李长城

（中铁十九局集团有限公司，北京 100176）

排土场是露天矿生产过程中用来堆放剥离物的场址[1]，排土场的不稳定直接干扰露天矿的正常生产，甚至对矿山的人员造成一定的伤亡[2-3]。在露天边坡治理方面，我国学者进行了大量的研究。吴敏强等[4]以牙根水电站边坡为研究对象，通过数值模拟与理论分析对动载荷作用下边坡稳定性进行研究，提出了严格极限平衡法，与传统极限平衡法计算结果误差较小，且可与数值模拟结果相对应。张云鹏等[5]根据相似定律制作了相似模型，研究了地震作用下摩擦块的速度时程曲线，确定了摩擦块在动载荷作用下的安全系数；龙伟文[6]通过分析水库边坡失稳形式与地震对水库边坡的影响，建立了边坡失稳动力分析模型，对控制边坡具有一定的指导作用；王玉凯等[7]系统研究了软弱基底排土场的受力特点与变形特征，对比分析了2 种工况下排土场的的变形破坏特征，表明天然基底排土场的稳定程度远大于饱和基底排土场；韩万东等[8]通过理论分析与数值模拟确定了胜利一号露天煤矿内排土场的稳定系数，证明了极限平衡理论的正确性，对治理危险边坡具有一定的借鉴意义；袁远等[9]采用GEO－Slope 对安太堡矿排土场边坡进行了稳定性研究，分析了边坡破坏规律，并针对性提出了压脚措施，大幅缩减了变形范围，保证了排土场边坡的安全稳定。

以厄瓜多尔米拉多铜矿南排土场二期终了设计为例，从排土场动载荷（地震）、水文条件等几个影响因素，详细论述了二期终了堆排设计的稳定性，并计算了排土场二期终了堆排设计中各剖面在自然工况、降雨工况和地震工况下的安全系数，从而提出针对二期设计的堆排建议及注意事项。

1 工程概况

厄瓜多尔米拉多铜矿地处南美洲厄瓜多尔国东南部，气候及自然条件具有鲜明的特点，年降雨量在2 000 mm 左右，地表植被茂密、沟壑纵横，地表水和地下水丰富。同时该矿区处在环太平洋地震带上，地震等级较高。矿区南排土场位于采区东南部，南排土场总共分为一期、二期和三期排土场，总容量约为9 800 万m3。其中一期排土场设计最终标高1 300 m水平，容积为670 万m3。一期物料多为砂质黏土、砂、强风化料，质地松软、破碎、稳固性差，石料相对较少，因此对一期原设计已经进行优化，目前一期按优化后设计已经在基建剥离期堆排完毕。二期排土场在一期排土场之上继续堆存，标高在1 300～1 500 m 水平之间，容积约为6 030 万m3。目前矿山已经进入采矿期，开始二期堆排，针对南排土场二期终了设计进行稳定性分析。

2 影响排土场稳定性主要因素和稳定性分析方法

1）动载荷。该矿区属于环太平洋地震带，地震基本烈度为Ⅷ度。因此，需考虑动载荷（地震）对矿区南排土场稳定性的影响。露天矿排土场稳定性分析一般要加入爆破振动影响因素，由于露天采场不断扩帮，与排土场距离逐渐缩小，爆破扰动对排土场的影响不可忽视。

2）水文条件。由于气候的特殊性，矿区排土场地表水与地下水发育，因此需考虑水文地质条件对排土场稳定性影响。

3）边坡稳定性分析方法。目前，关于边坡稳定性的计算方法非常繁多，其中简化Bishop 法因其计算简便且精度高便成为最普遍的边坡稳定性计算方法之一，为此本次采用简化Bishop 法计算[10]。

3 排土场等级及允许安全系数

1）南排土场的设计等级。根据GB 50421—2018《有色金属矿山排土场设计标准》，排土场的设计等级应根据使用期内排土容积V、排土场的地形条件、排弃物堆置最终高度H 等因素确定。排土场设计等级划分标准见表1。米拉多铜矿南排土场终了设计标高为1 220～1 500 m 水平，终了堆排高度280 m，容积约9 800 万m3，因此确定等级为一级。

表1 排土场设计等级

2）南排土场安全稳定性标准取值。根据GB 50421—2018《有色金属矿山排土场设计标准》第7.4.2 条，一级排土场边坡稳定系数Ks取值宜取1.25～1.3，排土场稳定性应校核降雨工况与地震工况。最终得出二期终了设计排土场在不同工况下的最小安全系数取值见表2。

表2 排土场最小安全系数许用值

4 稳定性分析及结果

合理的剖面直接关系到边坡稳定性分析的准确性。南排土场二期终了设计边坡稳定性分析共计算了A－A＇、B－B＇、C－C＇、D－D＇、E－E＇ 5 个剖面，所选取的5 个剖面具有一定代表性，能相对全面地反映出矿区南排土场的堆置情况，对矿区排土场的稳定性研究具有一定的可靠性。排土场各剖面平面位置分布图如图1。

图1 排土场各剖面平面位置分布图

对选取的5 个剖面分别计算了自然工况、降雨工况、地震工况下的安全系数，不同工况条件下各剖面稳定性分析结果如图2～图6。将上述结果绘制成折线的不同剖面最小安全系数折线图如图7。

图2 A-A＇剖面稳定性分析结果

图3 B-B＇剖面稳定性分析结果

图4 C-C＇剖面稳定性分析结果

图5 D-D＇剖面稳定性分析结果

图6 E-E＇剖面稳定性分析结果

图7 不同剖面最小安全系数折线图

由图7 可知：二期终了排土场设计中B－B＇、DD＇ 剖面在3 种不同工况下都可以达到最小安全系数许用要求；A－A＇、C－C＇ 剖面在自然工况和降雨工况下可以达到安全系数许用要求，但在地震荷载作用下其最小安全系数小于规范的下限要求，须采取有效的堆排要求或工程措施；E－E＇剖面在不同工况下都不能达到安全系数许用要求，应采取有效措施保证排土场安全，使其稳定性符合要求。当各剖面在各种工况条件下达到最小安全系数时才能进行排土场的运行。

不同工况下最小安全系数对比发现，对米拉多铜矿南排土场安全起决定性的荷载组合为地震工况。由于矿区位于安第斯山褶皱系，属于环太平洋地震带范围，该地区属于地震频发地区，参照中国恩菲工程技术有限公司提交的《厄瓜多尔南排土场边坡稳定性研究》，矿区地震基本烈度为8 度。如此强大的地震荷载作用下，边坡最小安全系数大幅降低，使得地震工况成为排土场边坡的最危险工况，矿方应对排土场结构进行设计以达到防震要求。米拉多铜矿所在地区年降雨量大，在强降雨作用下排土场坡面会形成表面径流和冲沟，从而引发局部失稳甚至连锁式组合台阶失稳，且排土场汇水面积较大，排土场坡面很容易形成汇水与径流，矿方应加以重视，定期对坡面进行修整、压实，完善矿区南排土场的排水疏干系统。

5 结语

南排土场在自然、降雨和地震工况条件下的最小安全系数下限为1.25、1.20、1.15。在3 种不同工况下，B－B＇、D－D＇剖面的安全系数大于要求下限，符合规范；地震工况下，A－A＇、C－C＇ 剖面安全系数不足1.15，须采取有效堆排要求或其他工程措施；E－E＇剖面在3 种工况条件下的安全系数都低于规范下限，必须采取必要工程措施甚至改变堆排结构参数。