CN105735238A - 一种湿陷性黄土地基条件下的排土场安全控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种湿陷性黄土地基条件下的排土场安全控制方法，包括：（1）根据黄土的湿陷规律，采取堆载预压措施提高黄土地基的模量，提前使湿陷性黄土产生正常压缩变形形成湿陷性黄土堆载预压平台，加速黄土地基孔隙压力的消散；（2）采用侧向约束措施约束潜在滑面的剪出口，增强锁固段，以提高地基?坝体结构系统的稳定性。本发明避免了黄土地基出现过度变形引起的土场失稳滑坡，形成地基处理与排土场废石排弃协调发展，解决了湿陷性黄土地基排土场安全稳定性问题。

Description

一种湿陷性黄土地基条件下的排土场安全控制方法

技术领域

本发明涉及一种湿陷性黄土地基条件下的排土场安全控制方法，属于排土场安全控制技术领域。

背景技术

现有技术中排土场稳定性分析时完全借鉴土(岩)边坡方法，基于地质勘察、室内外试验、工程类比和现场检测，采用极限平衡方法计算其安全系数和破坏概率。然而，由于排土工艺(排弃方式、堆置分段、排土顺序)和地形(平地、沟谷或坡地)的影响，研究成果对实践的指导意义和适应性差距较大。因此，目前世界上还没有一套统一、完整、系统的排土场设计方法或规范可以遵循。

袁家村铁矿地处山西省吕梁山脉，设计排土场区域赋存厚约10m左右的第四系上更新统湿陷性黄土，黄土湿陷性等级分为四级，分自重和非自重两种。由于湿陷性黄土覆盖区域广，对土场的安全稳定性构成了严重影响。若全部清离湿陷性黄土，需要的费用将非常巨大。

发明内容

本发明通过研究，寻找出符合湿陷性黄土地基排土场工程实际特征的本构关系，提供一种湿陷性黄土地基条件下的排土场安全控制方法。

本发明提供了一种湿陷性黄土地基条件下的排土场安全控制方法，是通过以下技术方案实现的：

为了解决湿陷性黄土地基排土场安全稳定性问题，制定了下部湿陷性黄土地基提前堆载预压、上部排土台阶工艺优化及二者相互制约的排土场安全控制技术方案。

1.湿陷性黄土地基控制措施研究

（1）黄土湿陷特性研究

试验结果表明，湿陷性黄土处于湿陷压密过程中比压密过程结束时的抗剪强度低，即湿陷变形的过程中抗剪强度最低、稳定性最小；另外，随着压力的增加，湿陷量增加；当压力到达一定程度，湿陷量达到峰值；黄土湿陷终止压力离散于600 kPa左右，少量位于600~1000kPa范围，按平均容重21 kN/m3，其对应的排土高度约为30~50m。当排土段高度达到50m前，如果不清理湿陷层或不采取其他措施控制，可能面临黄土基础沉降过度变形，引起排土场边坡滑坡以及坡肩开裂；当排土段高度超过50m后，黄土在该压力下已经表现出不湿陷的特性，也就是说，变形对排土场稳定性转移到强度稳定性控制。

（2）黄土地基湿陷引起土场失稳破坏变化规律

a、地基底鼓蠕滑阶段，主要表现为软土地基的整体剪切破坏，并从排土场坡趾贯通到地表一定范围，宏观变形以地基的底鼓和平移表征，分布形态受下覆基岩倾斜控制。受地基的沉降及水平移动牵引作用，坡趾前缘粗粒废石散体与下伏软土之间相互挤压和充填，其结果是，地基由黄土首先发生结构性破坏，进而发展为粉质粘土-废石混合。在软土地基层内，主要形成三角形的挤压沉降区（近似于压密弹性核）、相互充填区（近似于螺旋线）和结构性损伤区（与地表近似于成45-φ/2的交角），变形表现出柔性基础特有的特征。

b、伴随并对应于地基的不同变形分布形式，在废石本体内，粗粒骨架后上部出现“结构松散化”现象——邻近颗粒发生翻滚（大块石）、跨越（中粒）和跌落（细粒）——本体沉降运动造成颗粒定向排列，逐渐在结构体内部形成滑动（错动）面。本体变形宏观表征为坡趾的牵引裂缝，中下部水平鼓胀和放射状裂缝，中部的横向裂缝，以及坡肩的差异沉降和排土平台裂缝（如，后缘近65°的陡立裂缝），滑坡周界开始显现侧界裂缝；废石松散，块度不均，边源局部塌陷。

c、整体剧滑阶段通常表现为整体的多级（多段）旋转剪切滑动。从前两个阶段的蠕动变形到整体的剧烈滑动，中间表现为突变。受黄土结构性、粉粒含量及含水量的影响，后期可能存在近水平的低角度流滑。

（3）超前控制措施研究

A、侧向约束作用原理

从机理上而言，对于湿陷性黄土地基，有侧向约束作用时，其沉降可以在填筑过程中通过补料方式“完成”或“控制”；当无侧向约束，或侧向约束不够，导致地基水平位移或底鼓而牵引外坝坡的塌陷或滑坡。

B、下游坡面允许适度变形原理

废石坝的下游坡面，由于结构的松散型，自重固结作用导致堆排中的变形往往相当大，最终通过颗粒的重排及位置调整区域平衡，咬合作用发挥效应，强度得以提高。这种局部变形和调整及自我平衡过程的特征，可以在变形上自我协调，避免了分层碾压区和直接堆排区直接的变形差异过大导致层面破坏问题。

C、基底孔隙压力消散规律

孔隙水压力消散度随消散时间的增大而增大，孔隙压力则相反；在同一消散时间，孔隙水压力消散度随围压的增大而减小。当采用下盘排土场废石高强度直排填筑尾矿坝时，孔隙水压力的消散速度影响抗剪强度。特别是，黄土土体剪切强度随着含水量的增加而大幅度下降，当孔隙水压力来不及消散时，土体强度将发生显著下降。

D、工艺调控原理

a、采用侧向约束措施即可约束潜在滑面的剪出口，增强锁固段，进而提高地基-坝体结构系统的稳定性。

b、根据黄土的湿陷规律，采取堆载预压措施能有效提高黄土地基的模量，提前使湿陷性黄土产生正常压缩变形，加速黄土地基孔隙压力的消散。

E、措施有效性验证

根据黄土湿陷特性规律，黄土湿陷终止压力离散于600 kPa左右，按废石平均容重21kN/m³，在排土场坡脚提前堆筑高25m、宽70m的小平台，对湿陷性黄土地基提前6个月进行压坡处理。根据现场监测表明，压坡处理后，黄土区域无可见裂缝及底鼓变形，表明地基是稳定的，措施是有效的。

2.排土工艺优化研究

废石堆排过程中排土场外坡面一般处于临界稳定状态，但其稳定性是一个自我调整的过程：经固结沉降和重力自密实作用，在坡肩一定范围会出现差异性沉降。经统计，固结完成前的堆积散体这种差异性可见裂缝的分布，主要位于坡肩35m～40m范围，沉降量最大为台阶高度的10%左右，基本上在前120天左右完成全部沉降变形的80%。按此规律，确定湿陷性黄土地基排土场排土段高为20m，分层间超前宽度15m。

3.湿陷性黄土地基堆载预压与排土场超前时空关系

湿陷性黄土地基采用废石堆载预压措施以实现下游坡脚的提前反压，为了让湿陷性黄土地基完成充分的正常压缩变形，以减少后期对其上部排土场沉降变形的影响。按照废石体在前120天完成80%沉降变形的规律，确定汽车直排土场，湿陷性黄土堆载预压平台必须超前排土台阶4个月完成，最大堆载厚度为25m，湿陷性黄土地基超前宽度为70m，沟谷卵石地基或基岩超前宽度30m；胶带排土场，堆载预压平台超前形成必须与胶带移设周期和步距相匹配，根据胶带移设时间和步距，确定堆载预压平台形成超前时间为半年，湿陷性黄土地基超前宽度为最大排土段高的距离，沟谷卵石地基或基岩超前宽度为最大排土段高的0.6倍距离。

汽车直排或胶带排岩方式为露天矿山开拓系统的内容，主要根据矿山生产规模，排土场与采场的远近，排岩经济性等确定，与排土场本身没有因果关系。上述列出了国内外普遍采用的两种不同排岩方式的湿陷性黄土地基排土场安全标准，以便用户根据自身实际情况采用不同的标准。

本发明的有益效果：

通过开展排土工艺优化及湿陷性黄土地基超前堆载预压处理研究，避免了黄土地基出现过度变形引起的土场失稳滑坡，形成地基处理与排土场废石排弃协调发展，解决了湿陷性黄土地基排土场安全稳定性问题。

附图说明

图1为湿陷性黄土地基排土场效果图。

图中：1为1670排土分层，2为1650排土分层，3为1630排土分层，4为湿陷性黄土堆载预压区域。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

以山西岚县袁家村铁矿下盘1670m排土场为例。

对于露天矿山排土场来说，其安全威胁的对象是土场上部工程机械及坡脚底鼓范围内的对象。由于排土场排弃的废石随时间会不断沉降，不可能完全限制其变形或出现裂缝。因此，从排土场边坡与基底的相互作用，采用允许变形和部分破坏的设计理念才符合矿山安全性和经济性兼顾的要求。

袁家村铁矿为了解决湿陷性黄土地基排土场安全稳定性问题，制定了下部湿陷性黄土地基提前堆载预压、上部排土台阶工艺优化及二者相互制约的排土场安全控制技术方案。

（1）地形地貌

场地总体呈西高东低的地形形态，地貌形态自山地向河谷过渡可分为中低山及侵蚀性沟谷地貌、黄土丘陵、河谷阶地和河床等类型。场地三面环山，山前堆积的黄土被沟谷切割，形成近似黄土梁地貌形态。地面最大高差超过300 m。

（2）岩土参数见表1。

表 1 岩土参数统计

（3）实施步骤

1）湿陷性黄土地基区域堆载预压平台，提前4个月完成；

2）堆载预压平台与排土台阶同时作业，两者保持一定的超前关系。堆载预压平台超前上部排土分层70m，堆载预压平台最大排土段高不超过25m；见图1所示，湿陷性黄土堆载预压区域4的最大堆载厚度为25m，湿陷性黄土地基超前宽度为70m，沟谷卵石地基或基岩超前宽度30m（图中未示出）。坡度执行《金属非金属矿山安全规程》的规定，即“作业过程中面向坡顶线方向应有2～5%的反坡”。后期排土场经过正常的沉降变形后坡度应为0%。

3）湿陷性黄土地基区域排土分层台阶高度为20m，每个排土分层超前上个分层15m。见图1所示，图中示出了1670排土分层1，1650排土分层2，1630排土分层3，共三个排土分层，每个排土段高为20m，分层间超前宽度为15m。

Claims (5)

1.一种湿陷性黄土地基条件下的排土场安全控制方法，其特征在于包括以下内容：

（1）根据黄土的湿陷规律，采取堆载预压措施提高黄土地基的模量，提前使湿陷性黄土产生正常压缩变形形成湿陷性黄土堆载预压平台，加速黄土地基孔隙压力的消散；

（2）采用侧向约束措施约束潜在滑面的剪出口，增强锁固段，以提高地基-坝体结构系统的稳定性。

2.根据权利要求1所述的湿陷性黄土地基条件下的排土场安全控制方法，其特征在于：

采用汽车直排土场，按照废石体在前120天完成80%沉降变形的规律，以黄土湿陷终止压力为600 kPa，废石平均容重21 kN/m³计，湿陷性黄土堆载预压平台必须超前排土台阶4个月完成，最大堆载厚度为25m，湿陷性黄土地基超前宽度为70m，沟谷卵石地基或基岩超前宽度30m。

3.根据权利要求1所述的湿陷性黄土地基条件下的排土场安全控制方法，其特征在于：

采用胶带排土场，按照废石体在前120天完成80%沉降变形的规律，堆载预压平台超前形成必须与胶带移设周期和步距相匹配，根据胶带移设时间和步距，确定堆载预压平台形成超前时间为半年，超前宽度等于胶带土场的最大排土段高，沟谷卵石地基或基岩超前宽度为最大排土段高的0.6倍距离。

4.根据权利要求1所述的湿陷性黄土地基条件下的排土场安全控制方法，其特征在于：采用侧向约束措施时，沉降量最大为台阶高度的10%，在前120天完成全部沉降变形的80%，设定湿陷性黄土地基排土场排土段高为20m，分层间超前宽度15m。

5.根据权利要求1所述的湿陷性黄土地基条件下的排土场安全控制方法，其特征在于：所述堆载预压措施的操作方法是：在黄土赋存区域上填筑废石，使黄土提前完成湿陷变形。