路堤設(shè)計(jì)及幫坡穩(wěn)定性分析

周曉超，周 銘，呂林洪

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051)

0 引 言

銅街-曼家寨礦段露天采場南部出口處東西幫邊坡目前已產(chǎn)生滑移，使得東西幫道路及大坪選廠存在安全隱患，嚴(yán)重影響了人員作業(yè)安全和礦山經(jīng)濟(jì)效益。鑒于此，為解決南部出口幫坡滑移以及選廠運(yùn)輸問題，設(shè)計(jì)在南部出口堆置路堤進(jìn)行幫坡壓腳并實(shí)現(xiàn)原礦運(yùn)輸效益最大化。因此，為確保設(shè)計(jì)路堤幫坡參數(shù)合理、路堤安全穩(wěn)定，通過對(duì)極限平衡和數(shù)值仿真模擬角度借助Slide和Flac2D進(jìn)行了路堤邊坡穩(wěn)定性的綜合分析、相互校核驗(yàn)證比較，確保設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，以期為露天采場路堤的設(shè)計(jì)與施工提供可靠的設(shè)計(jì)參數(shù)和依據(jù)。

1 工程概況

銅街-曼家寨礦段露天采場南部出口處東西幫由于受F0、F1斷層影響加之工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，東西幫幫坡出現(xiàn)滑移，已影響到了露天采場南部出口、東西幫道路及大坪選廠原礦堆場的安全，為解決露天采場南部出口幫坡滑移安全隱患，同時(shí)兼顧解決大坪選礦廠原礦運(yùn)輸距離遠(yuǎn)、道路運(yùn)行條件差、運(yùn)量有限等問題，擬在銅街-曼家寨礦段露天采場南部出口堆置路堤，該路堤兼具東西幫幫坡壓腳及原礦運(yùn)輸?shù)缆饭δ?，路堤橫斷面為梯形斷面，下底堆置寬度約480 m、標(biāo)高890 m、路堤頂寬31 m、堆置高度100 m，路堤南幫設(shè)置4個(gè)臺(tái)階，北幫設(shè)置5個(gè)臺(tái)階，南北幫臺(tái)階坡面角均為30°，南幫 (外坡)幫坡角19°，北幫(內(nèi)坡)幫坡角21°，路堤總土石方量263．91萬 m3(其中填方262．35萬m3，挖方1．56萬 m3);路堤最低堆置標(biāo)高890 m，路堤北西面為銅街-曼家寨礦段露天采場(正在生產(chǎn))，北東面、東南面為銅街-曼家寨礦段露天采場排廢運(yùn)輸?shù)缆?，西面為大坪選礦廠，西南面為大坪選礦廠配套萬龍山尾礦庫(距離路堤坡腳最近距離約180 m);路堤由下至上分層填筑，下部壓實(shí)度不小于80%，上部(8 m)范圍內(nèi)壓實(shí)度不小于93%。

根據(jù)《GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A的規(guī)定，該工程抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0．05 g，地震分組為第一組，進(jìn)行了堤壩邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算，天然狀態(tài)下具體巖土層力學(xué)參數(shù)見表1。該分析選擇沿溝谷方向最易發(fā)生滑坡失穩(wěn)的剖面I-I作為邊坡穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)，路堤平面布置及幫坡穩(wěn)定性驗(yàn)算剖面見圖1。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Physical-mechanics parameters of rock and soil layer

圖1 路堤平面及邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算剖面Fig.1 Cross section of stability checking calculation of embankment plane and slope

2 Slide邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 基本理論

極限平衡分析方法是依托靜力平衡原理，將邊坡上的滑體進(jìn)行條分，根據(jù)極限狀態(tài)下滑體條受力和力矩的平衡來分析邊坡的穩(wěn)定性［1］。該方法未考慮巖土體應(yīng)力-應(yīng)變性質(zhì)，所求的安全系數(shù)只是反映假定滑面的指標(biāo)，并不能反映巖土體破壞機(jī)理，僅為一種綜合近似解，但力學(xué)模型簡單，有系統(tǒng)規(guī)范指導(dǎo)［2］。

Slide軟件是由加拿大Rocscience開發(fā)的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算軟件(2D limit equilibrium slope stability for soil and rock slopes)。Slide軟件是一個(gè)二維的評(píng)價(jià)土體和巖石邊坡中圓弧和非圓弧滑動(dòng)面狀況的計(jì)算程序軟件，已廣泛應(yīng)用于露天礦山邊坡、公路邊坡和堤壩等的穩(wěn)定性計(jì)算與分析［3］。因此，該設(shè)計(jì)采用基于極限平衡理論的邊坡穩(wěn)定計(jì)算軟件Slide對(duì)銅曼露天采場內(nèi)堤壩邊坡建立了仿真建模與系統(tǒng)計(jì)算和分析。

2.2 排土場2D仿真模型建立

根據(jù)礦山提供的地勘資料，運(yùn)用Slide建立2D模型見圖2。

圖2 路堤幫坡穩(wěn)定性分析2D模型Fig.2 2D model of stability analysis for embankment slope

2.3 Slide邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果與分析

該設(shè)計(jì)考慮天然、天然地震、降雨、降雨地震4種工況，利用Slide軟件對(duì)建立的模型進(jìn)行計(jì)算，得到最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的安全系數(shù)。該驗(yàn)算考慮TR100卡車一輛滿載荷和一輛空車作用于路堤同一橫斷面邊坡4種不同工況下的穩(wěn)定狀態(tài)，所得路堤邊坡不同工況、驗(yàn)算方法下安全系數(shù)見表2。

鑒于篇幅所限，該文只列出了降雨地震工況下MP法的路堤邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，見圖3、圖4。

由Slide極限平衡計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)TR100一輛滿載和一輛空車作用于路堤同一橫斷面時(shí)，在天然、天然地震和降雨、降雨地震4種不同工況下計(jì)算云圖滑移面和安全系數(shù)［FS］＞1．15，處于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合圖3、圖4得出，路堤北部幫坡最危險(xiǎn)滑移面發(fā)生在邊坡內(nèi)部而南部幫坡發(fā)生在坡頂。但安全系數(shù)Morgenstern-Price法較Bishop法、Spencer法都偏小，這主要是因?yàn)镸orgenstern-Price法為嚴(yán)格條分法，滿足水平、垂直方向的力和力矩的平衡，靜不定方程中多余未知量的假定并不是任意的，符合巖土體的力學(xué)特性［4］。由表1還可以看出，降雨+地震工況下較天然狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)偏小、滑動(dòng)區(qū)域增大，這主要是因降雨改變了邊坡體的力學(xué)性能而削弱了巖土體的強(qiáng)度參數(shù)，同時(shí)浸水、地震荷載使滑移面的剪應(yīng)力增大，而地震擾動(dòng)又是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的因素。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)路堤幫坡的監(jiān)測(cè)并采取有效的排水措施以保證、提高路堤幫坡穩(wěn)定。

表2 極限平衡法路堤幫坡安全系數(shù)Tab.2 Safety factors embankment and slope obtained by limit equilibrium method

圖3 MP法路堤北部幫坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果(FS=1.206)Fig.3 Stability calculation results of north slope by MP(FS=1.206)

圖4 MP法路堤南部幫坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果(FS=1.185)Fig.4 Stability calculation results of south slope by MP(FS=1.185)

3 FLAC2D邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 基本理論

有限差分強(qiáng)度折減考慮了巖土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，可反映真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變情況以及邊坡破壞的漸變過程，通過巖土體參數(shù)的不斷折減達(dá)到臨界破壞狀態(tài)求得邊坡的安全系數(shù)［5］。

Duncan(1996)指出邊坡安全系數(shù)可以定義為使邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)，對(duì)土的剪切強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度。強(qiáng)度折減即通過逐步減小抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，將c、φ值同時(shí)除以折減系數(shù)Fsr，得到一組新的強(qiáng)度指標(biāo)c'、φ'，然后進(jìn)行有限差分分析，通過不斷改變折減系數(shù)進(jìn)行試算直至邊坡達(dá)到極限狀態(tài)發(fā)生剪切破壞，此時(shí)采用的強(qiáng)度指標(biāo)與巖土體原來具有的強(qiáng)度指標(biāo)之比即為該邊坡的安全系數(shù) Fs［6～7］。公式如下:

3.2 建立幾何模型

根據(jù)路堤設(shè)計(jì)橫剖面圖，對(duì)其進(jìn)行簡化處理抽象出模型，將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到實(shí)際邊坡在無限延伸的，要繼續(xù)模擬堤壩邊坡穩(wěn)定性，所以對(duì)邊坡進(jìn)行兩端加長和底部加厚處理而最終得到的模型，對(duì)實(shí)際邊坡進(jìn)行等比例縮小，建立網(wǎng)格，可得到模型邊坡網(wǎng)格劃分，見圖5。

圖5 路堤模型邊坡網(wǎng)格劃分圖Fig.5 Slope mesh generation chart of embankment model

3.3 FLAC強(qiáng)度折減計(jì)算結(jié)果

降雨地震下路堤幫坡剪應(yīng)變率等值線圖和速度矢量圖見圖6、圖7、圖8、圖9。剪應(yīng)變率等值線表示剪切破壞面，即是邊坡變形潛在滑坡破壞面的位置。通過FLAC2D進(jìn)行驗(yàn)算后，路堤南北部最危險(xiǎn)滑動(dòng)面分別發(fā)生在坡頂和內(nèi)部，安全系數(shù)在天然、天然+地震、降雨、降雨+地震下均大于規(guī)程規(guī)定的邊坡穩(wěn)定系數(shù)1．15(見表3)，目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 路堤南部幫坡剖面剪應(yīng)變率等值線云圖(FS=1.17)Fig.6 Isoline cloud chart of shear strain rate of south slope profile(FS=1.17)

圖7 路堤南部幫坡剖面速度矢量圖Fig.7 Velocity vector diagram of south slope profile

圖8 路堤北部幫坡剖面剪應(yīng)變率等值線云圖(FS=1.19)Fig.8 Isoline cloud chart of shear strain rate of north slope profile(FS=1.19)

圖9 路堤北部幫坡剖面速度矢量圖Fig.9 Velocity vector diagram of north slope profile

表3 FLAC強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results obtained by FLAC strength reduction method

4 結(jié) 語

2種不同計(jì)算方法各工況的安全系數(shù)對(duì)比見表4。

表4 不同計(jì)算方法路堤幫坡安全系數(shù)對(duì)比表Tab.4 Comparison of safety factors of embankment slope obtained by different methods

續(xù)表4

由表4看出基于靜力平衡原理的極限平衡法和考慮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的Flac2D強(qiáng)度折減法計(jì)算的路堤幫坡在不同工況下最危險(xiǎn)滑移面位置非常接近，安全系數(shù)相差很小，2種方法不僅相互驗(yàn)證相互補(bǔ)充，而且從工程熟悉的安全系數(shù)和邊坡巖土體應(yīng)力應(yīng)變角度進(jìn)行了路堤幫坡穩(wěn)定綜合分析，為路堤設(shè)計(jì)提供了理論支撐，更好地指導(dǎo)現(xiàn)場路堤設(shè)計(jì)、施工［8-9］。

根據(jù)《GB 50421-2007有色金屬礦山排土場設(shè)計(jì)規(guī)范》［10］，排土場邊坡穩(wěn)定系數(shù)FS取值宜取1．15～1．3，結(jié)合被保護(hù)對(duì)象的等級(jí)確定，當(dāng)被保護(hù)對(duì)象為失事后使村鎮(zhèn)遭受嚴(yán)重災(zāi)害時(shí)，F(xiàn)S取1．3;當(dāng)被保護(hù)對(duì)象為失事后不致造成人員傷亡或者造成經(jīng)濟(jì)損失不大的次要建構(gòu)筑物時(shí)，F(xiàn)S取1．2;當(dāng)被保護(hù)對(duì)象為失事后損失輕微時(shí)，F(xiàn)S取1．15?？紤]該路堤幫坡的特點(diǎn)及與周邊環(huán)境關(guān)系，該路堤幫坡安全系數(shù)＞1．15即為穩(wěn)定的。通過Slide極限平衡法和FLAC強(qiáng)度折減法綜合分析得出:該路堤幫坡最不利工況條件下安全系數(shù) FS為1．17，＞1．15，說明路堤是穩(wěn)定的，設(shè)計(jì)參數(shù)合理，但同時(shí)應(yīng)注意以下問題。

(1)運(yùn)用Slide和FlAC 2D對(duì)路堤幫坡進(jìn)行了荷載作用下不同工況的穩(wěn)定性分析表明，路堤幫坡安全系數(shù)［FS］＞1．15處于穩(wěn)定狀態(tài)，路堤北幫最危險(xiǎn)滑移區(qū)發(fā)生在中部，而南幫最危險(xiǎn)滑移區(qū)發(fā)生在坡頂處;當(dāng)車輛荷載增加時(shí)邊坡頂部沉降量增加，使得幫坡面滑移區(qū)存在貫通趨勢(shì)，惡化幫坡的整體穩(wěn)定，必須嚴(yán)格控制路堤頂部車輛荷載。

(2)降雨+地震下安全系數(shù)明顯降低，因此，應(yīng)完善路堤內(nèi)、外部排水設(shè)施，有效疏排大氣降水。

(3)在堆排過程中應(yīng)按設(shè)計(jì)要求碾壓，增大路堤粘聚力進(jìn)而提高邊坡整體穩(wěn)定，并對(duì)路堤南幫坡頂處及北幫中部地段進(jìn)行位移、沉降監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)預(yù)報(bào)可能出現(xiàn)的滑坡等災(zāi)害。

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