排土场安全防护距离的探讨

摘 要：结合我国近年来排土场发生的滑坡事故。基于土力学、水力学等理论，分别建立刚体沿折面滑动模型，对威龙排土场的案例进行计算分析，对排土场滑坡体滑移距离进行了估算，并探究了滑坡体滑动中的几个关键问题，如扩散角、滑移体高度、残余强度等。

关键词：排土场；安全防护距离；刚体；滑坡体；高速滑动；动压力；

中图分类号：R142文献标识码： A

引言

我国是世界矿业大国，各类矿山排土场总数以万计。排土场一旦发生泥石流，往往造成特别重大的安全、环保事故。近年来发生的排土场滑坡事故，如永平铜矿排土场、本钢歪头山铁矿排土场、太钢尖山铁矿排土场等，均给下游人民生命财产造成特别重大的损失。排土场滑坡时突发性强，瞬时流量极大、流速高，虽历时仅数十秒，在排土场下游一定范围内其破坏力具有毁灭性。因此，在有限的应急处置时间内，在可能被排土场掩埋的范围里，使居民迅速撤离，保证有足够的安全防护距离是排土场应急避险的重要内容。

新堆置的排土台阶岩土松散，场地的沉降变形频繁，容易造成安全事故。排土场最终坡底线与其相邻的铁路、道路、场地、村镇等之间的安全防护距离与排弃物的性质、堆置高度、气候、和地理因素等都有关系，理论上防护距离大小应根据被保护对象的保护级别分别确定，实际上由于地形、地质、气象条件千变万化，很难提出一个万无一失的标准，目前相关资料和规范仅根据排土场下游的保护对象来确定安全防护距离不应小于排土总高度的1倍～2倍。本文根据滑坡是岩土体在重力驱动下的自然运动，滑坡体内每一个单元必须满足的质量和动量守恒方程，建立模型估算滑坡体滑移距离。

1 滑动模型

1.1刚体沿折面上的滑动

设滑移面为折面ABC，（如图1所示），滑坡体为刚性，失稳后沿AB面做直线加速度运动，再沿BC面做直线减速运动。

图1. 滑体沿折面滑动示意图

刚体在自重下沿AB面下滑可得出：

下滑力：， （1）

法向反力：， （2）阻滑力：，（3）

式中为摩擦角，c为凝聚力。

不平衡力：，（4）

加速度：

，（5）

初速度：，，（6）

末速度：

，（7）式中：，对大型坝坡滑动体而言，可忽略不计。故公式（7）可简化为：，（8）

由上式可知：在AB滑面上作加速度运动的必要条件是。滑速与、、相关。当时，；当时，滑速为零或作匀速运动。

设BC滑面，滑体呈减速度运动。

下滑力： ，（9）

法向反力：， （10）

阻滑力：，（11）

式中为摩擦角，c为凝聚力。则

不平衡力：， （12）

减速度：，(13)

初速度：,(8)

末速度：， （14）

滑移距离：，（15）

或， （16）

考虑到坝下游地形，则

上式还可以简化为：， （17）

为何土体滑动从临界安全状态起始，迅速转化为高速滑动，有以下几种观点：

①触变性：土力学中触变性指抗剪强度受扰动后大幅降低，静置后又恢复增长的性质（见图2）。

一般塑性较大的粘土，其触变性也大，但在触变性小的砂中，掺入少量的粘粒，就可以使砂粒具有非常明显的触变性。因高塑性粘土的抗剪强度可以仅用凝聚力C值来表示，故触变性常用表示，

， （18）

大多数粘土的值介于2-4之间。

图2触变示意图

由于滑坡体滑移速度极快，时间在数十秒内，滑移过程中，滑动体处于失重状态，不应考虑结构恢复后强度，宜采用结构破坏后强度C3，其触变性宜采用

，（19）

同时，对破碎后的废石排弃物而言，其强度宜用值表示。

②液化：砂性土有效粒径，不均匀系数的比较圆滑的砂粒，含有少量粘性土时，在一定条件下，饱和砂土受到突然动荷的作用，孔隙水压力突然增加，使砂粒之间不再接触，互不依靠的悬浮在水中，整个砂体呈悬液状态，完全失去抗剪强度，这是典型的液化。实际可能还存在部分的非液化，还有部分残余抗剪强度；

③汽化：饱和岩土滑动面（带）的摩擦生热，使孔隙水汽化，汽体压力足以支承岩土并起到作用，使摩擦力几乎降为0；

④气垫：滑坡体离开滑弧面后，由于地形的局部起伏，可使下部空气以气垫方式起支承作用，从而减小滑过该段的摩擦力。

综上所述，滑坡体起滑后，影响残余强度的因素非常复杂，值将大幅度下降，残余强度的取值应根据排弃物料的类型分别采用不同的数值。排土场护脚坝坝前区排弃物料较粗，其固结快剪强度值一般在24°左右，按残余强度为1/2考虑。取=12°，由于对滑移距离非常敏感，尚待实验进一步验证。

以四川中禾铁矿排土场滑坡事故为例，分析滑移距离计算情况：

1）、中禾铁矿：排土场总高度为260m，由下至上排弃废石，排土边坡角18°，；排土场下游地形坡度约5°， 087；滑移时残余强度取=12

，；

滑坡体滑移中的几个问题的探究

1、扩散角：

当排土场下游为宽阔的的坡地，滑坡体在滑移范围内仍处于高速运动时，因无侧向限制，而产生一定程度的扩散，在高速流体中，扩散角一般在10%左右，在计算撤离安全范围时，宜取。

2、滑移体高度：

滑移体在未滑动时，条带单宽体积为；当滑移后

由于滑坡体内存在前后速度差和沿程沉积，故滑坡体高度存在下降的趋势。

滑坡体不是同时沉积，而是沿程不断沉积。

滑坡体沉积范围远大于未滑动前的平均面积，沉积后的滑坡体体积不变，但厚度相差不大，最大厚度不超过平均厚度的一倍。最大厚度在扇形中心附近。

3、残余强度：

滑坡体滑移计算中最大的问题是岩土残余强度如何确定，由于缺乏试验研究，取值不当将产生较大误差，从威龙排土场滑移距离的实际情况通过试算，采用残余强度取=12°计算结果比较吻合实际。

4、撞击动压力：

滑坡体高速滑移时作用在建筑物上的动压力可用下式计算：

式中：─滑移体饱和岩土容重；

─滑坡体接触建筑物时的速度（m/s）；

─荷载系数；取为1.5

设饱和岩土容重20 ，速度为20

如此大的荷载，一般建筑物将无法抵挡。

5、拦挡坝：

为减小滑移区距离，减小下游污染范围，宜采取必要的工程措施进行拦挡。拦挡坝宜布置在计算滑移长度的1/2~3/4处，以减小拦挡坝的结构断面，和满足突发滑坡体的库容，并留有1.0m安全超高。

拦挡坝结构断面应能抵抗动压力的稳定安全，稳定性安全系数应大于1.35。

拦挡坝中间最大坝高处宜设泥石流通道，其断面能排除大滑坡后的溃坝流量，可按设计洪峰流量考虑。