排土場勘察幾點問題分析和探討

岳進松 YUE Jin-song

（中冶集團武漢勘察研究院有限公司，武漢 430080）

1 排土場概況

本次排土場設計用途為排放采場廢石，邊坡為永久性邊坡。排土場位于斜坡上，地形總體上東南高西北低。原始山坡坡度總體為6°～42°，無斷裂構造、滑坡、崩塌、塌陷等不良地質作用，勘察期間通過地質調查和測繪，自然邊坡是穩定的。

2 穩定性計算參數的選取

2.1 天然土層的穩定性計算參數按以下取值。

素填土，天然重度γ=18.0kN/m3，γsat=18.4kN/m3，固結快剪強度標準值，內摩擦角φ=14°，粘聚力C=14kPa；粉質黏土含卵石，天然重度γ=15.0kN/m3，γsat=15.6kN/m3，承載力特征值fak=100kPa，固結快剪強度標準值，內摩擦角φ=19°，粘聚力C=13kPa；卵石、漂石夾礫砂，天然重度γ=20.7kN/m3，γ=21.0kN/m3，承載力特征值fak=500kPa，固結快剪強度標準值，內摩擦角φ=34°，粘聚力C=4kPa；漂石、卵石夾黏性土，天然重度γ=20.2kN/m3，γsat=20.5kN/m3，承載力特征值fak=400kPa，固結快剪強度標準值，內摩擦角φ=32°，粘聚力C=8kPa；黏土，天然重度γ=16.5kN/m3，γsat=16.9kN/m3，承載力特征值fak=180kPa，固結快剪強度標準值，內摩擦角φ=20°，粘聚力C=24kPa；粉質黏土含漂石，天然重度γ=17.9kN/m3，γsat=18.7kN/m3，承載力特征值fak=200kPa，固結快剪強度標準值，內摩擦角φ=24°，粘聚力C=26kPa；漂石、卵石夾黏性土，天然重度γ=19.5kN/m3，γsat=19.7kN/m3，承載力特征值fak=380kPa，固結快剪強度標準值，內摩擦角φ=30°，粘聚力C=9kPa；砂質黏性土，天然重 度γ=17.8kN/m3，γsat=18.4kN/m3，承 載 力 特 征 值fak=220kPa，固結快剪強度標準值，內摩擦角φ=25°，粘聚力C=22kPa；全風化花崗閃長巖，天然重度γ=20.1kN/m3，γsat=20kN/m3，承載力特征值fak=300kPa，固結快剪強度標準值，內摩擦角φ=26°，粘聚力C=33kPa；強風化花崗閃長巖（土狀），天然重度γ=21.3kN/m3，γsat=22.5kN/m3，承載力特征值fak=550kPa，固結快剪強度標準值，內摩擦角φ=30°，粘聚力C=40kPa；強風化花崗閃長巖（塊狀），天然重度γ=23.5kN/m3，γsat=23.7kN/m3，承載力特征值fak=900kPa，固結快剪強度標準值，內摩擦角φ=38°，粘聚力C=5kPa；中風化花崗閃長巖，天然重度γ=26.2kN/m3，γsat=26.4kN/m3，承載力特征值fak=5000kPa。

2.2 排棄物的穩定性計算假設參數

①目前排土場尚未進行，本次勘察不具備提供排棄物穩定性計算參數的條件，本次提供穩定性計算假設參數供初步設計和排土質量控制參考。

②室內模擬試驗強度。

模擬推土機排土條件下，室內試驗結果：土質排棄物的最大干密度ρdmax=1.7g/cm3，最優含水率ωop=18.1%。不同干密度條件下的抗剪強度統計結果見表1。

③本次穩定性分析的土質參數初步按80%最大干密度條件下直剪固快強度假設取值進行估算；廢石按不含黏性土的塊石假設取值。

3 堆置要素

①堆置高度。

排土場在排土初期基底壓實到最大的承載能力時，排土場的堆置高度根據以下公式計算。

式中：H1—排土場的堆置高度（m）；

C—基底巖土的粘結力（Pa）；

φ—基底巖土的內摩擦角（°）；

γ—排土場物料的容重（t/m3）。

注：本次抗剪強度指標為固結快剪強度指標。

②本次排土場排放的為含廢石較少的土質及廢石，在堆置高度與極限堆置高度計算時，選取較有代表性的廢石進行堆置高度計算?；讕r土的計算參數按表1取值，廢石的容重按設計技術要求中提供的數據，取γ=2.60t/m3。

表1 不同干密度條件下的抗剪強度統計結果

③在基底處于極限狀態，失去承載能力，產生塑性變形和移動時，排土場的極限堆置高度按下式計算。

式中：H2—排土場的極限堆置高度（m）。

④素填土，第一臺階堆置高度為0.70m，極限堆置高度為1.50m；粉質黏土含卵石，第一臺階堆置高度為3.12m，極限堆置高度為8.99m；卵石、漂石夾礫砂，第一臺階堆置高度為1.42m，極限堆置高度為6.45m；漂石、卵石夾黏性土，第一臺階堆置高度為2.63m，極限堆置高度為10.87m；黏土，第一臺階堆置高度為5.22m，極限堆置高度為13.64m；粉質黏土含漂石，第一臺階堆置高度為7.42m，極限堆置高度為22.20m；漂石、卵石夾黏性土，第一臺階堆置高度為8.86m，極限堆置高度為33.46m；砂質黏性土，第一臺階堆置高度為5.64m，極限堆置高度為17.46m；全風化花崗閃長巖，第一臺階堆置高度為8.76m，極限堆置高度為28.13m；強風化花崗閃長巖（土狀），第一臺階堆置高度為12.22m，極限堆置高度為46.15m；強風化花崗閃長巖（塊狀），第一臺階堆置高度為2.08m，極限堆置高度為11.73m；中風化花崗閃長巖，第一臺階堆置高度和極限堆置高度均無限制。

⑤設計擬采用的排土方式為汽車運輸推土機排土，第一臺階主要分布的地層為：上部為硬塑狀態粉質黏土含漂石，少部分為可塑狀態黏土和密實狀態漂石、卵石夾黏性土，沖溝地段溝底分布有中密狀態卵石、漂石夾礫砂和中密狀態漂石、卵石夾黏性土；底部為全風化花崗閃長巖、強風化（碎塊狀）花崗閃長巖、中風化花崗閃長巖。第一臺階的變形和破壞，可能引起排土場的松動和破壞，影響排土場的穩定。綜合考慮排土場的地質條件、溝谷地形和水文氣象條件等，建議第一臺階堆置高度為10m。

⑥根據初步設計提供的坡度和現場實際地形情況，第一臺階堆置高度為0～59.00m，分別為59m、39m和50m，堆置高度較大沖溝地段，建議設計時調整第一平臺的高度或對第一臺階地段地基土進行加固處理，可采用地基堆載預壓的方式提高第一臺階地基承載力。

4 排土場邊坡穩定性分析

4.1 邊坡穩定性計算方法

①排土場邊坡為土質邊坡，采用圓弧滑動法和折線法進行估算。②計算過程中采用簡化Bishop法對排土場分級堆置的局部穩定和堆置完成后的整體穩定性進行了驗算。③計算采用圓弧滑動法和特殊地段沿原始地表的折線法。

4.2 邊坡穩定性估算假設條件

①排土的坡率按設計任務書圖紙提供的初步設計坡率。②排土的參數按表1中假設參數取值，天然土層參照表1。③計算工況為一般工況、飽和工況和地震工況。飽和工況：考慮暴雨作用下地下水位的工況；地震工況：工程區的地震基本烈度為Ⅷ度，基巖水平地震峰值加速度為0.25g，水平地震系數為0.063。④排土場邊坡穩定安全系數，取一般工況Fst=1.35，飽和工況Fst=1.20，地震工況Fst=1.10。

4.3 綜合分析，穩定性評價如下：

①排土場在堆置過程中，其初始2級（100m）計算最小安全系數滑弧位于棄土和天然土層中，排土場穩定性主要受排土強度及原始地形和天然土層強度的影響；堆高4級（200m）以后，其計算最小安全系數滑弧位于棄土堆積物中，受原始地形和天然土層影響較??；堆高到6級（300m）以后，其計算最小安全系數滑弧位于棄土廢石堆積物和天然土層中，棄土、廢石堆置質量、天然地形和天然土層均對其有一定影響。

②剖面A-A最小穩定性系數位于第二級（1300m），原始坡面比較平緩，在一般工況和地震工況下呈穩定狀態，但在飽和狀態下呈基本穩定狀態，因坡腳筑有坡腳壩，對排土邊坡具有反壓作用，滑動面主要是棄土內滑動。當最小穩定系數不能滿足邊坡穩定安全系數Fst的要求時，建議結合第一臺階高度進行調整坡比或對棄土質量進行加固處理。

③剖面B-B最小穩定性系數位于第二級（1300m），天然工況及地震工況下穩定，在飽和工況下為不穩定狀態，滑動面沿著棄土剪切至天然地基土層中。最小穩定系數不能滿足邊坡穩定安全系數Fst的要求。建議結合第一臺階高度進行調整坡比或對天然土層、排土質量進行加固處理。

5 排土分析與建議

①排土場最終邊坡高度為300m，排土容量大，高度大，為土質斜坡上排土形成的填土高邊坡，失事后的危害性十分嚴重，設計和施工時應引起高度重視。建議進行專門的邊坡設計和排土設計。

②排土場設計可采用分區和分期（分階段）進行設計。設計時除進行整體穩定性分析外，尚應進行分期排土場穩定性分析。

1）南排土場一期1300m標高以下排棄物為基建道路和采礦工業場地整平及部分南采場基建量，排棄物料基本為土質，受雨水影響，強度很低，且孔隙水較難排出，堆置后產生的病害也差異較大。建議減少雨水天氣排土，控制排土的含水量，并做好地表和地下排水設計。

2）排土場面積較大（約4km2），地形起伏較大，土層的厚度不一。邊坡邊界條件差異較大，基建期剝離物分期排土場的穩定計算剖面線與整體排土場計算剖面不盡一致，各不同計算斷面對排土場穩定性差異較大。應進行分期排土場穩定分析，確保剝離物排土期間的分期排土場的穩定性。

3）分期排土場堆置后，應在不同排土高度分期對剝離物棄土通過勘察或試驗確定其邊界條件和穩定性計算參數（重度、抗剪強度等），并重新驗算整體排土場穩定性。

③合理安排排土順序，避免形成軟弱結構層和形成地下水高水位。

1）顆粒較粗的塊石盡量堆置最低臺階以及下游邊坡。確保滿足設計排土參數和排水條件。

2）采場表層剝離物為風化巖和殘坡積土，其排土后受雨水影響，將成為排土場邊坡的軟弱地層，且易造成地下水位升高，對邊坡穩定極為不利，建議做好排水設計。

3）排土場采用汽車運輸，推土機排土工藝，排棄過程中不加以控制易造成巖、土成水平或傾斜分層，水平分層是由于開采順序形成的結構分層，傾斜分層是由于巖、土的比重不同，加上排土強度的不均勻性，排棄物沿著自然邊坡的傾斜分層。巖土分層易形成軟弱結構層，影響邊坡的穩定性。設計和施工時應重視及時整理排卸平臺。

④建議增強排土場的地下水排水設計，避免地下水影響降低抗剪強度，從而影響邊坡穩定性。

⑤排土場基底處理。

排土場自然條件下植被發育茂密，直接排土時，植被被掩埋后將腐爛，形成邊坡軟弱層，對排土場邊坡穩定性不利，建議排土前，清除植被和腐殖物。自然坡度大于1:5的坡地應做成臺階狀。

⑥地面坡度大于24°，且堆置高超過200m時，應分高度堆置，及時整理排卸平臺，避免形成傾斜分層，同時注意棄土過程中局部穩定性。

⑦勘察后期排土場內局部地形已修建有小型排土場，堆放基建道路開挖過程中的棄土（含大量清表腐殖物），因清表腐殖物呈“稀泥”狀，其排水固結時間長，抗剪強度較低，人和機械不能直接上部行走，當后期上部堆置排土后，將形成較大沉降，沉降時影響上部排土的結構和強度，對穩定性不利。因此小型棄土排土場設計應對已經堆置的棄土場進行專門穩定性計算，分析和評價對后期以及最終堆置高度時穩定性。必要時應進行加固處理。

6 病害分析及防治

6.1 水害防治

①地表水和地下水是造成排土場滑坡、泥石流和水土流失的動力條件，建議設計時作好截流、防洪和排水設施。②在場地外圍修置截水溝或排洪渠將洪水引導至場地外。在排土場內應修建縱橫排水系統，匯集場地內雨水，減少雨水下滲，同時可減少酸性水處理數量。排土場底部特別是沖溝底部、分期排土場剝離物與上部塊石排土接觸處，應作好地下水疏導設施，排出地下水以利于棄土的固結，增加其強度，降低地下水位，有利于穩定，同時應做好反濾設計，避免排水過程中帶走細顆粒，并逐步擴大形成塌陷。③因場地花崗巖風化巖和殘積土直接臨水時，受地表水沖刷后易帶走細顆粒，破壞巖體的結構和強度，切割深度和范圍并不斷擴大，形成牽引式坍塌或滑坡，影響排土場構筑物的穩定性。因此截流、排洪、排水設施宜具有一定強度，不宜采用土質、三合土形式溝渠，尤其不宜讓該地層直接臨水。

6.2 小規模泥石流

根據排土場棄土的性質，在暴雨時，在剝離物堆置地段，易形成小規模泥石流，因此設計應做好坡面防護和排水工作。

6.3 滾石

排土場堆置的塊石較多，主要堆放在1300m標高以上二期排土廢石，一期排土基本為土質，排土場下游及各平臺之間留有足夠的安全距離，有效減少滾石的危害。

6.4 小規?；?/h3>

因影響棄土的性質因素較多，對于邊坡土質較差地段在雨水浸泡和沖刷時，可能產生局部小型滑坡，對下游產生危害。排土設計時應盡量采用透水性強、顆粒粗的棄石堆置，提高邊坡外側排土的強度。如遇到此情況可采用減載、反壓等措施處理。

6.5 排土場堆置生產作業過程中應進行排土場監測，竣工后并建立永久場地監測系統，發現病害及時整治

監測內容應包括：①生產作業過程坡頂面位移和沉降，②地表裂縫，③坡腳前沿地鼓，④地下水和滲水與降雨關系，⑤坡面形狀測量等。必要時，還應進行水質監測和泥石流監測。監測時，對于穩定性系數較低、坡度較陡且堆置高大、存在淤泥棄土場、第一臺階高度大等地段應重點監測。對于排土存在透水性差地段的上游應進行地下水位重點監測。監測工作根據設計要求、邊坡穩定性、周邊環境和施工進程等因素進行動態調整。

7 結語

①排土場第一臺階部分地段地基土層不能滿足承載力要求時，應調整第一臺階堆置高度或通過地基處理提高地基土強度。②排土場排土前，應作好截流、防洪和排水設施。當一期排土完成后，二期堆置塊石排土時，應做好反濾設計。③排土場現有植被和腐殖物影響排土場穩定性。排土前，應予以清除，可與排土高度同步，分步清除，避免大面積清除造成新的泥石流災害。④排土場堆填施工過程中應進行邊坡監測，發現病害及時整治。⑤建議排土場排土時，合理安排排土順序，在各剖面的低臺階，不應集中或成層排放基建期剝離物棄土。排土施工時應確保排土強度參數，并避免形成排水不暢導致地下水位升高。⑥建議設計施工時，分期進行排土并通過勘察和檢測確定棄土的參數后，驗算并校核分期和最終整體排土場的穩定性。⑦建議二期排棄廢石過程中，應分臺階測定排土的自然安息角，驗證設計排土參數。⑧建議監測單位應及時提供監測資料，并信息化指導排土。⑨建議當改變排土場邊坡邊界條件時應重新驗算排土場的穩定性。⑩建議對排土場范圍內已形成的小型排土場做好截排水措施，并采取措施提高排土強度，避免對后期排土產生不利影響。