第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着我国各类制造和建筑行业的不断发展，矿山事业也随之前进由于开采开发频繁，矿山弃土场的占地面积也越来越大，扩大速率为年占地 200~340 平方公里。虽然弃土场面积在逐渐增大，但我国对于弃土场的相关研究还处于初步阶段，尤其是对于弃土场边坡的稳定性研究更是浅显[1]。而缺乏理论指导最终导致的结果是弃土场的边坡由于自然或人为破坏导致事故频繁发生。如 2015 年12 月份，深圳出现了一次塌方面积为 10 万平方米的堆填土垮塌，造成 33 栋建筑物被损坏、失联人员多达 90 以上; 2011 年 2 月四川攀枝花市某矿业公司在其矿山 1 号弃土场中出现了滑坡事故，该事故共导致 6 人下落不明或遇难; 为著名的 frank 滑坡则发生在 1903 年，是由于地下的采矿矿洞坍塌造成的事故，该事故共造成 83 人死亡，影响面积达 100 多平方公里，附近村庄、铁路、高压电网、公路等数千米范围之内所有设施都受到了影响; sedlitz 流滑发生于 1987 年的德国东部，据事故的勘察报告可知该滑坡是由于弃土场边坡异化所造成的巨浪，极短的时间内形成的 9 米巨浪摧毁了周边设施，对周边居民的生命以及财产安全产生极大的威胁，在社会范围内引起不好的影响效果和巨大的经济损失[2]。由此可知在处理废弃土场的稳定安全的问题上，要进一步加强对安全施工的认识，所以如何加强稳定的施工措施研究是具有十分重大的意义的。
为了研究矿山的废弃土场形成原因以及其稳定性状，本文以湖北省某石灰岩矿场的废弃土场为主要研究对象。该弃土场的形成时间较早距今约有 40 多年，主要的废土矿渣为开采时期所剥离的废弃土壤为主。该弃土场的尺寸高约为 93米，占地面积为 52500 平方米，走向长度约为 320 米，坡脚 4 度到 60 度之间，共合计出总废土方量为 130×104 立方米。由于该弃土场年代久远，且边坡稳定性较差，所以对其坡下正在修建的绕城快速公路与其他临近的市民区耕地和场房造成了潜在威胁性，一旦边坡失稳滑坡不仅会直接损坏建筑物损毁，破坏正在修建的公路，还容易造成道路堵塞，甚至引发更加重大的事故，对当地居民的经济财产造成损失，威胁居民生命[3]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内外的主流研究方向
矿山作业中，露天的环境下弃土场的边坡稳定性与矿山安全生产有着重大的关联。其他施工作业相似，边坡稳定性主要在于环境与人为的影响因素[4]。但对于废弃土场而言施工过程中的外部环境因素是指地质条件、施工环境以及土壤层次性、动态的水文变化、矿山作业时所导致的土体运动、地上及地下水质资源、不稳定的岩土及地质变化等，要的内部因素是指矿山弃土场，边坡所堆砌的堆填物理化性质，土壤堆置时的方法和工艺等，除了内外部因素会导致边坡的稳定性改变外，人为的施工管控和施工计划，以及排土强度、安全防护措施和生产性的规划等等，都会导致弃土场边坡稳定性出现变化。上述各类原因，在地质和地理以及气候的不同条件影响下，都会是弃土场出现滑坡泥石流，造成环境污染的严重灾害。在矿山施工和生产的过程中，需要随时对弃土场边坡稳定性进行监控，采取有效的维稳措施，制定合理的防治计划[5]，目前国内外对矿山弃土场的研究主要来源于几个方面：
（1）对弃土场边坡渣滓的物料研究
在常规情况下，矿山的弃土场边坡所堆砌的渣滓物料形体特征主要为颗粒粒径、均匀度、湿度密度和渣滓的含土量特征可以衡量弃土场在受内力时所表现出来的不同变形和产生的荷载变化相互作用[6]。如废土场渣滓在堆排过程中，可能会由于外部受力而导致其发生一定的位移和滑移的变化，这些理化性质决定的就是弃土场变形时所产生的力学特点和分层性。把废土场堆砌物料时，不同的物料所受到的非线性力学特点是不一样的，主要考察方面有时间相关性条件的转换性和作用力、空间变异[7]。通过分析弃土场坡面角和岩石的安息角度，确定了一定的函数关系和松散系数，通过三轴试验，大型质检试验和密度含水性实验研究了弃土场松散物料的一系列受应力曲线，和其产生的物理性质。建立了一些不同的模型如 E-μ和 E-β模型，利用这些总结出来的模型来模拟弃土场物料散体所受到的力学变化。而通过对岩石块的分布和岩石堆放所产生的动力学原理研究，则可以利用块度组成和力学性质之间的影响关系，通过罗申-拉莫勒（R-R）函数和加庭-舒曼（G-S）函数对废土场物料的土块分布进行回归性分析，研究其规律，最后可得到物料散体的粒级组成与边坡的稳定性之间的函数关系[8]。
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第 2 章 弃土场的主要基本情况特征
2.1 地质环境条件
2.1.1 矿山基本概况
本文所研究的主要对象是湖北荆门市某大型石灰岩矿区的北部弃土场。根据前期基本资料显示，该矿区于 1971 年建立，全面停工关停于 2014 年，开采方式为全露天开采，汽车运输开拓为主。在停止开采前，该矿区的开采规模可达 300 万吨，开采总时长为 40 年，在长期的开采过程中，该矿区遗留了大量的老式矿区常见的环境问题。在时代发展过程中，顺应国家对于环境治理的响应，本文主要的研究方向就是对该矿场弃土场的环境治理工作以及边坡稳定性探究。该矿区的范围较大且存在大量的废渣，该弃土场的影响范围主要位于荆门市的城市规划范围之内，且紧邻该市的绕城快速公路，由于边坡的不稳定，一旦发生强降雨时，都有可能造成滑坡与泥石流现象而干扰公路的正常运营，引发地质灾害和变形，尤其对坡下所有的工业场区和居民居住区产生威胁对人民的生命和财产构成一定的危害，容易导致极大的危险后果。
2.1.2 自然地理概况
在矿区主要位于湖北省荆门山区东部的构造岩剥蚀区，整个地区内的地势走向为西北高东南低的形态，最高海拔为 560.30 米的胜景山，标高为 95-404. 8米。最大高差为上下差 310 米，且坡度为 8°~26°度，最大坡度可达 35°。
本地区属山区，随着热带大陆性季风气候而发生季节的变迁，主要位于汉江平原过度处，冬热夏冷，气候分明，夏季最高温可达 40 摄氏度，其中在七八月属高温区，1 月份为低温季最低温度可达零下 14 摄氏度。雨季主要位于 5~8月，降雨量平均1000毫米，据有记载显示，该地区最大降雨量为1980年的1510.8毫米，最小降雨量为 1981 年的 689 毫米，年平均水分的蒸发量在 1800 毫米之间最大蒸发量于 1978 年 1963.6 毫米。
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2.2 弃土场基本特征
根据实际的现场勘探资料和相关工程资料的分析，可以知道该目标弃土场的地质岩层构造与形态，还有边坡产生变化的特征。
2.2.1 边坡的地质结构类型
由于目标项目的特点较为突出，属于石灰岩矿区的弃土场，且该弃土场在作业施工时，主要以露天开采为主，因此其弃土场边坡的组成以剥离的碎石土废渣为主，粒级为 1-20 厘米少有超过 30 厘米，并且该废渣主要以多棱角的松散结构为主。弃土场的边坡整体呈结构完整稳定的石灰岩层，平面图如图 2-2为所示。
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第 3 章 弃土场极限平衡分析.......................... 21
3.1 引言............................21
3.2 破坏模式分析..........................21
第 4 章 弃土场数值模拟分析.......................29
4.1 FLAC3D简介...................................29
4.2 理论基础........................29
第 5 章 治理工程方案与设计............................. 47
5.1 治理工程方案初选与布置...............................47
5.2 治理方案确定.................................49
第 5 章 治理工程方案与设计
5.1 治理工程方案初选与布置
根据前文对于矿区弃土场边坡进行的稳定性分析，结果可以知道要保证坡面稳定，就是要保持在弃土场坡面的饱水状态下，尽量少产生堆渣体内部圆弧变形破坏[45]。与他相似工程进行横向类比，总结相同的边坡治理经验归纳出了为了维持待治理弃土场区内边坡的稳定，可以安排的方案有：
（1）方案一：对土方进行减载和科学支护、安排截排水渠、做好后期绿化措施和监测预警。具体实施标准：首先对需要治理的边坡坡顶削方清理后再减少堆渣体自重荷载，接着使用浆砌石铺设进行护坡，在坡脚的位置增加挡土墙支护，然后为了保持水土在坡面上种植草坪进行绿化。在针对强降雨的自然环境破坏，可以提前挖设必要的排水沟，将地表径流引流至自然沟渠排放[46]。要注意的是，在治理中与治理后期都必须安排人员监控和巡视已完成治理的弃土场边坡。
具体治理方案的施工步骤:1、按照一定的坡度比例，对边坡进行削除处理，自坡底至坡顶每 10 米设一道三米宽的平台；2、在坡脚处设置重力式浆砌石挡土墙 DT 1，对渣土进行围挡;3、在挡土墙前设置排水沟 PS1，着重引流地表径流，对平台内侧设置排水沟 PS2，用以截排，对靠近平台两侧和中间部分的位置踏步跌水 DS1；4、为保证边坡土壤不被雨水冲刷，这也是为了增加环境美化作用，采用浆砌石格构与草坪种植对坡面渣体进行生态防护;5、在方案实施过程中随时保持工程监测，具体施工剖面如下图 5-1 ~图 5-3 所示。
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第 6 章 结论与展望
6.1 结论
本文详尽分析了国内外的相关实际经验和文献资料研究，根据弃土场稳定边坡条件的特点进行了分析和防治施工措施的最新成果进行了研究，收集了目标弃土场的基础资料和现场勘探数据，掌握了治理弃土场边坡时所需要的地质环境数据和该边坡的基本特征。在基于弃土场相关的岩层物理学参数的情况下，尝试寻找合适的方案，对弃土场边坡稳定性进行治理。过通过直线分析，根据数值模拟出待治理边坡的自然情况和饱水情况下不同的两组数据模型。并对其两个状态的形态特征和稳定性进行了分析，通过查找资料与横向类比相关的施工方案得到了两个边坡稳定性围护的可行方案，即通过对土方进行减载和科学支护、安排截排水渠、做好后期绿化措施和监测预警的方案一。清理坡面、挡土墙与抗滑桩设置、布设截排水渠、进行后期绿化护坡与监测预警的方案二。通过比对这两种护坡方案可以发现，这两种方案仅在经济技术指标上有较大差异。进行施工设计。主要成果总结如下:
（1）本文运用 FLAC3D专业岩土分析软件对该弃土场进行了分析，用以确定该弃土场在自然情况下是否处于稳定现象。
（2）本文还通过极限平衡法分析该弃土场的变形现象，用以确定该弃土场在出现内部碎石土变形滑裂的情况是在饱水状态。
（3）针对于本项目的弃土场我们设计了很多施工治理方案，如：减少荷载自重的削方工程和支护、挡土墙工程、截排土工程法、格构护坡工程法、绿化工程法等等。
（4）我们针对弃土场的特点和实际情况，尝试提出了两种技术可行的治理方案。
（5）利用层次分析法和价值工程法最终我们决定采用方案一，即通过对土方进行减载和科学支护、安排截排水渠、做好后期绿化措施和监测预警的方案。
（6）本项目的治理方案不仅从技术经济的角度进行了专业设计，而且从工程实际情况和环境保护方面也做了综合考虑，进行了合理的施工设计，最终保证了该治理工程顺利实施。
参考文献（略）