孙世国，邓王倩，韦寒波，方晓楠，管 涛，肖 剑

（1.北方工业大学土木工程学院，北京 100144；2.中冶交通建设集团有限公司，北京 100011）

边坡易受周围环境影响，具有不确定性及多变性，故边坡稳定性分析是矿山地质的热点研究方向，也是难点问题所在[1]。在分析排土场稳定性时，学者们常采用边坡安全系数作为边坡稳定性的评判标准[2]。目前国内外常见的边坡稳定性分析方法有瑞典条分法、毕肖普（Bishop）法和简布（Janbu）法等，但根据研究对象的不同，这3 种常见的方法局限性也逐渐彰显出来，为较好的得到边坡安全系数，选用了临界滑动场法进行了边坡稳定性分析[3]。

排土场作为露天矿的主要配套设施在整个矿山中起着重要作用，其面积可占矿山总面积的30%～50%[4]。龙桥排土场为小龙潭布沼坝露天采矿场排弃物所堆积的场地，为人工堆排的高边坡排土场，排土场内地质条件复杂，时常伴有小型土坡滑坡、坡面侵蚀、地面沉降等。因稀湿废石土含水量大，物理力学参数低，前缘仅能保持在3°～5°的自然坡脚，不易堆积成型，极有可能发生滑坡，一旦滑坡，危害程度大，会造成大量的人力和财力损失，而且对经济建设社会产生了严重的阻碍。为此，对稀湿废石土高边坡进行了边坡优化处理，并分析了优化后边坡稳定性问题，确保排土场可正常生产运行，同时保证排土场与周边环境的安全。

1 稀湿废石土堆排的安全问题及其控制技术

1.1 工程概况

研究的稀湿废石土堆积边坡地处龙桥排土场，其地理位置位于我国云南省开远市西南盆地侧斜坡地带，与小龙潭布沼坝采矿场距离1 km 左右，属低山中宽谷长边边坡地貌。现斜坡1 375 m 水平高程以上为自然堆积斜坡，1 375 m 水平高程以下为排弃物料堆积斜坡。龙桥排土场基底土层土质呈片状不整合接触，厚度约0.5～3.5 m。

残坡积层，颜色大多呈褐红，褐黄色，土质为高塑性黏土，其中中高压缩性土塑性状态不同，特点为失水易收缩、饱和度高、膨胀性高。基底主要包括白云质灰岩及蠕虫状灰岩，基底中某些地段粉砂岩、泥质砂岩互相叠加出现。灰岩层状中厚，颜色大多呈灰、深灰色，抗压强度大，韧性低，中等弱风化，溶（裂）隙发育，浅部有高强度的层状破碎结构。

根据排土场边坡工程施工地质情况，选取3 个剖面进行边坡稳定性研究分析。选取的典型2-2′剖面示意图如图1。

图1 2-2′剖面示意图Fig.1 Profile of 2-2’

1.2 稀湿废石土的堆排控制技术

龙桥排土场排弃物料中黏土质物料占比大，且含水率高称为稀湿废石土，因此剥离表土在运输过程中形成能流动的黏稠物料。由于稀湿废石土形成主要是因为采场剥离表土的含水率大，且剥离物粒径较小，亲水性强；排弃物经过挖掘、转载及带式输送机运输，对排弃物料形成撞击和振动，从而使得排弃物料液化，产生稀湿废石土。此外振动强度越大，振动时间越长，饱水砂土越易液化。在排弃过程中会由高处向低处流淌，前缘呈3°～5°的缓坡，不能堆积成形，故表面不能承重，从而影响排土场建设及稳定性，或威胁下部场地、设备、建筑物的安全。

稀湿废石土因自身强度很低，无法自行堆积于边坡，故需进行边坡支档。稀湿废石土的含水量大，在支护过程中既要保证排水又要保证安全是主要施工目标。针对以上特点，选取了成本低、易于施工、易于排水的钢筋石笼挡墙及加筋土-锚定板复合挡墙作为边坡支护的方法。

1）钢筋石笼挡墙。钢筋石笼是采用耐腐蚀、高强度钢筋所制作成长方体形状的钢筋笼，然后在其内部装满小石子即构成钢筋石笼，再将各石笼一排一排堆积在边坡表面处[5]。在具体设计和施工中，有时根据实际情况会在挡墙底部浇筑混凝土支座，可用来增强挡墙的抗剪和抗倾覆能力。利用钢筋石笼挡墙来进行排土场边坡压脚，起到保护坡脚的作用。钢筋石笼挡墙结构及加固原理示意图如图2。

图2 钢筋石笼挡墙结构及加固原理示意图Fig.2 Structure of stone-gabion retaining wall and reinforcement principle

2）加筋土-锚定板复合挡墙。排土场排弃物料中黏土质物料占比大，如遇大规模降水，极易发生坍塌，从而形成泥石流，若事先在这部分土中埋入具有韧性的筋带材料形成加筋土，则当排弃物粘聚力较低时要滑动时，废弃物与筋带材料产生摩擦，阻止泥石流的发生。在拉筋末端连接锚定板，当锚定板向前产生位移时，锚定板会对其前方的排弃物产生压力，但锚定板前方的土由于受压会产生抵抗力，从而使得锚定板处于稳定状态，更加提高了边坡的稳定性。加筋土-锚定板复合挡墙结构及加固原理示意图如图3。

图3 加筋土-锚定板复合挡墙结构及加固原理示意图Fig.3 Composite structure of reinforced anchor slab retaining wall and reinforcement principle

根据地质勘察资料显示，稀湿废石土各力学参数为：黏聚力22 kPa，内摩擦角16°，密度1.94 t/m3。

主要分析钢筋石笼加固对边坡稳定性的影响。因钢筋石笼的存在，可使稀湿废石土稳定的堆积在边坡上，排弃物中的水会顺着石缝向下流动，不会应塑性太大，而产生排弃物料的滑坡。在运用临界滑动场法对排弃物稀湿废石土边坡进行稳定性分析时，可将稀湿废石土与钢筋石笼看做一个整体来进行分析，故可适当增加稀湿废石土各力学参数，边坡物理力学参数见表1。

表1 边坡物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of slope

1.3 钢筋石笼挡墙设计及挡土墙稳定性验算

每个钢筋石笼的尺寸为2 m×1.0 m×1.0 m（长×宽×高），由直径为12 mm 的钢筋焊接编制而成，钢筋石笼分层错缝摆放，堆积高度为7～13 m，同层石笼连接，上、下层石笼钢筋均采用焊接方式连接，钢筋部位进行防锈及防腐蚀处理。钢筋石笼的基底支座用混凝土浇筑而成（C30），高度为300 mm。最底层的钢筋石笼的两侧钢筋制成弯钩状，埋置与底座混凝土中，以增强底座与钢筋石笼间整体的稳定性。

挡土墙抗倾覆稳定性用抗倾覆安全系数Kt来验算（基底与水平面夹角为0°）：

式中：∑MV为抗倾覆力矩；∑MH为倾覆力矩；G为挡土墙每延米自重力，kN/m；x0为挡土墙重心离墙趾的水平距离，m；Eaz为主动土压力在竖直方向的分量，kN/m；Eax为主动土压力在水平方向的分量，kN/m；zf为土压力作用点与墙趾的高差，m；xf为土压力作用点与墙趾的水平距离，m。

根据库伦土压力理论主动土压力Ea为：

式中：ψc为主动力土压力系数；Ka为主动土压力系数；h 为挡土墙高度，m；ρ 为排弃物密度，t/m3。

在库伦土压力中α 为挡土墙的倾斜角度，β 为填土的倾斜角度，坡高选取5 m 进行验算。α＝75°，β＝0°，故根据《建筑地基基础设计规范》可查得Ka＝0.3，代入式（2）得Ea=77.96 kN/m，代入式（1）得Kt=2.09＞1.6，满足要求。

2 边坡临界滑动场法技术原理

2.1 边坡稳定性评价方法的比较

在分析边坡稳定性时常用的极限平衡方法有瑞典条分法、毕肖普（Bishop）法和简布（Janbu）法等[6]。在运用瑞典条分法进行边坡稳定性计算时需假设边坡滑动面是一圆弧面，不考虑刚体平动的2 个静力平衡条件，通过计算得到安全系数，但由于此法做了不合理假设使得得到的安全系数值不准确；毕肖普法进行边坡稳定性计算时虽考虑了所划分条块间的相互作用力，根据此相互作用力建立了力矩平衡方程，但其仅适用于滑动面是圆弧面的边坡，而且此方法计算琐碎，故不适用于实际工程[7]；简布法进行边坡稳定性计算时虽可适用于任意边坡形状滑面，但此研究方法算得的结果存在着数学上严重不收敛问题，特别是当条块划分过密时不收敛问题更加突出[7]。对比上述所说稳定性计算方法，临界滑动场法可以准确快速地追踪出任意边坡形状的滑动面，且使用这种方法没有任何数学限制及安全系数收敛问题[8]，故选取此法来分析边坡的稳定性问题。

2.2 边坡临界滑动场法基本理论

CSF（Critical Slip Field）理论，即临界滑动场理论[9-10]是一种将极限平衡条分法和最优性理论结合起来所形成的新式边坡稳定性计算方法。

在设定的任意一边坡安全系数下[11]，若计算得边坡出口段极大剩余推力p 均为正数，下次在设定安全系数时应小于前次所设定的安全系数；反之下次在设定安全系数时应大于前次所设定的安全系数，无限逼近去求得边坡的实际安全系数。若是在某一安全系数下，同时满足一出口段的极大剩余推力为0 和其他极大剩余推力为负值，那么此时极大剩余推力就为最大剩余推力，最大剩余推力为0 的面是最危险滑动面，且目前所设定的安全系数就是边坡最小的安全系数，此时危险滑动面所构成的危险滑动场就称之为边坡临界滑动场，即CSF[12]。

综上，其核心思想是：①在设定1 个任意安全系数Fs的条件下，求出各个离散状态点危险滑动面方向，并求得极大剩余推力；②根据上次安全系数所得滑动面结果及极大剩余推力正负有方向性的调整安全系数；③比较极大剩余推力数值，得出最大剩余推力，使得最大剩余推力为0，则得出边坡危险滑动面就是临界状态下的危险滑动方向[13]，进而可得边坡临界滑动场。边坡滑动场图如图4。

图4 边坡滑动场图Fig.4 Slip field of slope

3 稀湿废石土堆排高边坡稳定性评价

3.1 临界滑动面搜索流程

采用基于剩余推力法搜寻稀湿废石土堆排高边坡的临界滑动面搜索流程如下：

1）初设1 个安全系数Fs，计算此安全系数后下的所有滑动面的极大剩余推力pmax，并确定边坡危险滑动方向。

2）比较步骤1）中求得的极大剩余推力，再根据极大推力中的最大剩余推力pmax的危险滑动方向（正负性），改变Fs的大小得另1 个安全系数F′s。

3）根据步骤2）得到的安全系数F′s，重复步骤1）和步骤2），直至最大剩余推力接近0（0～10 N 即可）即可结束。

4）根据上述所求得的最大剩余推力p′max为0 的滑动方向，此时假设的边坡安全系数即为边坡实际的安全系数，其所对应的危险滑动场即为最终的临界滑动场。

3.2 稀湿废石土堆排高边坡稳定性分析

按照临界滑动场的搜寻流程，结合Mathematica软件，通过改变安全系数Fs的取值来进行搜索，最后确定边坡最大剩余推力p′max趋近于0（0～10 N 即可）时所对应的边坡危险滑动面，即为边坡实际临界滑动面。2-2′剖面边坡临界滑动场图（Fs=1.50）如图5。

图5 2-2′剖面边坡临界滑动场图（Fs=1.50）Fig.5 Critical slip field of 2-2′ profile slope（Fs=1.50）

运用Geo-Slope 软件计算1-1′剖面、2-2′剖面、3-3′剖面常规极限平衡法边坡安全系数，各种方法计算安全系数的比较见表2。

表2 各种方法计算安全系数的比较Table 2 Comparison of safety factors with different methods

由边坡临界滑动场法分析所得剖面2-2′的安全系数为1.50，同理可求得1-1′与3-3′的安全系数分别为1.52 和1.63，安全系数大于1，故用钢筋石笼加固后边坡稳定。搜寻结果显示该边坡的临界滑动面为折线，对比常规稳定性评价方法，所得安全系数有所不同，对于龙桥排土场这种复杂地质来说应用边坡临界滑动场法得到的结果更为贴合实际。

4 结 语

以龙桥排土场为实例，分析了稀湿废石土的堆积方法，所得结论如下：①钢筋石笼加固下的稀湿废石土边坡抗倾覆安全系数满足要求；②运用边坡临界滑动理论、GEO-Slope 软件及Mathematica 软件对用钢筋石笼加固后的稀湿废石土边坡进行了临界滑动面搜寻及边坡临界滑动场分析，确定了边坡安全系数与最危险临界滑动面，得出使用钢筋石笼加固法的边坡处于稳定状态。