基于強度折減有限元法的排土場邊坡穩(wěn)定性分析

張利軍 母傳偉 何方維

(1.哈爾濱市第二建筑工程公司;2.中冶沈勘秦皇島工程技術有限公司)

基于強度折減有限元法的排土場邊坡穩(wěn)定性分析

張利軍1母傳偉2何方維2

(1.哈爾濱市第二建筑工程公司;2.中冶沈勘秦皇島工程技術有限公司)

排土場邊坡穩(wěn)定性是影響礦山安全生產(chǎn)的重要因素之一。為了給排土場安全生產(chǎn)提供可靠的理論依據(jù)，選擇排土場邊坡典型剖面建立數(shù)值模型，用Ansys強度折減法對邊坡變形破壞機制及演變進行數(shù)值模擬，繪制邊坡數(shù)值模型塑性應變云圖。通過不斷變化模型的折減系數(shù)求解安全系數(shù)，并對不同條件下的位移、應力、應變進行比較分析。最終計算出排土場邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)值大于規(guī)范規(guī)定的最高安全系數(shù)，滿足排土場邊坡穩(wěn)定要求，模擬分析結果符合工程實際。

強度折減有限元法 排土場 邊坡穩(wěn)定性 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

排土場是露天礦山的重要組成部分，其邊坡穩(wěn)定性直接關系到露天礦山生產(chǎn)安全。排土場邊坡一旦失穩(wěn)滑坡，不僅給礦山帶來重大經(jīng)濟損失，還可能造成人身傷亡事故。排土場邊坡穩(wěn)定問題一直是礦山一項重要研究課題。

某擬建排土場位于承德市北部一條溝谷中，屬于典型山谷型排土場，原始地貌屬構造剝蝕中低山地貌，場區(qū)下游約120 m處為省級公路。排土場設計年排放量為200萬t/a；堆置高度為118 m，設計級別為二等；堆棄物混合體平均自然安息角為34°，設計最大排土標高為720 m，最大面積約11.6萬m2，設計堆存量880萬m3，服務年限為5 a；采用汽車運輸、推土機配合的排土工藝，多臺階覆蓋式堆排作業(yè)；排土場正常工作平臺寬30 m。采用強度折減有限元法對排土場邊坡進行極值模擬分析，為排土場安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

在大地構造上，排土場所在地區(qū)位于2條深斷裂之間；在空間位置上，該區(qū)處于燕山臺褶帶的北邊緣；在沉積層位上，有早侏羅世含煤建造和中性火山巖建造，又有早白堊世含油頁巖建造及火山巖建造。區(qū)域構造活動不劇烈。場區(qū)周圍山體屬構造剝蝕中低山地貌，周圍山坡較陡，場區(qū)及其附近無大的褶皺構造和斷層通過。

排土場場區(qū)地層地質結構：①層塊石,由廢石和風化片麻巖組成，為人工堆積物;②層尾粉砂,主要為長石、石英、云母,為人工堆積物;③層黃土，由粉土和粉質黏土組成，多孔隙，遇水具有濕陷性,工程性質較差；④層含黏性土碎石，母巖為中風化花崗片麻巖，充填物主要為粉土和混粒砂，厚0.7～2.3 m;⑤層強風化花崗片麻巖，風化裂隙較發(fā)育，巖體破碎，質量等級屬Ⅴ類，工程性質良好，遇水軟化，分布連續(xù)，厚度不均勻。

1.2 水文地質條件

場地地下水不豐富，由于溝底第四系覆蓋層較薄，地下水主要為基巖裂隙水。場地上游范圍內無地表徑流補給，地下水的補給來源主要為季節(jié)性大氣降水入滲，因溝底表層多為基巖出露，滲透系數(shù)相對較小，大氣降水多以地表徑流的方式向排土場下游排泄。

參照類似排土場場區(qū)巖土層材料的滲透系數(shù)經(jīng)驗值，該排土場場區(qū)各巖土層的滲透系數(shù)建議值列于表1。

表1 排土場場區(qū)各巖土層滲透系數(shù)建議值

1.3 場地地震效應及穩(wěn)定性

該排土場位于抗震設防烈度6度區(qū)，設計基本地震加速度值為0.05 g，所屬的設計地震分組為第三組。根據(jù)場地土質和地下水埋藏條件，擬建場地不存在飽和砂土或飽和粉土可液化土層。

根據(jù)區(qū)域地質構造和本地區(qū)歷史地震資料，通過工程地質調查及相似工程類比，擬建場地及其附近無活動性斷裂構造或活動斷層通過，新生代以來特別是晚近地質時期，沒有發(fā)生過大的地震活動，其場地的穩(wěn)定性主要受環(huán)境地震的影響，至今未發(fā)現(xiàn)異常活動。場區(qū)周圍山體植被發(fā)育，場區(qū)范圍內原始土層無液化土存在，無崩塌和巖溶等不良地質作用存在。

綜合以上情況分析，擬建排土場場地山體是穩(wěn)定的，場區(qū)所在場地是穩(wěn)定的。

2 排土場邊坡穩(wěn)定性模擬分析

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

有限元分析法是分析排土場邊坡穩(wěn)定性的一種有效方法，一般采用強度折減有限元分析法[1]。依據(jù)工程地質勘察所提供的數(shù)據(jù)資料，首先針對排土場所在位置進行地質條件分析，確保場地的穩(wěn)定性，這是保證排土場整體穩(wěn)定的前提；選擇能夠反映排土場邊坡實際情況的典型剖面建立數(shù)值模型；結合有限元理論，用Ansys強度折減法對邊坡變形破壞機制及演變進行數(shù)值模擬分析，研究排土場邊坡的位移和內力變化；計算出排土場邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，跟排土場規(guī)范規(guī)定的最高安全系數(shù)相比較，來驗證排土場邊坡是否滿足穩(wěn)定要求[2-3]。這種方法不受排土場邊坡形狀和堆排料均勻程度的限制，可以更真實反映邊坡體應力應變關系。

2.2 排土場基底承載能力計算

根據(jù)該排土場場地穩(wěn)定性分析，排土場基底較為穩(wěn)定。排土場排棄物和基底巖土物理力學參數(shù)見表2。

動態(tài)范圍指的是畫面中最暗（1）和最亮（2）部分的亮度差距。不同相機的動態(tài)范圍并不相同，不過總的來說，因為像素尺寸更大，所以全畫幅相機通常擁有更高的動態(tài)范圍。一張照片的直方圖（如右圖所示）占據(jù)越多的橫軸空間（3），這張照片的動態(tài)范圍也就越高。

表2 排土場排棄物和基底巖土物理力學參數(shù)

在排土初期，基底巖土開始被壓實，當堆置到一定高度時，基底被壓實到最大的承載能力，但尚未到達極限狀態(tài)，排土場基底最大承載能力允許堆置高度為

(1)

式中，H1為排土場高度，m；C為基底巖土黏聚力，巖土綜合分析為4×104Pa；φ為內摩擦角，取40°；ρ為排土場物料的密度，由平均取樣為2.25 t/m3。

計算得出排土場基底最大承載能力允許堆置高度為20.8 m。

該排土場第一層堆筑高度為18 m，小于上述計算值，地基處于最大承載能力之內，基底穩(wěn)定可靠。

隨著排土作業(yè)的進行，當基底處于極限狀態(tài)，失去承載能力，產(chǎn)生塑性變形和位移時，計算排土場極限高度為

(2)

式中，H2為排土場極限高度，m；其他參數(shù)意義同上。

計算得出排土場基底極限承載能力允許堆置高度為200 m。

設計排土場最終堆積高度118 m，排土場基底承載能力及臺階極限高度滿足安全生產(chǎn)需要。排土場在相鄰臺階之間留設安全平臺，減小排土場總體邊坡角，使排土場總體邊坡角小于自然安息角，增加了排土場的穩(wěn)定性。

2.3 排土場邊坡有限元計算模型

圖1 排土場邊坡典型剖面二維數(shù)值模型

2.4 模擬結果分析

邊坡典型剖面的塑性應變云圖見圖2。

由圖2可知，邊坡變形隨折減系數(shù)F的增大而變大，當F=1.34時，解不收斂，此時邊坡破壞面近似圓弧形(圖2(a))，并在此處的坡面上出現(xiàn)了局部的應力集中，說明此時邊坡已經(jīng)不安全，是邊坡的危險區(qū)段。當F=1.35時，邊坡內塑

圖2 邊坡模型塑性應變云圖

性應變在排棄物層內自坡底向坡頂貫通(圖2(b))，表明邊坡已經(jīng)破壞，滿足了邊坡的失穩(wěn)判據(jù)。

因此，該邊坡的安全系數(shù)Fs=1.34。參照《有色金屬礦山排土場設計規(guī)范》，該排土場的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)(1.1～1.3)，滿足穩(wěn)定要求。

3 結 論

通過強度折減有限元分析法驗證排土場邊坡是否滿足穩(wěn)定要求，得到的結果符合工程實際，這種方法計算分析排土場邊坡穩(wěn)定性是可行的、可信的，為礦山排土場安全生產(chǎn)提供可靠的理論依據(jù)。

[1] 楊海春，母傳偉，竇習章.選礦廠邊坡防護設計[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2013,(9):43-52.

[2] 鄭穎人，趙尚毅，鄧衛(wèi)東.巖質邊坡破壞機制有限元數(shù)值模擬分析[J].巖石力學與工程學報，2003,22(12):1943-1952.

[3] 張軍濤，謝建斌，姚激等.巖質邊坡穩(wěn)定性的有限元分析和數(shù)值模擬[J].云南水力發(fā)電.2006,22(2):31-34.

[4] 趙尚毅，鄭穎人，時衛(wèi)民，等.用有限元強度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[J].巖石力學與工程學報，2002,24(3): 343-346.

[5] 高長志，宋子嶺，單儒嬌.基于slide與plaxis的排土場邊坡穩(wěn)定分析[J].微計算機信息，2010,26(3): 261-262.

2015-03-30)

張利軍(1974—)，男，高級工程師，150076 黑龍江省哈爾濱市。