瓮福磷矿翁章沟排土场北侧边坡工程地质特征及稳定性分析

瓮福磷矿翁章沟排土场北侧边坡工程地质特征及稳定性分析

2.贵州绿能星新能源开发有限公司,贵州贵阳,550005Summary：贵州省瓮福磷矿穿岩洞矿区翁章沟排土场是全省最大规模的矿山排土场，北侧边坡是由自2008年投入运营以来不同时期形成的人工边坡，其岩土工程地质特征复杂，其安全稳定性是影响其正常运营的关键。文中对北侧由于堆放形成的人工堆积边坡排弃物、基底土及基岩的工程地质特征分析，计算排场稳定性安全系数并对其稳定性分析研究，提出防治建议。分析认为排土场北侧边坡素填土分布不均匀、力学性质不均匀；粉质粘土力学性质较均匀；砂质泥岩力学性质和分布较均匀；现阶段排土场北侧边坡现状整体在天然工况下处于稳定状态，在极端暴雨工况下处于基本稳定状态，坡面台阶边坡在天然工况下处于基本稳定状态，在极端暴雨工况下处于欠稳定状态；未来持续极端暴雨条件下，台阶边坡整体失稳的可能性大；建议加强专项水文地质勘察，继续完善排土边坡及周围排、截洪沟建设，减少大气降水排入排土场或边坡内诱发地质灾害。Keys：瓮福磷矿；翁章沟；排土场；工程地质特征；稳定性分析1工程概况穿岩洞翁章沟排土场于2008年开始建设并投入使用至今，已排放至1310m标高，属在建项目，按设计排放至1370m标高[1]。翁章沟排土场主要沿一条上游呈北西向在下游转为北东向的冲沟弃排。截止2018年3月，整个排土场已形成规模大于1000万m3的堆积体。排土场北侧现已形成+1052～1310m等8个排土台阶（见图1），其中+1280～+1310m标高为矿1-素填土；2-第四系粉质粘土；3-寒武系清虚洞组；4-寒武系金顶山组；5-寒武系明心寺组；6-寒武系牛蹄塘组；7-新元古至寒武系灯影组；8-地层界线；9-地层产状；10-断层；11-勘察剖面；12-远程GPS监测1点；13-浅井；14-勘察钻孔；15-监测点及编号；16-控制点；17-原河谷第四系界线；18-素填土排放范围；19-老硐；20-台阶高图1瓮福磷矿穿岩洞翁章沟排土场北侧边坡地质构造简图山目前主要排土区域，已经形成的各台阶坡脚内侧已修筑了截（排）水沟，+1052～+1100m、+1100～+1130m两级台阶边坡坡面进行了拱形骨架护坡，其他台阶和边坡已植草或植树护坡。文中对北侧由于堆放形成的人工堆积边坡排弃物、基底土及基岩的工程地质特征分析，计算排场稳定性安全系数并对其稳定性分析研究，提出防治建议。2场区地质构造概况出露地层由新到老有第四系（Q）、寒武系第二统明心寺组（∈2m）及金顶山组（∈2j）。第四系（Q）覆盖层主要有素填土及粉质粘土；寒武系第二统明心寺组（∈2m）及金顶山组（∈2j）岩性主要为砂质泥岩，岩层倾向北西，倾角25～35°。岩层层面略有起伏、粗糙，结合差。场区位于白岩背斜西翼，除发育一条近南北向下走滑断裂外，周边未发育新活动断裂通过[3]（图1）。场区内岩石节理发育，主要发育有四组节理：即北西西组、北西组、北东组、近东西组，这些节理虽然规模不大，但较发育，北东与北西组相互交切成为“X”型的一组共轭节理，北东向裂隙属于卸荷裂隙[2]，沿翁章沟两岸和沟底主要寒武系明心寺组和金顶山地层展布，倾向北西，倾角较缓20～30°，排土场东岸为顺向斜坡或斜向斜坡，西岸为反向斜坡。从1495年至今，本区发生过的有感地震19次[4]，地震烈度均小于Ⅶ级地震基本烈度小于Ⅶ度分布区，地震动峰值加速度＜0.05,说明区内地震活动轻微。区内无活动性断裂通过，区域地壳稳定性良好。3岩土体工程地质特征场地出露地层由新到老依次为：第四系人工素填土（Qml）、第四系粉质粘土（Qel+dl）、寒武系第二统金顶山组与明心寺组砂质泥岩。场地岩土特征如下：3.1素填土（Qml）工程地质特征素填土（Qml）：来源主要为东侧穿岩洞露天采场，自2008年开始持续不断堆积的素填土，主要分布于排土场范围。该素填土与第四系粉质粘土呈不整合接触，或局部与明心寺和金顶山组碎屑岩呈不整合接触。主要分布于翁章沟排土场范围，厚度0～260m。主要由角砾组成，含大量碎石、块石，成分以白云岩、硅质白云岩、含磷白云岩、硅质岩、含碳粘土岩为主，骨架间充填物主要为粗砂。其工程地质特征如下：（1）素填土颗粒小于0.5mm占10%，0.5～2mm占12.19%，2～20mm占50.5%，20～200mm占19.19%，大于200mm仅占6.78%，不均匀系数CU在14.46～34.13之间，曲率系数Cc在1.0～3.7之间，级配良好，均匀性差[5]。（2）1100台阶以下，11.8～17.6m填土密实度为稍密，但局部为松散或存在架空（小于5击），17.6～32.0m填土密实度为中密，32～35.7m填土密实度接近密实；1100～1190台阶，2.9～34.6m填土密实度为稍密，但局部为松散或存在架空（小于5击），34.6～67.2m填土密实度为中密，67.2～133.7m填土密实度接近密实。填土以越往深部由于堆填时间较长及填土重力作用越密实为密实度变化规律[6]。（3）在1100～1220平台天然状态下开展现场直接剪切试验内摩擦角φ(°)在26.42-32.42[6]，平均值30.0，修正标准值为28.5；粘聚力c（KPa）在24.44～70.02，平均值50.35，修正标准值为40.0。从试验数据可以看出，受试验过程中天气及试验点填土组成颗粒差异影响，填土的内摩擦角试验数据离散性大，粘聚力试验数据离散性较大。（4）素填土天然重度（KN/m3）17.3～19.5[6]，平均18.5；含水率w（%）为7.5～31.4，平均7.5；干密度ρd（g/cm3）为1.54～1.8，平均1.68，场地内素填土的最大干密度由3组重型击实试验确定为2.21g/cm3，实际达到的干密度采用灌水法确定；密实度（%）70～81，平均76.18。在1190台阶施工的ZK102中进行注水试验，在0～12.6m段渗透系数（cm/s）为1.13×10-2；12.6～24.6m段为1.14×10-2；24.6～29.6m段为1.68×10-2，由此可见不同深度渗透系数不同，从ZK102试验可见越往深渗透系数变小，说明越往深压实度越好，密实度越好。（5）经瑞利波速测试结果[6]表明，场地平台表面速度最低约为220m/s；测线下部的速度变化从上到下呈递增趋势，变深度0～12m范围瑞利波的速度VR大部分从250m/s递增到400m/s，测线底部的瑞利波速度最大达到了420m/s。填土的瑞利波速从上到下呈递增趋势，表明从上至下填土密实度由低到高变化，回填层均匀性差。场地的加速度A（cm/s2）为59.6379，速度V（cm/s）为0.345365，位移S（cm）为0.010487，卓越频率（Hz）为5.444439，卓越周期T（s）为0.185185。3.2第四系粉质粘土（Qel+dl）工程地质特征第四系粉质粘土（Qel+dl）稍湿，褐黄色，含少量母岩风化残屑、残块，断面较光滑，主要呈可塑状态[7]。主要分布于翁章沟两岸斜坡及谷底，厚0.3～5.0m。粉质粘土物理力学参数见下表。表1基底粉质粘土室内试验成果统计表岩土名称参数统计数(n)最大值(max)最小值(min)平均值(mean)标准差(s)变异系数(δ)修正系数(γs)标准值(Фk)备注粉质粘土含水量(%)1031.416.121.844.470.20密度g/cm3(天然)102.081.701.950.130.07密度g/cm3(饱和)102.181.771.990.140.07比重Gs102.892.662.750.040.05孔隙比e100.9550.520.7310.1000.09液限%1034.525.331.433.880.12塑限%1039.525.54塑性指数Ip1015.310.611.971.720.14液限指数IL100.590.030.1940.160.81凝聚力C1037.515.641.2125.70内摩擦角φ1021.014.517.441.960.111.0718.64压缩模量Es108.946.147.020.950.13资料来源：贵州正和工程质量检测试验研究有限公司2018年测试成果3.3寒武系第二统金顶山组与明心寺组工程地质特征寒武系第二统金顶山组与明心寺组岩石呈灰白色，泥质结构，节理裂隙发育，节理面见铁质浸染，按其风化状态分为强风化泥岩与中风化泥岩两个岩质单元。在排土场及周边大部分地段均有出露。明心寺组砂质泥岩，试验成果饱和单轴抗压强度（MPa）15.7~20.6，平均17.25，变异系数为0.08，修正后标准值16.68；饱和抗剪强度内摩擦角φ（°）39.3~53.6，平均46.73，变异系数为0.105，修正后标准值44.48。饱和抗剪强度粘聚力（c）MPa为1.42~3.27，平均2.06，变异系数为0.3382，修正后标准值1.74。3.4岩土物理力学参数分析与取值（1）素填土1）重度：素填土天然重度最大值19.5kN/m3、最小值17.3kN/m3、平均值为18.5kN/m3，素填土天然重度取值采用平均值18.5kN/m3；素填土现阶段密实度平均值76.18%，含水率平均值10.25%[7]，表明其结构较松散，利于排水，不易达到饱和状态，素填土暴雨工况重度较天然重度稍大，综合取值为20.0kN/m3。2）抗剪强度参数：素填土天然状态下内摩擦角最大值32.4º、最小值26.4º、平均值为30º、标准值28.5º。在1～20m深度范围内的锤击数进行修正并统计，统计修正后锤击数标准值为5击，对应的素填土内摩擦角取值为34º[7]。考虑到现场直剪试验位于排土场北侧平台表层，而圆锥动力触探试验为0～20m深度范围内，因此素填土内摩擦角天然状态下综合取值为34º；根据《工程地质手册》（第五版）表3-2-41注释，当考虑地下水的影响，素填土内摩擦角降低3º使用，综合考虑勘察期正值雨季，现场直剪试验素填土内摩擦角平均值为30º，因此暴雨工况下素填土内摩擦角取值为30º。根据现场圆锥动力触探试验，统计修正后锤击数标准值为5击，可以计算出天然状态下素填土粘聚力为5.0KPa；素填土主要由碎石土回填而成，新近回填，结构松散，碎石土颗粒成分主要为角砾，含大量碎石、块石，素填土主要由粗颗粒组成决定了其具有较大的内摩擦角及粘聚力小的力学特征，加之暴雨条件下会使素填土粗颗粒骨架间的粘聚力大幅降低，因此暴雨条件下不考虑素填土粘聚力。3）变形参数根据现场圆锥动力触探试验，统计修正后锤击数标准值为5击，素填土主要由角砾组成，查《工程地质手册》（第五版）表3-2-36可知，素填土天然状态下变形模量为20MPa，暴雨条件下变形模量为12MPa。（2）粉质粘土粉质粘土天然密度1.95g/cm3，粘聚力(c)25.7KPa，内摩擦角（φ）18.6º，压缩模量(Es)7.02MPa。（3）砂质泥岩砂质泥岩饱和单轴抗压强度标准值为16.68MPa，依据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）5.2.6[8]，较破碎岩体取0.1进行折减，折减后地基承载力特征值取为(fa)1600kPa；依据《贵州省建筑岩土工程技术规范》（DB52/T046-2018）8.2.5[9]，内摩擦角折减系数0.8，粘聚力折减系数0.2，折减后砂质泥岩岩体内摩擦角取值35.6º，粘聚力取值340KPa。通过上述对排土场北侧边坡范围岩土物理力学参数分析，取值统计如下表2。表2排土场北侧边坡岩土物理力学参数取值表岩土参数γ（kN/m3）c(kPa)φ(°)E0（MPa）Es（MPa）fa（kPa）备注素填土天然工况18.553420暴雨工况2003014粉质粘土19.525.718.67.02180强风化砂质泥岩21302522300经验值中风化砂质泥岩22.534035.616004排土场北侧边坡稳定性及坡坏模式分析2016年12月~2018年6月，矿山企业开展了实时监测工作，据点沉降（dh）、位移（ds）监测成果表明在回填1年时间内变形较强烈、变形量较大；1年以后变形曲线明显趋于平缓，变形量减小。排土场北侧边坡填方一直处于持续变形状态，填方土质边坡高度大，坡面形态呈台阶状，回填周期短、素填土呈欠固结状态，坡体回填填料孔隙度大、利于降雨直接入渗，上述各条件决定了土质边坡有整体失稳及坡面各级台阶边坡失稳的可能。边坡为填方土质边坡，填方底部粉质粘土土层较薄且地形较缓，边坡沿基地滑动破坏失稳的可能性小，土质边坡破坏模式为土体内圆弧形滑面滑动破坏。5北侧边坡稳定性计算及评价（1）边坡稳定性计算对边坡进行边坡稳定性定量计算分析，计算参数采用表2相关参数。对土质边坡按圆弧形滑面滑动计算其稳定性，边坡稳定性计算公式[10]如下。（式1）（式2）（式3）ci——第i计算条块滑面粘聚力（kPa）；φi——第i计算条块滑面内摩擦角（°）；li——第i计算条块滑面长度（m）；θi——第i计算条块滑面倾角（°），滑面倾向于滑动方向相同时取正值、相反时取负值；Ui——第i计算条块滑面单位宽度总水压力（kN/m）；Gi——第i计算条块单位宽度自重（kN/m）；Gbi——第i计算条块单位宽度竖向附加荷载（kN/m），方向指向下方时取正值、指向上方时取负值；Qi——第i计算条块单位宽度水平荷载（kN/m），方向指向坡外时取正值、指向坡内时取负值；hwi，hw,i-1——第i及i-1计算条块滑面前端水头高度（m）；rw——水重度取10kN/m3；i——计算条块号，从后方编起；n——条块数量。此文中选取0-0`剖面在天然工况及暴雨工况下，对排土场北侧边坡整体及坡面台阶边坡进行稳定性系数定量计算，分别对排土场北侧边坡整体和坡面各台阶边坡不同工况下进行稳定性计算，计算方法见计算简图2、3，计算结果见表3。1-排土场人工边坡；2-圆弧滑面图2天然工况下边坡整体稳定性计算示意图1-排土场人工边坡；2-圆弧滑面图3天然工况下台阶边坡稳定性计算示意图表3边坡整体土体内圆弧形滑面滑动稳定性计算表岩土组成计算滑面计算工况岩土参数计算结果γ(kN/m3)c(kPa)φ(°)T(kN)R(kN)Fs素填土整体深部天然工况18.5534240910.2450828.81.87暴雨工况20030260443.5414164.51.59坡顶至坡脚天然工况18.553487061.6133707.61.54暴雨工况2003094120.7121378.71.29坡口至坡脚天然工况18.553478160.3119126.01.52暴雨工况2003084497.6108115.51.28素填土坡面1级台阶边坡天然工况18.55342396.63080.7461.28暴雨工况200302590.92599.81.00坡面2级台阶边坡天然工况18.553411695.822073.71.89暴雨工况2003012644.120177.11.60坡面3级台阶边坡天然工况18.553434149.269774.72.04暴雨工况2003036918.163592.01.72（2）排土场北侧边坡稳定性评价排土场北侧边坡边坡安全等级为一级[11]，在一般工况下以1.35作为稳定安全系数临界。经上计算结果边坡稳定性状态划分见下表4。表4稳定性稳定性状态划分表计算剖面边坡计算工况稳定系数安全系数稳定状态0-0`边坡整体整体深部天然工况1.871.35稳定暴雨工况1.591.35稳定坡顶至坡脚天然工况1.541.35稳定暴雨工况1.291.35基本稳定坡口至坡脚天然工况1.521.35稳定暴雨工况1.281.35基本稳定坡面台阶边坡坡面1级台阶边坡天然工况1.281.35基本稳定暴雨工况1.001.35欠稳定坡面2级台阶边坡天然工况1.891.35稳定暴雨工况1.601.35稳定坡面3级台阶边坡天然工况2.041.35稳定暴雨工况1.721.35稳定坡面台阶边坡坡面1级台阶边坡天然工况1.261.35基本稳定暴雨工况1.011.35欠稳定坡面2级台阶边坡天然工况1.231.35基本稳定暴雨工况1.171.35基本稳定坡面3级台阶边坡天然工况1.591.35稳定暴雨工况1.331.35基本稳定由上表可知，排土场北侧边坡整体在天然工况下处于稳定状态，在极端暴雨工况下处于基本稳定状态。排土场北侧边坡坡面台阶边坡在天然工况下处于基本稳定状态，在极端暴雨工况下处于欠稳定状态。未来连续极端暴雨条件下，台阶边坡整体失稳的可能性大。6结论及防治措施建议（1）排土场北侧边坡为人工堆积素填土形成的多级台阶边坡。素填土主要由角砾组成，含大量碎石、块石，骨架间充填物主要为粗砂，不均匀系数在14.46～34.13之间，曲率系数在1.0～3.7之间，级配良好。排土场北侧边坡素填土分布不均匀、力学性质不均匀；粉质粘土力学性质较均匀；砂质泥岩力学性质和分布较均匀。（2）场地的加速度A（cm/s）为59.6379，速度V（cm/s）为0.345365，位移S(cm）为0.010487，卓越频率（Hz）为5.444439，卓越周期T（s）为0.185185。建议场区内有关工程设计抗震周期应该避开本场地的微振动卓越周期，以免发生共振。（3）根据稳定性分析，现阶段排土场北侧边坡现状整体在天然工况下处于稳定状态，在极端暴雨工况下处于基本稳定状态，坡面台阶边坡在天然工况下处于基本稳定状态，在极端暴雨工况下处于欠稳定状态。未来持续极端暴雨条件下，台阶边坡整体失稳的可能性大。（4）排土场东侧采坑现处于开采阶段，开采过程中对地下水进行了抽排，当闭坑后或对其回填，地下水最终排泄口仍为排土场北侧坡脚，地下水位上升后会使排土体饱和，从而降低排土场北侧边坡稳定性，可能会诱发滑坡、泥石流灾害，建议届时做专项水文地质勘察。（5）建议继续完善排土边坡及周围排、截洪沟建设，减少大气降水排入排土场或边坡内。加强监测，特别是雨季要加密监测力度。Reference：[1]季宝林,兰俊,高春海等,2009.11.瓮福（集团）有限责任公司瓮福磷矿二期接替工程穿岩洞矿段初步设计.中蓝连海研究设计院.42-44.[2]2008.09.瓮福（集团）有限责任公司穿岩洞矿段翁章沟废石场岩土工程勘察报告[R].贵阳建筑勘察设计有限公司.9-11.[3]温正康,程儒贤，熊世文等,1982.瓮福磷矿白岩矿区穿岩洞矿段详细勘查报告[R].贵州省地质局115地质大队.15-25.[4]瓮安县志.2014.12.贵州省瓮安县地方志编纂委员会编[G].北京:方志出版社.ISBN:7-5144.[5]2016.07.瓮福磷矿穿岩洞矿翁章沟排土场土体力学检测报告[R].贵州弘波质量检测有限公司.10-25.[6]雷国健,孙文杰.2018.07.瓮福（集团）有限责任公司瓮福磷矿穿岩洞翁章沟排土场北侧坝体检测报告[R].贵州正和工程质量检测试验研究有限公司.5-50.[7]曹建强,陈开能等.2018.08.瓮福（集团）有限责任公司瓮福磷矿穿岩洞翁章沟排土场北侧边坡工程地质勘察报告[R].贵州有色地质工程勘察公司.1-20.[8]2012.08.01.建筑地基基础设计规范（GB50007-2011）[S].中华人民共和国住房和城乡建设部编.38.[9]2018.02.01.贵州省建筑岩土工程技术规范（DB52/T046-2018）[S].贵州省建筑设计研究院有限责任公司等编.83-84.[10]张月清,张爱军著.2019.01.现行规范中边坡稳定性计算方法解析[J].山西建筑.Vol.45.No.1：48—50.[11]化建新,郑建国等著.工程地质手册[G].中国建筑工业出版社.2018.04月第五版,1103.EngineeringgeologicalcharacteristicsandstabilityanalysisofthenorthslopeofWengzhanggouDumpinWengfuGroupPuKaixing1,2,LuMao1.2,NongGuanhai1.2,ZhangShifan1.2(1.InstituteofGeologyandMineralExploration,GuizhouBureauofGeologyandExplorationofNon-ferrousMetalsandNuclearIndustry,Guiyang,Guizhou550005；2.GuizhouLvnengxingNewEnergyDevelopmentCo.,LTD.,Guiyang,Guizhou,550005)Abstract:TheWengzhanggoudumpintheTunnelingtunnelofTheWengfuPhosphateMineinGuizhouprovinceisthelargestminedumpinthewholeprovince.TheNorthernSlopeisanartificialslopeformedindifferentperiodssinceitwasputintooperationin2008.Itsgeotechnicalengineeringgeologicalcharacteristicsarecomplex,anditssafetyandstabilityarethekeyfactorsaffectingitsnormaloperation.Inthispaper,thecharacteristicsofengineeringgeologyoftheartificialpiledslope,thebasalsoilandthebedrockareanalyzed,thesafetyfactorofthestabilityoftheslopeiscalculated,andthepreventionandcontrolsuggestionsareputforward.Accordingtotheanalysis,thedistributionandmechanicalpropertiesofsoi