瑞典條分法在石寶鐵礦尾礦壩穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

豆昆+張林琳+鄭東

摘要：文章根據(jù)現(xiàn)場勘察數(shù)據(jù)，垂直尾礦壩方向布置6條勘探線，采用瑞典條分法在兩種工況下分別對邊坡安全系數(shù)進(jìn)行求解，從而得出邊坡穩(wěn)定情況。

關(guān)鍵詞：瑞典條分法；邊坡穩(wěn)定；安全系數(shù)；破壞模式

引言

瑞典法屬于極限平衡法，是定量分析邊坡穩(wěn)定性時常用的一種方法，極限平衡法是依據(jù)力學(xué)平衡原理建立平衡關(guān)系式，通過所求得的安全系數(shù)得出邊坡的穩(wěn)定性。常用的一些方法有瑞典條分法、Bishop法、Janbu法、Sarma法、余推力法等。針對本尾礦壩邊坡主要采用瑞典條分法進(jìn)行分析。

1.極限平衡分析方法

極限平衡是以摩爾—庫侖抗剪強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)的，它是將滑坡體劃分為若干條塊，建立作用在這些條塊上的力的平衡方程式，從而求解安全系數(shù)。

1.1圓弧型破壞模式

安全系數(shù)計(jì)算公式如下：

所謂直線破壞是指邊坡破壞時其破裂面近似平面，在斷面近似直線。為了簡化計(jì)算這類邊坡穩(wěn)定性分析采用直線破裂面法。能形成直線破裂面的土類包括：均質(zhì)砂性土坡；透水的砂、礫、碎石土；主要由內(nèi)摩擦角控制強(qiáng)度的填土。

圖2為一砂性邊坡示意圖，坡高H，坡角β，土的容重為γ，抗剪度指標(biāo)為c、φ。如果傾角α的平面AC面為土坡破壞時的滑動面，則可分析該滑動體的穩(wěn)定性。

沿邊坡長度方向截取一個單位長度作為平面問題分析。

已知滑體ABC重W，滑面的傾角為α，顯然，滑面AC上由滑體的重量W=γ（ΔABC）產(chǎn)生的下滑力T和由土的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的抗滑力Tˊ分別為：

當(dāng)Fs=1時，β=φ，表明邊坡處于極限平衡狀態(tài)。此時β角稱為休止角，也稱安息角。

此外，山區(qū)順層滑坡或坡積層沿著基巖面滑動現(xiàn)象一般也屬于平面滑動類型。這類滑坡滑動面的深度與長度之比往往很小。當(dāng)深長比小于0.1時，可以把它當(dāng)作一個無限邊坡進(jìn)行分析。

圖3表示一無限邊坡示意圖，滑動面位置在坡面下H深度處。取一單位長度的滑動土條進(jìn)行分析，作用在滑動面上的剪應(yīng)力為γHcosαsinα，在極限平衡狀態(tài)時，破壞面上的剪應(yīng)力等于土的抗剪強(qiáng)度，即

2.相關(guān)參數(shù)的選擇

2.1尾礦庫概況

尾礦庫區(qū)設(shè)計(jì)采用上游法筑壩、山谷型尾礦庫濕式堆存，現(xiàn)三面圍壩一面靠山，近似呈蘋果形平面。初期壩是由石塊堆積而成的透水壩，初期壩總長500.56m，壩高13m，壩頂寬4m，外坡比1∶1.75，內(nèi)坡比1∶1.65。堆積壩體總長2.13km，庫區(qū)面積約為0.8581km2。

目前尾礦壩已經(jīng)接近1742m最終設(shè)計(jì)標(biāo)高，沉積灘長度300m～350m以上，干灘長度保持在150m以上。濃縮后的尾礦經(jīng)聯(lián)合泵站加壓輸送到壩前進(jìn)行多管分散放礦，形成穩(wěn)定的沖積灘后，進(jìn)行機(jī)械筑壩，子壩由機(jī)械堆筑碾壓。庫區(qū)內(nèi)尾礦堆積物以尾粉砂及尾粉土為主，其滲透性較差，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，②-1層尾粉砂垂直滲透系數(shù)變化在7.22×10-5～3.69×10-4cm/s；②-3層尾粉土，垂直滲透系數(shù)變化在5.90×10-7～1.12×10-4。

2.2庫區(qū)壩體地層及巖土力學(xué)參數(shù)

本次勘察在尾礦庫區(qū)所揭露的地層主要為第四系人工填筑土（Q4ml）、殘積土（Q4ml）、第四系沖洪積地層（Q4al+pl）及古生界華力西期全風(fēng)化～中風(fēng)化花崗巖，按成因及巖性的不同分為5層，分述如下：

①-1層素填土（Q4ml）：人工筑壩素填土，直徑為5cm～20cm碎石塊為主伴有少量砂土。

①-2層素填土（Q4ml）：人工護(hù)壩素填土，直徑為0.5cm～2.5cm碎石為主伴有少量砂土。

②-1層尾粉砂（Q4ml）：灰褐色，主要礦物成分為石英、磁鐵礦、長石。

②-2層尾中砂（Q4ml）：灰褐色，主要礦物成分為石英、磁鐵礦、長石。

②-3層尾粉土（Q4ml）：灰褐色，主要礦物成分為石英、磁鐵礦、長石。

②-4層尾粉土（Q4ml）：黃褐色，主要礦物成分為石英、赤鐵礦、長石。

②-5層尾粉砂（Q4ml）：黃褐色，主要礦物成分為石英、赤鐵礦、長石。

③-1層混合土（Q4dl）：灰褐色，主要礦物成分為石英、長石。

④-1層粉土（Q4dl）：黃褐色，為庫區(qū)主要地層，主要礦物成分為石英、長石。

⑤-1層全風(fēng)化花崗巖：肉紅色，由花崗巖風(fēng)化而成，呈砂狀，散體狀結(jié)構(gòu)。礦物成分為石英、長石、角閃石等。

礦庫內(nèi)天然地層主要以第四系沖洪積粉土和粉砂為主，天然狀態(tài)下呈稍濕—濕，中密狀態(tài)，穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)見表1。

2.3地震力

據(jù)《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50191-2012），達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗石寶鎮(zhèn)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s。

2.4安全系數(shù)限值的選取及穩(wěn)定性判斷依據(jù)

《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（地礦部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2006年）對滑坡穩(wěn)定狀態(tài)的安全系數(shù)限值作了如下規(guī)定：不穩(wěn)定狀態(tài)F0<1.00，欠穩(wěn)定狀態(tài)1.00≤F0<1.05，基本穩(wěn)定狀態(tài)1.05≤F0<1.15，穩(wěn)定狀態(tài)F0≥1.15。

《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（地礦部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2006年）對抗滑安全系數(shù)做了如下規(guī)定：考慮自重F0= 1.2～1.4，考慮自重和地下水F0=1.1～1.3，考慮自重、暴雨和地下水F0=1.02～1.15，考慮自重、地震和地下水F0=1.02～ 1.15。

《巖土工程勘察規(guī)范》（國標(biāo)，2009年版）安全系數(shù)規(guī)定：重要工程取1.30～1.50，一般工程取1.15～1.30，次要工程取1.05～1.15。采用峰值強(qiáng)度時取大值，采用殘余強(qiáng)度時取小值。驗(yàn)算已有邊坡穩(wěn)定時取1.10～1.25。

綜合上述規(guī)范，本次分析中安全系數(shù)限值在工況一（考慮自重）時取F0=1.15（峰值強(qiáng)度），工況二（考慮自重+洪水運(yùn)行時）取F0=1.1。大于限值則視為穩(wěn)定，反之則不穩(wěn)定。

3.極限平衡計(jì)算

按照壩體堆積形成的邊坡形態(tài)，分別選擇垂直于最終壩體邊坡的1-6剖面進(jìn)行計(jì)算。分別對1-6剖面按圓弧型破壞模式計(jì)算兩種工況下的最不利滑動面安全系數(shù)。

根據(jù)勘察結(jié)果及實(shí)測斷面，利用理正巖土軟件復(fù)雜地層條件下的瑞典圓弧法計(jì)算各斷面的工況一正常運(yùn)行及工況二洪水運(yùn)行條件（干灘長度按70m計(jì)算）下的穩(wěn)定性系數(shù)，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2。

以下是在兩種工況下，1～6剖面按圓弧形計(jì)算的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果示意圖。

4.結(jié)論

表2中列出了不同工況條件下各剖面的安全系數(shù)，可見在工況一條件下，4-4剖面的安全系數(shù)最小，為1.439；大于1.15；工況二條件下，4-4剖面的安全系數(shù)最小，為1.284，大于1.10。以上結(jié)果表明各種工況下，各剖面最不利滑動面安全系數(shù)都大于安全系數(shù)限值，即認(rèn)為總體邊坡是穩(wěn)定的。計(jì)算過程中未考慮以下因素：①地震傷害作用；②在開挖過程中暴雨之后快速充水，且洪水漫過警溶線。

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