马 增， 刘正宇，虎万杰，王飞飞，邹 平，李爱兵，孟中华

(长沙矿山研究院有限责任公司，长沙 410012)

排土场主要接受矿区废石及剥离的土体，由于结构松散，强度相对于本体岩石来说有一定程度的降低。排土场下部的软弱夹层不仅会影响堆置高度，而且严重影响排土场的整体稳定性[1]。降雨是排土场边坡发生滑塌的主要诱导因素之一[2-4]。张亚宾等[3]以唐山某排土场为例研究了降雨对排土场稳定性的研究。张春等[4]以马钢南山铁矿排土场为例计算了下部软弱加层堆土场边坡的稳定性影响。就目前国内的主要研究来看，大多数研究人员只针对一个方面进行了十分深入的研究，但软弱夹层厚度与降雨量共同作用于排土场边坡，影响其稳定性，同时大多数研究对软弱夹层的厚度、降雨量的研究都是单值，没有将其作为变量来进行研究，所以对两种因素耦合研究是十分有必要的。

本次研究以刚果(金)柯木亚铜钴矿1#排土场为实际工程案例，针对排土场的废石、第四系土(软弱层)及下部基岩进行参数选取，综合考虑软弱夹层与降雨量对排土场边坡的影响，通过极限平衡方法得到在不同厚度下、不同降雨量下排土场边坡的最小安全系数。

1 排土场概况

1#排土场位于柯木亚铜钴矿南采场与东采场之间，主要接受南采场的全部排废及东采场的部分地表剥离土体，下部为第四系土及下部基岩。其中，第四系土的厚度在空间上变化。

矿区属热带草原气候，分为旱季、雨季两个季节，11月份到翌年3月份为雨季，大雨及暴雨经常发生。根据柯木亚矿区气象站观测降雨量资料，日最大降雨量117 mm。

排土场占地80万m2，堆置标高1 416～1 555 m，最高堆高139 m，采用自卸汽车运输方式分层堆置，可形成总库容54万m3，最终形成1 465 m、1 495 m、1 525 m、1 555 m四个台阶。单台阶高度30 m，安全平台宽16 m，台阶坡角为自然安息角35°，整体边坡角≤28°。

2 排土场模型建立

2.1 模型参数及说明

本次分析采用Geostudio-SLOPE/W和SEEP/W分析模块对排土场边坡进行分析。根据钻探数据绘制矿山排土场剖面模型，排土场整体分为3层岩体，下部的第四系为研究的软弱层，在SLOPE/W中对各种岩体进行相应的赋值，如表1，完成边坡模型的建立。

表1 排土场土体材料的物理力学参数Table 1 Physical and mechanics parameters of waste dump rocks

在SEEP/W分析中，模拟渗流场主要应用土水特征曲线及渗透系数函数，SEEP/W软件内部带有Fredlund-xing公式估算理论的体积含水率对基质吸力的函数，根据饱和渗透系数及饱和含水率估计渗透系数函数，从而计算渗流场。

第四系土层多分布在地势低洼的沟谷地带、坡麓及平缓的山坡等处，厚度在6～12 m。分析以6、8、10、12 m为基础。

降雨量是根据本杰明公司对近10年的降雨量观测数据，通过皮尔逊三型曲线进行计算得到的20年一遇、50年一遇、100年一遇的日降雨量，见表2。

表2 不同频率的一日最大降雨量Table 2 The maximum daily rainfall at different frequencies

2.2 边界条件

在Geostudio-SLOPE/W中的主要边界为选择滑出及滑入的范围，应当注意计算边坡的整体安全性，应当适当绘制滑入和滑出的范围。

SEEP/W中则需要设置模型的水力边界，将模型分为上下左右四个边界。上部边界主要为降雨边界，设置为单位流量，雨量主要见表2中降雨的数据，本次研究以柯木亚矿区的当地实际情况，降雨设置为6 h。左边界及右边界在水位以下设置常水头边界。下部边界为模型基底，实际下部是无限延伸的，需将底部边界设置为渗流边界。

2.3 安全系数选取

安全系数是判定边坡是否安全的参考基准，计算的安全系数大于许用的安全系数则边坡是安全的，否则边坡是不稳定的[5]。安全系数的选取主要根据《有色金属矿山排土场设计规范》[6]中规定及矿区的水文地质实际情况选取，综合考虑对1#排土场边坡安全系数选取为1.10。

3 数值计算及分析结果

SLOPE/W提供多种计算方法，但由于排土场为松散的堆体，根据相关的研究可以知道排土场出现滑坡多为圆弧形滑动，所以采用Bishop方法进行计算[7-8]。

3.1 SLOPE/W中滑动面分析

在Geostudio-SLOPE/W模块中，由于软件自身的原因，不能够在全部范围内自动搜索最小安全系数的滑面，所以在分析边坡滑动时需要人为确定滑面可能出现的地方，排土场边坡最小安全系数最可能出现在边坡脚部。但在不同的情况下，滑动面的范围也不同，降雨量增大时在剖面上容易出现大面积的滑块，边坡的整体安全系数大于局部的安全系数。

3.2 SEEP/W中渗流分析

对于渗流分析主要有渗流场及渗流结果分析。通过SEEP/W中瞬态分析，以初始水位为条件计算得到降雨过程的渗流情况。

在SEEP/W中降雨为直接入渗，没有形成坡面径流。在降雨开始时，由于上部土体非饱和，降雨会首先补充土体缺失水量，增大孔隙压力，等势线下移[9]。随着降雨的不断进行，水位逐渐升高，在一些情况下，由于第四系土相对于上部的排土为相对隔水层，会在边坡脚形成积水。

3.3 计算结果

首先把各种情况进行分类，降雨情况下按照表2中给出的雨量由大到小分为1、2、3三种情况，软弱夹层厚度按照2.1中提到的分析厚度，6、8、10、12 m以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种情况代表。各种情况下的计算结果汇总于表3。

从表中分析数据可以看出，随着降雨量增加安全系数逐渐减小，由稳定向基本稳定演变。降雨是一次使土体由非饱和到饱和的过程，降雨会降低土体的基质吸力，从而使土体的黏聚力及抗剪强度降低，同时增大了土体的下滑力，降低了边坡的安全系数。随着软弱加层厚度的增加，安全系数降低较快，软弱夹层在滑动带底部相对于坚硬的基岩削弱了抗滑力，而厚度则影响了底部滑面穿过软弱层的位置，滑面穿过软弱加层越深，安全系数自然越小[10]。

表3 安全系数计算结果Table 3 Calculation results of safety factors

图1 降雨量111.85 mm/d时安全系数分析图Fig.1 Safety factor analysis chart for rainfall of 111.85 mm/d

4 结论

随着降雨量不断增大，排土场土体基质吸力降低，抗剪强度降低，下滑力增大，使得安全系数降低，应当及时做好排水设施的建设。

软弱夹层会降低边坡滑体的抗滑力，降低安全系数，软弱夹层的厚度影响滑动面半径及位置，降低安全系数，应当在台阶形成前对软弱层进行剥离。降雨与软弱层的厚度共同影响边坡的稳定性，但就安全系数的增减情况来说，软弱夹层厚度对边坡的稳定影响较大，即随着夹层厚度增加，安全系数降低较快。