7.1 主动防护

    研究表明，排土场过程及终了状态下的稳定性与排土工艺(排弃方式、堆置分段、排土顺序)和地形(沟谷或坡地)及地基承载力密切相关。采用事先动态控制措施，遏制、终结变形与破坏的启动，确保全过程安全，归类于主动防护，属事前控制。

    本规范的服务对象主要是排土场设计，同时亦具备对生产管理的指导和借鉴。因此，排土场设计规范编制中，为保证措施的适应性和有效性并考虑生产的可接纳度，将安全防护分为主动防护和被动防护。

    主动防护是排土场规划和施工图设计阶段提出的设计预案。被动防护则是生产阶段基于排土场病害特征提出的治理对策。本节主要讨论的是主动防护。归纳总结分析排土场破坏特征机理，软弱地基、复杂地形、陡倾是滑坡和滚石等灾害的主要因素。

    确保建(构)筑物变形(影响结构功能性)和应力(超过极限强度后的安全失稳)安全是工程结构可靠性设计的基本要求。这对土场上部有建(构)筑物时是适用的，但冶金矿山排土场工程安全威胁的对象是土场上部工程机械和坡脚影响范围内的村庄、交通设施及建(构)筑物。就排土场而言，自身散体结构及其功能上应允许变形和裂缝的出现，没必要也不可能限制，毕竟全过程变形历时多年才能完成，且沉降系数高达1.1～1.2，并伴随裂缝产生。

    因此区别于建筑边坡，基于对周边环境的影响后果(程度和范围)，从排土场边坡与基底的相互作用机制出发，采用允许变形的设计原则和可终止破坏的理念，符合经济性与安全性兼顾的要求。稳定性调控应弱化功能性、安全性、适应性不强的被动措施，结合排土过程，采取料源控制、推进方式等事先主动调控——疏导界面排水，合理使用排土空间，调整土场生成过程的时空关系，控制排土速度，确保过程安全和终了状态稳定。

    排土体荷载作用下，软弱地基由于压缩性大、孔隙比大、渗透性小、强度低，宏观上表现为竖向压缩变形，水平向挤出变形的剪切破坏。设计或既有规范要求清除或改良加固软弱地基或减小排土高度(减少容量)，带来很大投资和牺牲排土空间，难以为矿山所接受。

    堆载预压提高“地基承载力”的机理，一是排出土体中的孔隙水而固结，有效应力增加；一是密实土体减小孔隙率，土体颗粒重新排列和充填而提高骨架结构提高抗剪强度。因此控制排土场第一台阶高度，预压地基，提高“地基承载力”，并将第一台阶作为后续台阶的“基础”。

    堆载预压后强度由太沙基固结强度确定：

    式中：
         △σ₁——在外压力P作用下，土层中某点的最大主应力增量(kPa)；

          U——土的固结度；

          M——有效摩擦角函数；

          H——剪力作用下，土强度衰减系数；

          τ₀——即为C_u；

          C_v——土的固结系数；

          h——地基土厚度。

    尖山铁矿南排土场地基湿陷性黄土下伏粉质黏土、粉土等，确定的第一台阶堆高为：H₂＝10^-4Ccotφγ^-1[tan²(45＋φ/2)e^πtanφ—1]＝9.25(m)。

    在分析滑坡特征后，改变排土工艺，以9m高废石作为预压荷载，堆放在黄土地基上，以密实土体改善黄土骨架结构，达到提高抗剪强度的目的。进一步，依次按19m，26m分层预压。其显著的变化是，原来单台阶50m[＜9＋19＋26＝54(m)]就发生地基整体剪切破坏，牵引上部土场坐落滑移的现象基本消失。成功的关键在于：在这种软弱地基上，控制第一台阶高度，作为地基预压荷载，可提高地基强度，并将第一台阶作为后续台阶的“基础”，依次类推。

    基于经验数据总结，为保证第一台阶的稳定性，避免其变形和破坏可能引起整个土场的松动和破坏，现行国家标准《有色金属矿山排土场设计规范》GB 50421-2007规定“软土地基上第一台阶不超过20m～25m。当基底为倾斜的砂质黏土，不应大于15m”是符合工程实际的。

    控制第一台阶高度，以其预压地基提高强度的调控机制，是空间效应和太沙基1936年就提出的有效应力原理的完美结合。这也是“岩土力学来源于实践，服务于工程”所应走的技术路线。

7.1.2  排土场利用沟谷或坡地上形成。工程实践往往追求路线最短和就近原则，由近及远推进，形成了排土场的单台阶式、多台阶覆盖式和多台阶压坡脚式，也造就了随处可见的潜在危害，如黄土梁侧壁凌空，坡脚底鼓环境土无约束，牵引上部土场坐落滑移；或侧向挤压基础坡趾导致滑移底鼓。其结果是，排土作业终止，采取被动措施(削方减载)来调控安全，得不偿失。排土场形成过程中就合理使用排土空间，完全可以实现“无为而治”。

    合理使用排土空间表现在三个方面：一是针对同一排弃点不同高差关系，自下而上，形成多台阶覆盖式；二是针对同一排弃点不同平面位置关系，由远及近。这两者利用岩土固结理论，前者是固结压力，后者是固结时差，目标是形成稳定坡脚。三是针对多个平面排弃点，对称、均匀推进，对称加载，避免偏压。

7.1.3  排土空间合理使用包括控制排弃顺序，调整自身组构分级、分层，避免因排土强度的不均衡性和排弃岩性的差异而形成水平或倾斜的软弱结构层。水平分层导致竖向渗透性改变，出现暂时饱和特征，导致上层滞水，兼之湿化和破碎协同作用后，孔隙率和渗透性降低，诱发弱层形成，这一点在安太堡排土场滑坡得以充分证实；受岩性和密度、形状和尺寸的影响，废石沿坡面滑、滚及分选导致的倾斜分层，是其自组织过程导致顺层的岩、土交错面，倾角大致等于自然安息角。局部滑坡明显的顺层擦痕倾角可充分证实这种倾斜分层的危害。因此宜对不同岩性废石料采取分区跳跃点排法，防止贯通的弱面形成。

7.1.4  由于排土方式和地形限制，实际的排土过程往往曲线推进。在追求最大容量时，其坡面以平面凸形体现；在排土速度过快时，垂直面往往突破常规的平直坡面而在中上部突凸。其结果是导致平台沉降过快的局部坍塌随时发生。如峨口铁矿1816m排土台阶，其关键原因除了空间凸形的分散作用，也与作业面狭小(排土线长度过短)导致排土速度(强度)过快相关。因排弃强度过大造成平台沉降过大或直线形土场局部坍塌，因此控制排土线的推进速度(单位时间、单位排土线长度的废石流量)则是保证平台作业安全的关键。

    推进速度根据单位时间、单位排土线长度的废石流量确定，确保排土料固结度能满足平台稳定。单段排土速度可通过现场监测统计分析，或由式(7)估算。

    式中：
          H——排土段高(m)；

          α——单段土场坡面角(°)；

          t——固结时间。

    其他符号同前。

7.1.5  沟谷型及地形坡度较大的排土场容易发生滑坡与滚石灾害，且具有沿接触面滑坡的潜在危害。一般需要考虑设置堆石坝，堆石坝坝基及坝体下部宜采用刚性设计，防止发生接触面滑坡危害。上部可采用钢筋笼护坡。