某超高排土場邊坡穩(wěn)定性分析

蘇星月 張宇

摘要：高圍壓條件下，排土場深部顆粒破碎是超高排土場區(qū)別于低等級排土場的最重要特征。針對國內(nèi)某超高排土場建立計(jì)算模型，在考慮排土場深部顆粒破碎與不考慮排土場深部顆粒破碎2種模式下，采用極限平衡法對該超高排土場自然、降雨及地震3種工況進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明：超高排土場在堆置過程中，深部顆粒破碎效應(yīng)引起排土料強(qiáng)度改變，從而降低了排土場邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

關(guān)鍵詞：超高排土場;顆粒破碎;邊坡;穩(wěn)定性;安全系數(shù)

中圖分類號：TD7 TD854.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）12-0079-04doi：10.11792/hj20211217

引 言

近20年來，隨著礦業(yè)的迅速發(fā)展，土地資源日益收緊，排土設(shè)備越來越大型化與智能化，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等方面的壓力增大，在確保安全的前提下采用超高臺階排土或增加排土場堆高是未來排土場的趨勢，是減少排土場征地及增加排土場堆排量的有效途徑。但是，隨著排土場工程向超高臺階技術(shù)發(fā)展，工程災(zāi)害日趨增多，面臨的工程環(huán)境也愈來愈復(fù)雜，將導(dǎo)致排土場的安全問題更加突顯[1]。

超高排土場特征：①堆排過程使堆積體粒度具有明顯的分選性。其總體規(guī)律表現(xiàn)為堆積體塊度自上而下逐漸增大，小塊集中在上部，大塊在下部，中間部分各種塊度參差不齊，但以中等塊度居多[2]。在排土場邊坡穩(wěn)定性分析過程中，排土場堆積散體強(qiáng)度參數(shù)是一個(gè)重要因素，而不同粒徑組成是散體強(qiáng)度參數(shù)的主要影響因素。②隨著堆排高度的增加，在自重作用下，排土場深部一部分顆粒將發(fā)生破碎[3-5]。當(dāng)顆粒受力后，其應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，從而引起顆粒本身的破碎。顆粒破碎會改變顆粒粒徑、顆粒級配、密實(shí)度等，使顆粒間接觸壓力重新調(diào)整，均勻化分配，阻礙了剪脹的發(fā)揮，從而降低了巖土材料的抗剪強(qiáng)度。因此，深部巖土的強(qiáng)度特性與顆粒破碎率密切相關(guān)[6-9]。

本文以國內(nèi)某超高排土場為例，基于極限平衡法，開展邊坡穩(wěn)定性分析，進(jìn)而研究排土場深部顆粒破碎對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。

1 邊坡工程地質(zhì)模型

1.1 工程概況

某超高排土場主要排放鐵礦廢石，采用膠帶排巖機(jī)排土方式進(jìn)行排土作業(yè)。其下伏地層主要為中風(fēng)化黑云混合片麻巖，排土場總占地面積5.36 km2，設(shè)計(jì)最大堆排土量約7.29億m3，最大堆積高度約260 m，共分為5個(gè)臺階排土，臺階標(biāo)高分別為160 m、195 m、240 m、285 m、330 m，排土段高35～45 m，各臺階的安全平臺寬度為30 m，臺階坡面角為37.5°。該超高排土場如圖1所示。

1.2 計(jì)算模型

該超高排土場典型剖面圖及其有限元網(wǎng)格劃分情況如圖2、圖3所示。主要采用等參四邊形和少量退化的三角形，共分為5 224個(gè)節(jié)點(diǎn)，5 106個(gè)單元。在計(jì)算排土場應(yīng)力狀態(tài)分布時(shí)，截面底部為x、y雙向固定約束邊界，兩側(cè)垂直邊界為x向固定約束邊界。

1.3 物理力學(xué)指標(biāo)

依據(jù)相關(guān)物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果及堆排過程中的巖土工程勘察報(bào)告，排土料及基巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

1.4 非線性強(qiáng)度指標(biāo)

從坡腳到排土平臺坡頂，排土場堆積散體以固定的自然安息角堆存，基底承受平行于排土場坡面的荷載，表現(xiàn)為從坡頂?shù)狡履_逐漸減小，其結(jié)果是排土層自身各部位固結(jié)應(yīng)力基本呈線性增長，導(dǎo)致顆粒相互滑移、充填、粗大顆粒棱角破碎和重排，力學(xué)特性呈現(xiàn)分層性，且表現(xiàn)出明顯非線性性質(zhì)。此外，排土場堆高越高，排土場內(nèi)部固結(jié)應(yīng)力越大，顆粒破碎對排土料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響越明顯，從而引起排土場邊坡穩(wěn)定性的有條件轉(zhuǎn)化效應(yīng)更明顯[9]。傳統(tǒng)的線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對低圍壓狀態(tài)下排土場穩(wěn)定性計(jì)算具有較好的適用性，但難以反映高圍壓條件下粗大顆粒碎石破碎引起的強(qiáng)度衰減[10-11]。

對于以塊石及粗粒巖土堆積而成的排土場，其材料強(qiáng)度參數(shù)往往與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。在堆排過程中，排土料在一定的圍壓下會發(fā)生顆粒破碎現(xiàn)象，顆粒破碎引起粒間應(yīng)力重新分布，粒間內(nèi)聚力變?nèi)?，顆粒容易移動(dòng)，從而引起內(nèi)摩擦角降低，表現(xiàn)為強(qiáng)度包線后段向下彎曲，即在比較大的應(yīng)力范圍內(nèi)，物料的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間的比例關(guān)系并不是一個(gè)常數(shù)，它隨應(yīng)力的增加而降低[12-13]。排土料的內(nèi)摩擦角與圍壓有關(guān)，通常圍壓越大，內(nèi)摩擦角越小，呈非線性關(guān)系。

內(nèi)摩擦角非線性強(qiáng)度公式為：

φ=φ0-Δφlgσ3p（1）式中：φ為土體滑動(dòng)面的內(nèi)摩擦角（°）;φ0為圍壓為一個(gè)大氣壓力下的內(nèi)摩擦角（°）;Δφ為內(nèi)摩擦角增量（°）;σ3為圍壓（kPa）;p為大氣壓力（kPa）。

考慮到排土場深部顆粒破碎，產(chǎn)生排土料強(qiáng)度弱化效應(yīng)，采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算排土場穩(wěn)定性。排土料非線性強(qiáng)度指標(biāo)如表2所示。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

GB 51119—2015 《冶金礦山排土場設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]指出，采用極限平衡法進(jìn)行排土場穩(wěn)定性分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)破壞模式選擇計(jì)算方法。排土場潛在失穩(wěn)模式有3種：沿排土體-原始山體表面接觸帶滑坡、排土本體（內(nèi)部）近程滑動(dòng)、排土場基礎(chǔ)滑坡。當(dāng)發(fā)生排土本體（內(nèi)部）近程滑動(dòng)及排土場基礎(chǔ)滑坡時(shí)，滑動(dòng)面基本為圓弧形破壞模式，可采用Morgenstern-Price法、Bishop法、Spencer法進(jìn)行分析。該超高排土場采用膠帶排巖系統(tǒng)排土，排土場內(nèi)部廢石的潛在滑動(dòng)面為圓弧形滑面或其他光滑曲面，在考慮排土場深部顆粒破碎與不考慮排土場深部顆粒破碎2種模式下，采用Bishop法在自然、降雨及地震3種工況下對該超高排土場進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以探明堆置過程中顆粒破碎效應(yīng)引起的排土料強(qiáng)度改變對排土場邊坡穩(wěn)定性的影響。

2.1 應(yīng)力變形分析

該超高排土場典型剖面豎直方向大、小主應(yīng)力云圖如圖4所示。沿豎直方向從上到下，大主應(yīng)力隨著深度的增加逐漸增大，最大值約為3 500 kPa;小主應(yīng)力呈現(xiàn)類似的趨勢，排土場底部小主應(yīng)力最大值約為1 200 kPa。隨著排土場內(nèi)部壓應(yīng)力的增加，排土料的內(nèi)摩擦角存在一定程度的減小，表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)的弱化。圍壓（小主應(yīng)力）越大，這種抗剪強(qiáng)度弱化的效果越大，因此對超高排土場進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，應(yīng)充分考慮高圍壓作用對排土料抗剪強(qiáng)度的弱化，以準(zhǔn)確判斷排土場邊坡穩(wěn)定性。

2.2 未考慮排土場深部顆粒破碎

物理力學(xué)指標(biāo)取值如表1所示，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)如表3、圖5所示。結(jié)果表明：自然工況安全系數(shù)為1.496，降雨工況安全系數(shù)為1.391，地震工況安全系數(shù)為1.235，均滿足規(guī)范穩(wěn)定性要求。

2.3 考慮排土場深部顆粒破碎

采用材料的非線性強(qiáng)度指標(biāo)反映排土料內(nèi)摩擦角隨著圍壓變化的程度，充分考慮高圍壓作用對排土料抗剪強(qiáng)度的弱化，準(zhǔn)確評估高圍壓條件下排土場的邊坡穩(wěn)定性。

典型剖面內(nèi)摩擦角（φ′）的分布情況如圖6所示。邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)如表4、圖7所示。

由圖6可以看出：越遠(yuǎn)離邊坡，內(nèi)摩擦角越小。隨著排土高度增加，排土料的強(qiáng)度參數(shù)（內(nèi)摩擦角）變化越明顯。由表4和圖7可以看出：自然工況安全系數(shù)為1.459，降雨工況安全系數(shù)為1.347，地震工況安全系數(shù)為1.229，均滿足規(guī)范穩(wěn)定性要求。但是，與未考慮排土場深部顆粒破碎相比，考慮排土場深部顆粒破碎的邊坡安全系數(shù)均降低。

邊坡穩(wěn)定性研究結(jié)果表明，超高排土場在堆置過程中，深部顆粒破碎效應(yīng)引起排土料強(qiáng)度改變，從而降低排土場邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

3 結(jié) 論

1）針對國內(nèi)某超高排土場，基于極限平衡法，考慮排土場深部顆粒破碎對超高排土場邊坡穩(wěn)定性的影響，提高超高排土場邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的可靠度。

2）內(nèi)摩擦角是表征排土散體材料強(qiáng)度特性的主要指標(biāo)。研究結(jié)果表明，排土場內(nèi)部排土料的內(nèi)摩擦角表現(xiàn)出明顯的非線性，越遠(yuǎn)離排土邊坡，內(nèi)摩擦角越小。

3）傳統(tǒng)的線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)難以反映高圍壓條件下粗大顆粒碎石破碎引起的強(qiáng)度衰減。

4）對于超高排土場，應(yīng)考慮高圍壓條件下深部顆粒破碎導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度弱化的影響。

5）超高排土場建設(shè)是未來排土場的趨勢。希望未來有更多的相關(guān)研究，推動(dòng)超高排土場穩(wěn)定性分析研究領(lǐng)域的發(fā)展，最終指導(dǎo)工程實(shí)踐。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 王光進(jìn)，楊春和，張超，等.超高排土場的粒徑分級及其邊坡穩(wěn)定性分析研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（2）：905-913，921.

[2] 趙東寅.超高臺階排土場散體塊度分布規(guī)律及其強(qiáng)度變化特性研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016，32（9）：32-36.

[3] 王海，王莫舒，李偉，等.基于極限平衡法的露天礦排土場邊坡穩(wěn)定性分析[J].露天采礦技術(shù)，2016，31（6）：1-3，8.

[4] 王光進(jìn)，楊春和，孔祥云，等.超高臺階排土場散體塊度分布規(guī)律及抗剪強(qiáng)度參數(shù)的研究[J].巖土力學(xué)，2012，33（10）：3 087-3 092，3 161.

[5] 張永樂，周玉新.永平銅礦西部排土場排土方案及其穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山，2008（4）：126-128.

[6] 馬慶軍，李志峰.月明山排土場邊坡穩(wěn)定性研究[J].礦業(yè)工程，2006，4（1）：15-17.

[7] 謝學(xué)斌，潘長良.排土場散體巖石粒度分布與剪切強(qiáng)度的分形特征[J].巖土力學(xué)，2004，25（2）：287-291.

[8] 趙光思，周國慶，朱鋒盼，等.顆粒破碎影響砂直剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，37（3）：291-294.

[9] 翟文龍，周漢民，陳斌.某高臺階排土場基底承載力與極限堆高分析[J].有色金屬（礦山部分），2015，67（6）：89-92，98.

[10] 黃敏，李夕兵，付玉華，等.某礦山排土場邊坡穩(wěn)定性分析[J].礦冶工程，2007，27（5）：12-14，17.

[11] 曹陽，黎劍華，顏榮貴，等.超高臺階排土場建設(shè)決策研究與實(shí)踐[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21（12）：1 858-1 862.

[12] 張德政.排土場廢石塊度分布的分形特征[J].中國礦業(yè)，1995（3）：49-52.

[13] 汪海濱，李小春，米子軍，等.黃土地基排土場滑坡演化機(jī)制研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（12）：3 672-3 678.

[14] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.冶金礦山排土場設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 51119—2015[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2015.

Analysis of the stability of a super high dump

Su Xingyue1，2，Zhang Yu2

（1.School of Management，China University of Mining and Technology（Beijing）; 2.BGRIMM Technology Group）

Abstract：Under high confining pressure，the particle fragmentation deep in the dump is the most important characteristic that tells super high dump from low-grade dump.Calculation model is established based on a domestic super high dump.In the 2 patterns，with and without the particle fragmentation deep in the dump taken into consideration，the slope stability is analyzed in 3 working conditions that are nature，rainfall and earthquake，using limit equilibrium method.The results show that during the stockpiling process of the dump，the particle fragmentation effect causes the change of dump materials，thus lowering the safety coefficient of the dump slope stability.

Keywords：super high dump;particle fragmentation;slope;stability;safety coefficient