失稳概率增加。
按以上步骤分别计算各典型剖面在自然状态、暴雨饱水状态2种工况条件下现状边坡的稳定性系数，各剖面稳定性评价结果见表4。
表4 现状边坡稳定性计算结果
Table 4 Calculation results of current slope stability
剖面工况安全系数评价结果降低率/%1-1自然工况1.174基本稳定暴雨工况1.095非稳定6.72-2自然工况1.571稳定暴雨工况1.154基本稳定26.53-3自然工况1.713稳定暴雨工况1.212稳定29.24-4自然工况1.434稳定暴雨工况1.023非稳定28.7
由于水的渗入弱化了边坡力学参数，尤其是抗剪强度，使得各剖面的失稳概率增大，安全系数降低幅度在6.7%～29.2% ，其中1-1′剖面安全系数降低最小，但2次工况前后安全系数均约为1.1，可知其本身稳定性并不高；而其余3个剖面安全系数降低均在20%以上，由稳定状态转为非稳定的几率极大，3-3′剖面终了排弃边坡稳定性计算结果如图6所示。
图6 排弃边坡3-3′剖面稳定性计算结果
Fig.6 Calculation results of designing Section 3-3′ stability for abandoned slope
与现状边坡的稳定性计算结果相比，自然工况下的滑体范围并未显著变化，而暴雨工况下安全系数由1.624降低为1.125，变化幅度高达30.7%，剪出口位置变化不大，滑体范围从坡脚前方至第3台阶平台中部，并且滑面区域最下方已经扩大至碎石与土层下方的泥岩层。由于第4台阶持续排弃物料使边坡体上方的重力增加，从而导致坡脚处剪应力增大[16]，而降雨使边坡体抗剪强度急剧降低，以致滑面范围扩大。终了排弃边坡其余各典型剖面在暴雨饱水工况前后的稳定性评价结果见表5。
表5 终了排弃边坡稳定性计算结果
Table 5 Designing rejection slope stability calculation results
剖面工况安全系数评价结果降低率/%1-1'自然工况1.455稳定暴雨工况1.044非稳定28.22-2'自然工况1.505稳定暴雨工况1.061非稳定29.53-3'自然工况1.624稳定暴雨工况1.125基本稳定30.74-4'自然工况1.447稳定暴雨工况0.997非稳定32.5
由表5可知，终了排弃边坡4个典型剖面在暴雨工况下安全系数急剧降低了30%左右，稳定性劣化严重。所以，制定针对性的维稳措施至关重要。
3 内排压坡脚措施
为确定河曲露天矿合理的内排土场压脚高度与宽度，首先研究不同压脚高度、宽度情况对排土场边坡稳定性的影响[17]。适当简化计算模型以便于分析不同压脚工艺对排土场边坡稳定性的影响，压脚物料采用碾压工艺逐层压实。
3.1 压脚高度对边坡稳定性影响
研究压脚高度对排土场边坡稳定性影响时固定压脚宽度，设定压脚宽度为80 m，压脚物料角度设定为34°，分别建立压脚高度为5～30 m模型，不同压脚高度情况下边坡稳定性计算结果如图7所示。
图7 不同压脚高度情况下边坡稳定性计算结果
Fig.7 Calculation results of slope stability under different heights of pressing toe of slope
由图7可知，压脚高度较低时(<25 m)排土场滑移面通过弱层由压脚物料坡顶面剪出，压脚物料对边坡稳定性防护所起作用不大。当压脚物料的高度较大时(>25 m)排土场滑移面不再经过弱层而由压脚物料的坡顶面直接剪出，压脚改变了弱层对排土场边坡稳定性的控制作用，保证了边坡的安全。压脚高度与边坡稳定性安全系数关系如图8所示。
图8 压脚高度与边坡安全系数关系
Fig.8 Relationship between height of pressing toe of slope and safety factors of slope
由图8可知，边坡安全系数随着压脚高度的增加而增加。压脚高度等效于降低排土场边坡的高度，从而减小边坡的下滑力，提高边坡的稳定性。当压脚高度小于25 m时，排土场边坡下滑力能够克服压脚物料的压力作用，滑面经过弱层由压脚物料切出，随着压脚物料的增高，滑移面切出逐渐困难，边坡安全系数逐渐增大。当压脚高度大于25 m时，边坡下滑力难以克服压脚物料的压力作用，滑移面不再经过弱层而由压脚物料上部切出，此时边坡稳定性主要取决于排弃物料的力学性质。
3.2 压脚宽度对边坡稳定性影响
研究压脚宽度对排土场边坡稳定性影响时固定压脚高度，设定压脚高度为20 m，压脚物料角度设定为34°，分别建立压脚宽度为2～10 m模型，不同压脚宽度情况下边坡稳定性计算结果如图9所示。
由图9可知，不同压脚宽度情况下边坡滑面均经过基底弱层，但滑面切口位置不同。当压脚宽度小于8 m时，压脚物料对边坡稳定性影响不大，边坡滑移面经过弱层由压脚物料坡底切出，边坡体带动压脚物料一起滑动。当压脚宽度大于8 m时，边坡下滑力不足以带动压脚物料一起滑动，滑移面经过弱层由压脚物料坡顶面切出。压脚宽度与边坡安全系数关系如图10所示。
由图10可知，当压脚宽度小于8 m时，随着压脚宽度的增加安全系数逐渐增大，压脚宽度的改变对边坡稳定性有一定的影响；当压脚宽度大于8 m时，随着压脚宽度的增加边坡安全系数保持不变，压脚宽度的改变对边坡稳定性无影响。
综上所述，内排压脚高度相当于减少治理边坡的高度，在保证内排压脚物料边坡稳定的前提下(压脚宽度足够)，内排压脚高度越大边坡整体稳定性越好。内排压脚宽度仅在一定范围内对治理边坡稳定性产生影响，超过一定范围后对治理边坡的稳定性提高不再起作用，即“多压无益”[18]。
图9 不同压脚宽度边坡稳定性计算结果
Fig.9 Calculation results of slope stability of different widths of pressing toes of slope
图10 压脚宽度与边坡安全系数关系
Fig.10 Relationship between width of pressing toe of slope and safety factors of slope
3.3 河曲露天矿压坡脚措施
河曲露天矿选煤厂东侧为内排土场形成的高陡边坡，内排土场下部为早期排弃的碎石、土等剥离物料，受雨水浸泡后易形成弱层，承载力降低，可能导致上部排土场失稳滑塌[19]。考虑到研究区域内排土场边坡为永久边坡且边坡附近存在重要建筑物，建议露天矿对该区域采取压脚措施，保证露天矿的长久稳定性。
为确定研究区域合理的压脚高度与压脚宽度，以3-3剖面为例分别计算20 m×20 m，20 m×24 m，30 m×20 m，30 m×24 m，40 m×20 m，40 m×24 m六种情况下边坡稳定性，选取最合理的压脚宽度与高度。不同压脚情况下边坡稳定性计算结果如图11所示。
图11 不同压脚情况下边坡稳定性计算结果
Fig.11 Calculation results of slope stability under different pressing toes of slope
由图11可知，随着压脚物料体积的增加，边坡稳定性逐渐增加,压脚对提高边坡稳定性具有较好的效果。不同压脚体积作用下，边坡安全系数均在1.1以上，边坡处于基本稳定状态。当压脚宽度为30 m时边坡安全系数大于1.20，但边坡最危险滑移面仍然贯穿整个坡面，由压脚物料坡底切出。当压脚宽度为40 m时边坡最危险滑面为单台阶失稳滑塌，不再贯穿整个坡面，且单台阶安全系数在1.1以上，该压脚条件下能够更好的保证边坡的稳定性。因此，建议采取宽度40 m、高度20 m的压脚方式，对研究区域边坡稳定性加固。压脚后效果如图12所示。
图12 压脚后效果
Fig.12 Post-pressing effect diagram
4 结论
1)排土场现状边坡在自然工况下能保持稳定或基本稳定状态，满足《露天煤矿工程设计规范》的要求；在暴雨工况后力学参数弱化，安全系数突变大，滑体范围扩大，稳定性状态下降一个等级。
2)排土场终了排弃边坡在自然工况下安全系数均在1.4以上，处于稳定状态；暴雨工况下安全系数降低了30%左右，使边坡体稳定性状态转为非稳定状态，失稳危险性极大；在暴雨工况后滑体范围方面，终了排弃边坡滑体范围比现状边坡扩大了40%左右。
3)自然工况下滑体从坡脚剪出，暴雨工况下滑面范围扩大至基底弱层，滑体从坡脚前方基底剪出。
4)当压脚高度达到25 m以上时，滑体不再经基底弱层剪出；在压脚宽度达到8 m后，继续增加压脚宽度并不会使安全系数发生明显的增加；对于河曲露天煤矿内排土场，采取宽度40 m、高度20 m的压脚方式能保证边坡的稳定性。
[1] 张 超,杨春和.粗粒料强度准则与排土场稳定性研究[J].岩土力学,2014,35(3):641-646.
ZHANG Chao,YANG Chunhe.Investigation on strength criterion of coarse grained material and stability analysis of waste dump[J].Rock and Soil Mechanics,2014,35(3):641-646.
[2] 陈 冲.软弱基底排土场边坡破坏模式与稳定性分析[D].北京：中国矿业大学(北京),2018.
[3] 王晓峰.降雨入渗对非饱和土边坡稳定性影响的研究[D].西安：西安建筑科技大学,2003.
[4] KASMER O,ULUSAY R,GOKCEOGLU C.Spoil pile instabilities with reference to a strip coal mine in Turkey:mechanisms and assessment of deformations[J].Environmental Geology,2006,49(4):570-585.
[5] 郑开欢,罗周全,罗成彦,等.持续暴雨作用下排土场层状碎石土边坡稳定性[J].工程科学学报,2016,38(9):1204-1211.
ZHENG Kaihuan,LUO Zhouquan,LUO Chengyan,et al.Layered gravel soil slope stability of a waste dump considering long-term hard rain[J].Chinese Journal of Engineering,2016,38(9):1204-1211.
[6] 韩万东,陈 冉.降雨作用下排土场边坡应力变化及稳定性研究[J].煤矿安全,2018,49(8):262-265.
HAN Wandong,CHEN Ran.Study on stress change and stability of dump slope under rainfall[J].Safety in Coal Mines,2018,49(8):262-265.
[7] 罗阳华,简文彬,蔡泽宏,等.某排土场边坡堆置全过程渗流稳定时变分析[J].有色金属：矿山部分,2015,67(6):99-103.
LUO Yanghua,JIAN Wanbin,CAI Zehong,et al.Time-varying analysis on seepage and stability in the stacking process of a waste-dump slope[J].Nonferrous metals：Mining Section,2015,67(6):99-103.
[8] 李 超,马淑芝,贾洪彪,等.降雨入渗条件下粗粒排土场稳定性分析[J].金属矿山,2015(9):147-151.
LI Chao,MA Shuzhi,JIA Hongbiao,et al.Stability analysis of coarse grain of dumping under the condition of rainfall[J].Metal Mine,2015(9):147-151.
[9] 张亚宾,陈 超,甘德清.降雨对排土场边坡渗流及稳定性的影响[J].金属矿山,2016(5):173-177.
ZHANG Yabin,CHEN Chao,GAN Deqing.Influence of rainfall on permeability and stability of the dump slope[J].Metal Mine,2016(5):173-177.
[10] 刘福明,才庆祥,周 伟,等.露天矿排土场边坡降水入渗规律试验研究[J].煤炭学报,2015,40(7):1534-1540.
LIU Fuming,CAI Qingxiang,ZHOU Wei,et al.Experimental study on the rainfall infiltration rule in the dump slope ofsurface mines[J].Journal of China Coal Society,2015,40(7):1534-1540.
[11] 谢振华.露天矿山边坡和排土场灾害预警及控制技术[M].北京：冶金工业出版社,2015.
[12] 沈银斌,朱大勇,汪鹏程,等.基于数值应力场的边坡临界滑动场[J].岩土力学,2010,31(S1):419-423.
SHEN Yinbin,ZHU Dayong,WANG Pengcheng,et al.Critical slip field of slopes based on numerical stress field[J].Rock andSoil Mechanics,2010,31(S1):419-423.
[13] 戴玉买.本钢石灰石矿区排土场稳定问题数值分析研究[D].沈阳：东北大学,2006.
[14] 赵维霞.埕岛海区地质灾害及基于GEO-SLOPE的滑坡定量分析[D].青岛：中国海洋大学,2005.
[15] 黄刚海.强降雨入渗下复杂地形排土场稳定性分析[J].岩土工程学报,2013,35(S2):292-295.
HUANG Ganghai.Stability analysis of waste dump with complex terrain under heavy rainfall infiltration[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2013,35(S2):292-295.
[16] 张院生,高永涛,吴顺川,等.排土场工后沉降及蠕变规律[J].工程科学学报,2016,38(6):745-753.
ZHANG Yuansheng,GAO Yongtao,WU Shunchuan,et al.Post-construction settlement and creep law of waste dumps[J].Chinese Journal of Engineering,2016,38(6):745-753.
[17] 李 伟.露天煤矿排土场边坡稳定性分析与治理技术[J].煤炭科学技术,2014,42(10):37-40，5.
LI Wei.Treatment technology and stability analysis of dump slope in open mine[J].Coal Science and Technology,2014,42(10):37-40，5.
[18] 王家臣,孙书伟.露天矿边坡工程[M].北京：科学出版社,2016.
[19] 侯殿坤,张建如,魏 来,等.魏家峁排洪渠与排土场设计及位置关系研究[J].煤炭技术,2016,35(2):208-210.
HOU Diankun,ZHANG Jianru,WEI Lai,et al.Design between flood discharge channe and bewaarplaatsen and position relation research of Weijiamao[J].Coal Technology,2016,35(2):208-210.
