復雜固結(jié)作用對高大爐渣邊坡的穩(wěn)定性影響研究

王修峰,劉文連,廖紹忠,樊亞紅,許永超

(1.昆明理工大學建筑工程學院，昆明 650500；2.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司，昆明 650051；3.昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093)

隨著人類工業(yè)生產(chǎn)活動的愈加頻繁，尾礦庫、礦山殘渣堆填體等人工邊坡的數(shù)量不斷增多。礦渣堆填體邊坡不同于自然邊坡，在自然條件下易發(fā)生物理化學性質(zhì)的變化。因此該類邊坡的應力場及固結(jié)作用一般較為復雜，邊坡穩(wěn)定性不易控制。堆填體邊坡一旦產(chǎn)生變形或失穩(wěn)，其危險性及危害將會十分嚴重。例如2015年12月20日發(fā)生的深圳光明新區(qū)渣土受納場滑坡，因此而造成了重大的人員傷亡和不良的社會影響。

近年來，國內(nèi)學者對多種固結(jié)理論進行不斷的研究。曹凈[2]等(2000)通過對馬家田尾礦庫水化學場的分析，得出該尾礦化學固結(jié)機理，并進行化學固結(jié)強弱分區(qū)的研究。劉文連[1]等(2004) 通過對某大型尾礦庫壩體勘察新技術(shù)、新工藝和尾礦砂土沉積環(huán)境、固結(jié)特征分析以及對尾礦砂土的靜力、動力物理力學性質(zhì)進行大量的試驗研究,分區(qū)研究了淋濾固結(jié)、化學固結(jié)作用的特征,建立了3種固結(jié)作用在尾礦砂土靜力抗剪強度值中權(quán)重分配的計算式,揭示了尾礦砂土的靜力、動力基本特性。曹凈[3]等(2005)在試驗的基礎(chǔ)上，通過對尾礦砂土在排放尾礦液過程中的飽和-非飽和交替狀態(tài)的研究，初步分析了尾礦砂土的淋濾固結(jié)作用機理。

本文以某堆渣體邊坡為研究對象，該堆渣場邊坡屬典型的高大人工爐渣堆積體邊坡，且該高爐爐渣存在著較強的淋濾固結(jié)及化學固結(jié)作用，具有較強的代表性。通過對該堆場高爐渣特殊化學性質(zhì)、物理力學性質(zhì)及水文地質(zhì)條件的初步研究，進而對該邊坡水化學場及滲流場進行分析，得出在淋濾固結(jié)作用和化學固結(jié)作用下的復雜固結(jié)機理結(jié)論以及穩(wěn)定性結(jié)論，并在此研究基礎(chǔ)上，得出今后此類邊坡工程的治理設(shè)計新思路。

1 堆渣體邊坡現(xiàn)狀分析

1.1 工程概況

該堆渣體邊坡地處云貴高原北緣一幼年期“V”字形河谷北岸，兩岸山高谷深，切割強烈，在場地地段山體基本呈南北走向，具中-高山構(gòu)造剝蝕山地地貌特征。該堆渣體為高爐爐渣，在水的作用下極易形成鐵質(zhì)膠結(jié)，經(jīng)多年的堆填，沿江岸坡已形成一個長600余米，寬超過100 m，最大厚度超過100 m，平均厚度達80 m的渣體平臺。堆渣體邊坡前緣下臨江水，堆渣體邊坡頂部形成寬大平臺。江面高程介于991.76～993.46 m，渣場頂部平臺高程為1 105.23～1 105.61 m。邊坡坡度45°～50°。在渣場下方鄰江位置設(shè)置了擋墻用于攔渣護坡，擋墻墻背垂直，墻面坡比1∶0.25，未發(fā)現(xiàn)鼓肚、變形、開裂跡象。

1.2 地層巖性分析

該堆填體由第四系人工填土——松散爐渣層、熱熔膠結(jié)爐渣層、素填土、雜填土組成，主要為松散爐渣、熱熔爐渣，熱熔爐渣厚達100余米分布于深層及中層，翻動爐渣主要分布在表層30 m左右。主要地層翻動爐渣層的巖土物理性質(zhì)如下：灰、黑灰色，主要由已翻爐渣及爐灰組成，渣體被鉆探機械破碎呈粒徑2～5 cm碎塊狀，碎塊上多見直徑為1～5 mm密集的蜂窩狀氣孔，渣塊較堅硬-堅硬，錘可擊碎-難擊碎，其間充填粒徑為0.2～0.5 cm的爐渣碎粒和爐灰20%～30%。

從勘察及試驗中揭露出的地層信息可得，翻動爐渣層由于多種因素的作用，呈現(xiàn)出明顯的上部及表層渣體結(jié)構(gòu)松散且粗顆粒含量較高，下部稍密狀態(tài)且細顆粒及細粉砂含量較高。隨深度的增加，渣體顆粒由級配不均的粗顆粒爐渣過渡到級配相對均勻的細顆粒爐渣及細粉爐渣。翻動爐渣的顆分曲線見圖1、圖2。

圖1 松散翻動爐渣顆分粒徑分配曲線圖

2 堆渣體固結(jié)作用機理分析

2.1 復雜固結(jié)作用產(chǎn)生條件

場地地下水來自大氣降雨、上方熱潑渣坑噴水殘水、汛期江水補給等。其中，主要補給水為渣場平臺頂部熱潑渣坑的降溫噴水，大量殘水滲入地下形成地下水。渣坑內(nèi)每次噴水降溫時間可持續(xù)5～8 h，約2～3 d噴水降溫一次，形成了周期性的熱潑渣坑殘水滲入堆渣坡體內(nèi)，在坡體內(nèi)形成非穩(wěn)定滲流，使之處于飽和與非飽和交替狀態(tài)之中。根據(jù)該堆渣邊坡的水文巖性條件、堆積特點、固結(jié)環(huán)境及物理力學性質(zhì)等試驗研究結(jié)果，將堆渣邊坡分區(qū)如圖3。

圖2 稍密翻動爐渣顆分粒徑分配曲線圖

從高壓固結(jié)試驗結(jié)果(表1)中可以看出，在坡頂向下8～35 m范圍內(nèi)(該區(qū)域處于常水位浸潤線之上，殘水入滲浸潤線之下)堆積爐渣超固結(jié)比均大于1，且比值隨深度的增加而變小。因此，從固結(jié)歷史來看，高爐爐渣邊坡堆積體屬非正常固結(jié)巖土體，除自重固結(jié)作用外，存在較強的淋濾固結(jié)及化學固結(jié)作用。

圖3 堆渣邊坡分區(qū)示意圖

該堆場高爐爐渣主要采用傳統(tǒng)的水淬粒化的處理工藝，在邊坡坡頂?shù)脑觾?nèi)對熱熔爐渣進行噴水降溫，高爐渣經(jīng)淬冷成粒后形成具有潛在水硬性和潛在活性的玻璃體結(jié)構(gòu)?；郀t爐渣。由于該堆場的上游高爐生產(chǎn)工藝所使用的是釩鈦磁鐵礦進行冶煉，因此高爐爐渣存在以下特點：

(1) 高爐渣量大，水渣容重低

該堆場爐渣屬高鈦型爐渣，爐渣量大，渣鐵比達到0.8～0.9。高爐水渣容重為0.35～0.40 t/m3。爐渣呈不規(guī)則顆粒狀，渣塊上具密集的蜂窩狀氣孔。

(2) TiO2含量高，水渣活性低

爐渣黏度和熔化性溫度隨著渣中TiO2含量的增加而降低，少量的TiO2可以改善爐渣的流動性、降低爐渣的熔化性溫度，同時還具有護爐的作用[5]。而該爐渣其含量高達20%以上，嚴重影響水渣的活性，物理性質(zhì)表現(xiàn)為硬度高、水硬性差。

(3) 爐渣黏稠度較高，鐵含量較多

TiO2含量是控制爐渣黏度的主要因素之一，少量的TiO2可以改善爐渣的流動性。爐渣局部含極其堅硬的鋼鐵包塊。

爐渣主要化學成分見表2。

2.2 淋濾固結(jié)作用機理分析

由于高爐渣堆渣邊坡特殊的堆積及水淬熱潑渣冷卻工藝，在殘水入滲浸潤線與常水位浸潤線之間的區(qū)域(如圖4中Ⅱ區(qū))頻繁且周期性地形成非穩(wěn)定滲流，導致渣體處于飽和-非飽和頻繁交替循環(huán)狀態(tài)中。當渣體處于非飽和狀態(tài)時，渣體顆粒間存在毛細力使渣體顆粒相互靠近趨于密實，而在飽水狀態(tài)時，渣體顆粒間的毛細力消失，渣體隨之產(chǎn)生一定量的回彈，并在動水滲透力的作用下，細顆粒及細粉沙不斷被裹挾流入下層的粗顆?？障吨?，待下一個非飽和周期時，由于上層空隙間的填充物被滲流帶走，毛細力將使上層粗顆粒產(chǎn)生更大的收縮。如此往復，在Ⅱ區(qū)堆渣體邊坡內(nèi)，淋濾固結(jié)作用增大了堆渣體的密實度，并加速了堆渣坡體的固結(jié)沉降，增大其φ角值，使堆渣坡體抗剪強度提高。

表2 爐渣的主要化學成分(%)

2.3 化學固結(jié)作用機理分析

該堆場高爐爐渣采用水淬?；奶幚砉に嚕瑢⒁簯B(tài)熔融礦渣急劇冷卻得到礦渣玻璃體物質(zhì)。礦渣玻璃體的聚合度很低，因此具有較高活性。由于周期性的熱潑渣噴水降溫，礦渣玻璃體始終處于飽和-非飽和交替狀態(tài)中，不僅形成了周期性變化的水化學場，且無形間形成了爐渣膠結(jié)硬化的天然養(yǎng)護環(huán)境，活性礦渣玻璃體在此養(yǎng)護環(huán)境中快速水硬形成C-S-H凝膠,同時吸收產(chǎn)生廢氣中的SO2、CO2形成CaSO4·2H2O(石膏)、MgSO4·H2O和CaCO3硬化結(jié)晶物逐漸包裹礦渣顆粒表面并填充礦渣顆?？障?，形成初始狀態(tài)的硬化體。

水淬渣過程中產(chǎn)生的H2S和SO2隨著熱潑殘水的迅速下滲而被帶入邊坡體，不斷淋濾下層爐渣，使下層爐渣處于酸性環(huán)境中，酸激化后的含鐵爐渣使下滲溶液中的Fe3+含量不斷增加,爐渣顆粒空隙間的Fe(OH)3膠體增多并在飽和-非飽和交替狀態(tài)下逐漸沉淀而固化, 從而在硬化的基礎(chǔ)上使爐渣顆?；瘜W膠結(jié)作用加強，使初始狀態(tài)的硬化體強度進一步提高，黏聚力C值逐漸增加。在上述周期性的復雜水化學場作用下，入滲殘水使爐渣不斷的硬化膠結(jié)，最終形成該渣場的主要地層——熱熔爐渣膠結(jié)巖體。

2.4 復雜固結(jié)作用影響特征

上述研究表明，淋濾固結(jié)及化學固結(jié)的主要作用區(qū)域集中在殘水入滲浸潤線與常水位浸潤線之間的Ⅱ區(qū)，自重固結(jié)作用次之。在Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)內(nèi)化學固結(jié)作用相對較弱，且Ⅲ區(qū)內(nèi)淋濾固結(jié)作用消失，轉(zhuǎn)而由自重固結(jié)發(fā)揮主要作用。

表3 不同區(qū)域堆積爐渣物理力學參數(shù)表

從表3可以看出，在淋濾固結(jié)及化學固結(jié)的復雜固結(jié)作用下，Ⅱ區(qū)內(nèi)的各巖層的物理力學性質(zhì)均較Ⅰ區(qū)非線性的提高，與一般規(guī)律有較大差異，可以得出這是淋濾固結(jié)和化學固結(jié)的綜合作用結(jié)果。現(xiàn)狀坡比已達到1∶1.1～1∶1.2，遠遠大于邊坡坡比允許值，這也印證了存在自重應力外的淋濾及化學固結(jié)作用提高了堆渣坡體的抗剪強度指標。

3 爐渣堆積體邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 滲流及穩(wěn)定性計算方法

在邊坡穩(wěn)定性分析中，除浸潤線以上部分區(qū)域毛細作用較強，水在土中接近飽和，大部分區(qū)域都處于非飽和狀態(tài)，此時非飽和區(qū)的水汽運動與飽和區(qū)的地下水運動必然存在互相聯(lián)系，即所謂飽和非飽和流動問題。

對于該堆渣體邊坡而言，常水位浸潤線以上處于非飽和，其以下處于飽和狀態(tài)。隨著周期性的熱潑渣坑殘水入滲，邊坡體中的浸潤線也隨之發(fā)生變化，在邊坡體中形成了非飽和區(qū)和飽和區(qū)。在此情形下應采用水頭h作為控制方程的因變量，對于各向異性的二維飽和非飽和滲流控制方程為：

(1)

式中,kx為x方向的滲透系數(shù)；Ky為y方向的滲透系數(shù)；Q為施加的邊界流量；γw為水的重度；mw為比水容重，是體積含水量駐留曲線的斜率。

mw定義為體積含水量ω對基質(zhì)吸力(ua-uw)偏導數(shù)的負值，即：

(2)

水頭邊界條件：

(3)

流量邊界條件：

(4)

根據(jù)土體沿著假想滑動面上的極限平衡條件進行分析，邊坡巖土的破壞遵從Mohr-Coulomb強度模型，并認為當邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1時，坡體內(nèi)某一個最危險滑面上的滑體將瀕于失穩(wěn)的極限平衡狀態(tài)。

在考慮滲流的穩(wěn)定性分析方法中，選取土體而非單一的土骨架作為研究對象，考慮滑裂面上的孔壓與坡面上的水壓力(坡面上有水情況)，將水土間的相互作用力(浮力和滲透力)作為內(nèi)力考慮，不僅符合習慣，而且概念清晰、計算簡單，無需考慮滲透力，只需考慮滑坡體周圍的水壓力。

3.2 參數(shù)選取

模擬計算所使用的巖土物理力學參數(shù)在已有巖土體物理力學試驗和穩(wěn)定性反演分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合文中3種固結(jié)作用機理及3種固結(jié)作用對爐渣堆填體力學強度影響分析結(jié)果和變化規(guī)律，采用3種固結(jié)作用權(quán)重分析模式[1]。堆渣體抗剪強度τ值是3種固結(jié)作用共同作用的結(jié)果，抗剪強度表達式如下[1]：

τ=A1τ1+A2τ2+A3τ3

(5)

式中，τ為堆渣體的抗剪強度；A1、A2、A3分別為淋濾固結(jié)、化學固結(jié)、自重固結(jié)所占權(quán)重；τ1、τ2、τ3分別為淋濾固結(jié)、化學固結(jié)、自重固結(jié)所產(chǎn)生的抗剪強度值[1]。

巖土物理力學參數(shù)見表4。

表4 巖土物理力學參數(shù)表

3.3 堆渣體邊坡穩(wěn)定性的三維模擬分析

本文采用FLAC3D有限元模擬軟件，運用Mohr-Coulomb塑性模型為分析的本構(gòu)模型。重點以該渣場堆填現(xiàn)階段建立數(shù)值模型，在原始地形上熱熔爐渣堆積至現(xiàn)狀標高，并在擋墻內(nèi)側(cè)堆積松散爐渣。渣場的堆填現(xiàn)狀屬于重點分析研究的堆填階段。

重點研究工況：

①天然工況；

②地震工況(抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.15 g)。

堆渣體邊坡數(shù)值模型如圖4。

圖4 堆渣體數(shù)值模型

圖5 模型監(jiān)測點布置

為了獲取堆渣體斜坡不同位置的速度、加速度及位移的變化情況，同時也為后續(xù)的進一步分析提供數(shù)據(jù)，特別在三維地質(zhì)模型的重點位置上設(shè)置了數(shù)量不等的監(jiān)測點。位置包括擋墻頂部、坡腳、斜坡中部、坡頂、不同巖土材料分界面等。監(jiān)測點布置如圖5。

(1) 初始應力場特征分析

渣場堆渣體現(xiàn)狀堆積兩種重點研究工況的初始應力隨深度分布情況與一般坡體豎向應力分布基本相同，從坡表至深度方向逐漸增加，如圖6及圖7所示。

圖6 初始地應力場

圖7 初始地應力場剖面圖

(2) 剪應變增量特征分析

由于上一堆填階段的熱熔爐渣的已經(jīng)堆填完畢，且變形逐漸收斂，現(xiàn)狀堆填主要是堆填熱熔爐渣表面的松散爐渣，其剪應變增量主要位于松散爐渣堆積層前緣，剪應變增量約為0.012。天然工況如圖8及圖10所示，地震工況如圖9及圖11所示。

圖8 堆渣體天然工況剪應變增量云圖

圖9 堆渣體地震工況剪應變增量云圖

圖10 堆渣體天然工況剪應變增量剖面云圖

圖11 堆渣體地震工況剪應變增量剖面云圖

(3) 變形特征分析

該渣場在現(xiàn)狀堆填的天然工況條件下，最大合位移在0.10 m左右，其變形主要位置位于松散堆積體前緣。其位于坡腳的11號監(jiān)測點位移監(jiān)測曲線開始時呈上升狀態(tài)，位移達到0.036 m時，基本不再變形，其余監(jiān)測點位移較小。位移變形如圖12及圖14所示，位移監(jiān)測曲線如圖16所示，堆積體位移速率監(jiān)測如圖17所示。

在地震工況條件下，計算至16 000多時步時，最大合位移已經(jīng)達到0.918 m，其變形主要位置位于松散堆積體前緣，并且逐漸向斜坡中部蔓延，如圖13。從剖面圖上可以看出，最大位移出現(xiàn)在松散堆積體和擋墻接觸部位，如圖14、圖15所示。

圖12 堆渣體天然工況位移云圖

圖13 堆渣體地震工況位移云圖

圖14 堆渣體天然工況位移剖面云圖

圖15 堆渣體地震工況位移剖面云圖

圖16 堆渣體位移監(jiān)測曲線

圖17 堆渣體位移速率監(jiān)測曲線

通過有限元三維建模分析可以得出：

(1) 天然工況狀態(tài)下，由于先期堆填的熱熔爐渣已經(jīng)逐漸變形，并經(jīng)過復雜固結(jié)作用，渣體已至穩(wěn)定狀態(tài)，該渣場堆渣邊坡在現(xiàn)狀堆填階段，主要的變形區(qū)域為中淺層堆積的松散爐渣，經(jīng)過約2 300時步的計算，其位移逐漸收斂，位移云圖上最大合位移約為0.10 m，此時變形不再進一步發(fā)展，整個堆填體邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 地震工況下，渣場堆積體前緣松散堆填體對地震動響應較為明顯，模擬計算不收斂，最大合位移達到0.90 m以上，變形從松散堆積體前緣逐漸向后緣和中部發(fā)展，并呈現(xiàn)不斷增大的趨勢。前緣松散堆填體趨于不穩(wěn)定。

(3) 該渣場邊坡的深層穩(wěn)定性較好，發(fā)生深層滑坡垮塌的可能性較小，但邊坡中淺層及表層坡體穩(wěn)定性較差，安全儲備不足，處于欠失穩(wěn)狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過對該堆渣體邊坡的復雜固結(jié)作用機理及穩(wěn)定性分析可以得出以下結(jié)論：

(1) 通過對該爐渣渣場邊坡的水文及地質(zhì)條件的研究，可以得出周期性的熱潑渣坑殘水入滲是形成坡體內(nèi)非穩(wěn)定滲流的主要原因，而坡體內(nèi)的飽和與非飽和交替狀態(tài)是產(chǎn)生淋濾固結(jié)作用以及化學固結(jié)作用的重要因素之一。

(2) 由于高爐渣堆渣邊坡特殊的堆積方式及物理性質(zhì)，殘水入滲使堆渣體Ⅱ區(qū)始終處于飽和-非飽和頻繁交替循環(huán)狀態(tài)中。非飽和狀態(tài)時，渣體顆粒間存在毛細力使渣體顆粒相互靠近趨于密實。飽和狀態(tài)時，毛細力消失，并且在動水滲透力的作用下，細顆粒及細粉沙不斷被裹挾流入下層的粗顆?？障吨?。如此往復，在Ⅱ區(qū)堆渣體邊坡內(nèi)，淋濾固結(jié)作用增大了堆渣體的密實度，并加速了堆渣坡體的固結(jié)沉降，增大其φ角值，使堆渣坡體抗剪強度提高。

(3) 通過分析爐渣邊坡的水化學場，并結(jié)合高爐爐渣特殊的化學性質(zhì)，得出在化學固結(jié)過程中，首先爐渣膠結(jié)硬化并填充礦渣顆?？障?，形成初始狀態(tài)的硬化體，然后在動水化學場作用下Fe(OH)3膠體逐漸沉淀而固化使初始狀態(tài)的硬化體膠結(jié)，黏聚力C值逐漸增加。

(4) 通過對該爐渣渣場邊坡復雜固結(jié)作用的理論研究以及穩(wěn)定性分析，可以得出經(jīng)過淋濾及化學固結(jié)作用的散粒體爐渣邊坡工程性質(zhì)是可靠的，并且會隨時間而繼續(xù)加強。那么若在其他邊坡工程中，也根據(jù)坡體的工程性質(zhì)模擬多種固結(jié)作用所需要的自然條件，則理論上是可以達到優(yōu)化坡體工程性質(zhì)，并提高邊坡穩(wěn)定性的目的。因此本研究為今后邊坡工程的治理提供了新思路。

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