弓長嶺露天鐵礦大陽溝排土場邊坡穩(wěn)定性分析*

張 濤 馬 寧 陳慶豐 張 偉 曾 東

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院)

在露天礦生產(chǎn)中，排土場的穩(wěn)定性是礦山管理者需要考慮的重要問題。排土場一旦發(fā)生滑坡，后果嚴(yán)重。不僅會影響露天礦的正常生產(chǎn)，甚至?xí)叩阶鳂I(yè)人員及其財產(chǎn)的安全。隨著排土場堆高的不斷增加，軟弱層的出現(xiàn)，其穩(wěn)定性更成為了一個不可忽視的問題。不同的排土場有著不同的穩(wěn)定性影響因素［1］，因而需要具體分析。

郝哲等人［2］利用Geo－Slope數(shù)值模擬軟件對現(xiàn)狀工況下的排土場邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬，但并沒有涉及到軟弱層對邊坡穩(wěn)定性的影響。陳鵬等人［3］運(yùn)用極限平衡法和有限單元法對簡單的排土場算例進(jìn)行了分析和模擬。結(jié)果表明排土場存在軟弱層時，結(jié)合以上2種方法得到的結(jié)果更可靠，但并未對該算例展開進(jìn)行詳細(xì)的穩(wěn)定性模擬。徐燕等人［4］采用極限平衡法對繼續(xù)以單臺階方式排土的排土場與目前排土場的穩(wěn)定性作了模擬分析，結(jié)果顯示變化不大，但巖土體并不包括軟弱層。本研究則重點(diǎn)考慮對含有軟弱層的現(xiàn)狀和極限堆高2種工況下的邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬。

1 工程勘察

1.1 工程概況

大陽溝排土場作為弓長嶺礦業(yè)公司重要的排土場之一，位于高山下部西端，即原三道嶺采場和三道嶺下部采場之間的溝谷，目前主要接受何家采區(qū)廢石，采用汽車—推土機(jī)的排土工藝，從1981年開始使用至今。目前排土場最大標(biāo)高為436 m，最小標(biāo)高為255 m，設(shè)計最終標(biāo)高為400 m，最大邊坡角為39°，排土場南側(cè)為順坡向，原始地形坡度16°～26°，排土場西南部已到界，西北部有小部分的排土空間，整個排土場西部界線越過山谷，排至山坡腰間，排土場南側(cè)分布著選礦廠及尾礦庫。另外巖場界線南側(cè)有居民區(qū)及公路。因此，若發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，會對人民生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅［5］。

1.2 地層劃分

通過地質(zhì)雷達(dá)探測手段和現(xiàn)場大面積原位直剪試驗、工程地質(zhì)測繪、工程地質(zhì)勘探、圓錐動力觸探等勘察技術(shù)，可將地層特點(diǎn)分列如下。

(1)人工排棄物。①廢石排棄物:在穩(wěn)定性計算時，可根據(jù)排棄物巖土體密實(shí)程度的不同將其劃分為松散、半壓實(shí)、已壓實(shí)3類來進(jìn)行分析。②殘破排棄物:排土場南側(cè)分布著尾礦庫，其主要成分為尾細(xì)砂，混有少量尾粉砂，稍濕，平均厚度為3.60 m，最大厚度達(dá)15 m，堆積厚度不盡相同，且位于影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵區(qū)域(坡腳處)。綜合考慮，此尾礦庫對排土場的穩(wěn)定性影響較大，因而可將其視為該排土場的軟弱層。

(2)天然地層?；◢弾r:根據(jù)其風(fēng)化程度和破碎等級而劃分為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化，并以中風(fēng)化的花崗巖為主。

2 排土場穩(wěn)定性分析方法

2.1 安全系數(shù)的選取

考慮到大陽溝排土場下游有居民區(qū)、尾礦庫、選礦廠和盤山公路等，失事后會對居民區(qū)造成嚴(yán)重的災(zāi)害，因而根據(jù)《有色金屬礦山排土場設(shè)計規(guī)范》［6］之規(guī)定，選取安全系數(shù)Ks=1.3。進(jìn)一步細(xì)化，定義邊坡穩(wěn)定性狀態(tài):若穩(wěn)定性系數(shù)Ks≥1.30，則排土場的狀態(tài)為穩(wěn)定;若1.20≤Ks＜1.30，則為基本穩(wěn)定;若1.10≤Ks＜1.20，則為欠穩(wěn)定;若1.00≤Ks＜1.10，則為穩(wěn)定性差;若Ks＜1.00，則為不穩(wěn)定。

2.2 滑坡模式的分析

排土場的滑坡模式可分為3種，即排土場內(nèi)部滑坡、沿地基接觸面的滑坡和軟弱地基底鼓引起的滑坡［7］，現(xiàn)對大陽溝排土場的滑坡模式具體分析。

(1)排土場內(nèi)部滑坡。排土場內(nèi)部的滑坡多數(shù)與物料的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，其主要出現(xiàn)在排土場的局部邊坡(即臺階邊坡)上，且規(guī)模不大。大陽溝排土場現(xiàn)狀工況下的滑坡因邊坡內(nèi)部介質(zhì)相對較均勻，且個別臺階堆置角度為39°，故可能會發(fā)生這種滑坡。

(2)沿地基接觸面的滑坡。當(dāng)山坡形排土場的基底傾角較陡，排土場與基底接觸面之間的抗剪強(qiáng)度小于排土場物料本身的抗剪強(qiáng)度時，易產(chǎn)生沿基底接觸面的滑坡。大陽溝排土場原始基巖面與邊坡面傾斜方向相反，故出現(xiàn)這種滑坡的可能性不大。

(3)軟弱地基底鼓引起的滑坡。由于地基中軟弱層受上覆排棄物壓力作用而發(fā)生破壞，地基中出現(xiàn)巖層滑移現(xiàn)象，從而牽引排土場滑坡。大陽溝排土場南側(cè)尾礦庫因厚度較大，物理力學(xué)性能較差，抗剪強(qiáng)度較低，容易發(fā)生此類滑坡。

綜上所述，大陽溝排土場邊坡在現(xiàn)狀工況下可能發(fā)生內(nèi)部滑坡;在極限堆高工況下將會發(fā)生由軟弱地基底鼓引起的滑坡。

2.3 假設(shè)條件

在分析、模擬中，主要做了以下假定:①巖土體為均質(zhì)、各向同性，符合摩爾－庫倫彈塑性模型;②根據(jù)大陽溝排土場的實(shí)際工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，不考慮降雨入滲、地震等外界因素的影響。

2.4 邊界條件

①左右邊界均為水平約束，即各個邊界的水平位移均為零。②底部邊界為固定約束，即水平、鉛直位移均為零。③頂部及坡面為自由邊界。

2.5 巖土體參數(shù)

按照試驗的統(tǒng)計結(jié)果，根據(jù)規(guī)范，結(jié)合其他礦山的經(jīng)驗，確定了計算所需的巖土體參數(shù)見表1。

表1 排土場巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3 現(xiàn)狀工況下的穩(wěn)定性分析

3.1 計算模型

根據(jù)工程實(shí)際情況，共選擇8條剖面，現(xiàn)以排土場南坡，且后期部分排巖體(渣土)覆蓋于軟弱層之上的2－2剖面為例進(jìn)行分析。根據(jù)排土場現(xiàn)狀工況下的平面圖、現(xiàn)場實(shí)測地形剖面圖和工程地質(zhì)剖面圖，參照物料堆積的年份不同與密實(shí)度差別，對排土場邊坡進(jìn)行分層，獲得現(xiàn)狀工況下的計算幾何模型，見圖1。

3.2 計算結(jié)果

對該計算模型分別進(jìn)行極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法的穩(wěn)定性模擬分析，內(nèi)部滑動模擬結(jié)果見圖2～圖4。

圖1 計算模型(現(xiàn)狀工況)

圖2 Geo－Slope模擬所得危險滑面

圖3 FLAC2D模擬所得塑性區(qū)

圖4 FLAC2D模擬所得X向位移

3.3 結(jié)果分析

由2種軟件模擬的結(jié)果表明，現(xiàn)狀工況下排土場邊坡的破壞區(qū)域較大且較為集中，構(gòu)成了潛在的滑移面，均出現(xiàn)在坡面附近;圖3可以看出:在坡肩處，出現(xiàn)小范圍的拉力帶，圖4中滑動面X向位移最大為0.5 m，滿足要求，因此，破壞形式主要表現(xiàn)為剪切破壞和拉裂破壞。

對軟弱層來說，其上覆部位不存在表土層，且從圖2～圖4中可以看出軟弱層并未對邊坡的塑性區(qū)和X向位移造成影響。依據(jù)Geo－Slope軟件模擬所得的安全系數(shù)是1.295;依據(jù)FLAC2D軟件所得的安全系數(shù)是1.28，均大于規(guī)范所要求的最小安全系數(shù)，也符合該排土場細(xì)化后所定的安全系數(shù)，故此時的排土場是基本穩(wěn)定的。

4 極限堆高工況下的穩(wěn)定性分析

根據(jù)室外勘察資料得知，排土場范圍內(nèi)已壓實(shí)排巖體厚度一般為0.5～2.4 m，應(yīng)定義為薄表土基底，部分狹窄溝谷可不受該限制，其極限堆高決定于基巖強(qiáng)度參數(shù)，表土層不起作用。因而，可在確定邊坡角(根據(jù)自然安息角等定為30°)的情況下，通過調(diào)整穩(wěn)定性系數(shù)來協(xié)調(diào)確定極限堆高.最終確定的極限堆置標(biāo)高為排土場的最大標(biāo)高436 m。

4.1 計算模型

計算模型見圖5。

圖5 計算模型(極限堆高工況)

4.2 計算結(jié)果

對該計算模型分別進(jìn)行極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法的穩(wěn)定性模擬分析，內(nèi)部滑動模擬結(jié)果見圖6～圖9。

圖6 Geo－Slope模擬所得危險滑面

圖7 FLAC2D模擬所得塑性區(qū)

圖8 FLAC2D模擬所得X向位移

圖9 FLAC2D模擬所得最大剪應(yīng)變增量

4.3 結(jié)果分析

由2種軟件模擬所得的結(jié)果可見，極限堆高工況下，邊坡的破壞區(qū)域明顯增大并且構(gòu)成潛在的滑移面，滑移面深入到表土內(nèi)部較多。塑性區(qū)主要分布在最大剪應(yīng)變增量帶。

因軟弱層的存在，邊坡在排巖體自身重力和軟弱層的共同作用下，坡腳的軟弱層內(nèi)部發(fā)生圓弧形滑移和剪切破壞。從圖8可以得到:軟弱層外側(cè)的X向位移最大為0.7 m，軟弱層內(nèi)側(cè)的X向位移最大為0.2 m，且沿著軟弱層共同滑動，故該軟弱層在上覆表土的載荷作用下，發(fā)生滑坡的可能性較大。從圖9可以看出:邊坡的最大剪應(yīng)變增量在坡肩、坡腳處為0.02，滑移面中部的最大剪應(yīng)變增量為0.08，此剪應(yīng)變增量帶下端在軟弱層內(nèi)部呈圓弧形;邊坡內(nèi)部也產(chǎn)生了1條剪應(yīng)變增量帶，該增量帶下端和軟弱層內(nèi)側(cè)相連。

進(jìn)一步將圖8和圖9的結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，上述剪應(yīng)變增量帶的形狀和X向位移圖一致，位置是在邊坡中產(chǎn)生變形較大的區(qū)域。這一區(qū)域內(nèi)的坡體最薄弱，最可能發(fā)生破壞。依據(jù)Geo－Slope軟件模擬所得的安全系數(shù)是1.226;依據(jù)FLAC2D軟件所得的安全系數(shù)是1.21，均大于規(guī)范所要求的最小安全系數(shù)，也符合該排土場細(xì)化后所定的安全系數(shù)，故該排土場邊坡是基本穩(wěn)定的。

5 結(jié)論

(1)大陽溝排土場邊坡在現(xiàn)狀工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài);在極限堆高工況下，排土至其極限堆置標(biāo)高436 m時，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)極限堆高工況下大陽溝排土場邊坡軟弱層中出現(xiàn)的圓弧形滑動及其所引發(fā)的雙線條剪切滑動面的主要原因是軟弱層的物理力學(xué)強(qiáng)度特征較低，及其受到上部排巖體的荷載作用較大，繼而導(dǎo)致軟弱層產(chǎn)生塑性屈服并引起邊坡沿基底滑移。因此軟弱層產(chǎn)生剪切滑動破壞，上覆排巖體產(chǎn)生拉剪破壞。

(3)排土場軟弱層的有無及其位置對排土場邊坡滑動面的位置和形狀有較大的影響:現(xiàn)狀工況下軟弱層的位置對排土場邊坡穩(wěn)定性沒有影響，而在極限堆高工況下軟弱層的位置則影響著邊坡穩(wěn)定性。隨著排巖體堆置高度的增大，邊坡產(chǎn)生剪切破壞的范圍從坡腳附近擴(kuò)大到邊坡內(nèi)部并逐漸向上擴(kuò)展;邊坡整體出現(xiàn)破壞趨勢的排巖體范圍增大。

［1］ 石建勛，劉新榮，廖紹波，等.礦區(qū)排土場堆載對邊坡穩(wěn)定性影響的分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2011，28(2):258-261.

［2］ 郝 哲，孫俊紅，馮鴻寬，等.弓長嶺鐵礦排土場邊坡穩(wěn)定性評價［J］.礦業(yè)工程研究，2012，27(2):58-63.

［3］ 陳 鵬，陳鵬飛.露天礦排土場邊坡穩(wěn)定性分析［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2010，29(6):1028-1031.

［4］ 徐 燕，佴 磊，丁黃平.南芬鐵礦大東溝排土場穩(wěn)定性分析與治理對策［J］.金屬礦山，2007(4):19-22.

［5］ 郝 哲，馮鴻寬.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司弓長嶺露天鐵礦大陽溝排土場綜合穩(wěn)定性評價報告［R］.沈陽:遼寧有色勘察研究院，2011.

［6］ 中國有色金屬工業(yè)協(xié)會.GB 50421—2007 有色金屬礦山排土場設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2007.

［7］ 楊勝利，王云鵬.排土場穩(wěn)定性影響因素分析［J］.露天采礦技術(shù)，2009(3):4-7.