紅沙泉露天礦外排土場邊坡穩(wěn)定性分析與治理

祁有濤，張東旭，白繼元，胡德昊

（1.國家能源集團(tuán)新疆能源公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室,遼寧 撫順 113122；4.國家能源集團(tuán)新疆能源公司 紅沙泉露天煤礦，新疆 昌吉 831100）

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展，因為工業(yè)生產(chǎn)引起的邊坡失穩(wěn)或多或少的影響著財產(chǎn)損失和人身安全，需要眾多的學(xué)者專家更進(jìn)一步的研究[1]。繆海賓等[2]通過基地黃土孔隙水壓力消散實驗，得到了孔隙水壓力及消散度與消散時間之間影響規(guī)律，基于極限平衡法和孔隙水壓力消散規(guī)律，提出了黃土基地排土場動態(tài)穩(wěn)定系數(shù)計算方法，基于該算法，對原有靜態(tài)的黃土基地排土場穩(wěn)定控制措施進(jìn)行優(yōu)化，提出了“分段排土，控制強(qiáng)度，分區(qū)推進(jìn)，調(diào)整程序，監(jiān)測監(jiān)控，增大容量”動態(tài)穩(wěn)定控制措施；曹蘭柱等[3]采用二維剛體極限平衡等手段對白音華三號露天礦順傾軟弱基地的內(nèi)排土場邊坡進(jìn)行了研究，提出了內(nèi)排角度及內(nèi)排土場發(fā)展至不同工程位置對內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性的影響；韓萬東等[4]利用Bishop 和Spencer 2 種極限平衡法對露天礦邊坡進(jìn)行分析計算，并利用數(shù)值模擬對邊坡破壞機(jī)理及其滑坡模式進(jìn)行研究，為邊坡穩(wěn)定性評價治理提供依據(jù)，李偉[5]根據(jù)邊坡地質(zhì)資料和現(xiàn)場地表GPS 位移監(jiān)測結(jié)果，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了陰灣排土場邊坡破壞機(jī)理，確定了陰灣排土場滑坡治理措施及后續(xù)排土方案。

隨著不斷的深入研究，以有限元法、有限差分法、離散元法等為代表的數(shù)值計算方法在邊坡工程領(lǐng)域應(yīng)用得越來越廣泛[6-10]，為邊坡穩(wěn)定性分析提供了有效的技術(shù)手段。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 邊坡基本情況

紅沙泉露天煤礦老外排土場位于采場西北角，是建礦初期初始拉溝排棄的剝離物料，后期在露天礦建設(shè)過程中，老外排土場不在外排境界內(nèi)而放棄排棄，最終形成1 個高20 m 的排土場。緊鄰老外排土場南幫建設(shè)有加油站1 座，在2017 年6 月，由于雨季降水量集中，導(dǎo)致老外排土場南幫坡頂處出現(xiàn)裂紋，并且沿裂紋沉降高程最大處有1.1 m，嚴(yán)重威脅加油站油庫的安全。

南幫邊坡長約30 m，邊坡傾向16°，走向NE74°，邊坡高12～20 m。邊坡中的土體已經(jīng)發(fā)生輕微的破壞，沿軟弱層向臨空面方向發(fā)生了變形。

1.2 巖土體類型及結(jié)構(gòu)

1）第四系松散層。中等干強(qiáng)度，褐紅色，中等韌性，可塑，略濕，無搖震反應(yīng)。

2）侏羅系淺部風(fēng)化巖。構(gòu)造厚層狀，白灰色，變晶結(jié)構(gòu)石英巖；夾有薄層板巖，隱晶質(zhì)呈變晶構(gòu)造，厚度一般為1～10 cm 不等；短柱狀巖心，不易被擊碎，錘擊聲清脆，為較硬巖，破碎較容易，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。

3）新近系碎屑巖。褐黃色或褐紅色，構(gòu)造厚層狀，變晶結(jié)構(gòu)石英巖；局部含有薄層板巖，厚度一般1～10 cm，呈變晶構(gòu)造；隱晶質(zhì)厚度一般為10～30 mm，層狀構(gòu)造；巖體結(jié)構(gòu)破碎，易被錘擊碎，碎塊狀巖心，軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。

4）排棄物。略濕，褐黃色，松散，主要成分為戈壁碎石風(fēng)化巖及粉土含量，碎石呈石英質(zhì)，含量30%左右，棱角狀，粒徑一般為4～15 cm。

1.3 巖土工程參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)試驗及原位測試、紅沙泉露天煤礦初步設(shè)計、邊坡穩(wěn)定性評價及驗算報告，并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗參數(shù)，得出各巖土層物理力學(xué)參數(shù)及其他地基承載力。

1）排棄物。黃褐色，松散，重型圓錐動力觸探試驗區(qū)間值為2.0～5.9 擊，標(biāo)準(zhǔn)值為3.7 擊，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗該層密度為1.80 t/m3，黏聚力為10 kPa，內(nèi)摩擦角為10°。

2）第四系松散層。紅褐色，可塑，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗區(qū)間值為5.8～12.3 擊，標(biāo)準(zhǔn)值為7.6 擊，液性指數(shù)為0.52，孔隙比為0.826，密度為1.92 t/m3，黏聚力為22.3 kPa，內(nèi)摩擦角為6.7°，地基承載力特征值為180kPa，墻底摩擦系數(shù)為0.35。

3）新近系碎屑巖。屬于較軟巖，破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。重型圓錐動力觸探試驗區(qū)間值為13.8～20.5 擊，標(biāo)準(zhǔn)值為17.1 擊，地基承載力特征值為400 kPa，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗該層密度為2.30 t/m3，黏聚力為30 kPa，內(nèi)摩擦角為25°，墻底摩擦系數(shù)為0.50。

4）侏羅系淺部風(fēng)化巖。屬較硬巖，較破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級，中風(fēng)化石英巖飽和抗壓強(qiáng)度為35.4～46.4 MPa，平均為37.2 MPa，地基承載力特征值為3 000 kPa，密度為2.60 t/m3，黏聚力為50 kPa，內(nèi)摩擦角為40.0°，墻底摩擦系數(shù)為0.60。

2 GeoStudio 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 模型的建立和安全儲備系數(shù)

GeoStudio 南幫邊坡為人工堆填形成的邊坡，選取南幫邊坡A-A′剖面為典型地質(zhì)剖面，采用極限平衡二維算法模擬軟件對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，可以反映出加油站油庫北側(cè)南幫邊坡的穩(wěn)定性情況。A-A′剖面所在邊坡基于GeoStudio 軟件建立的模型中各層代表的巖土性質(zhì)自上而下依次為：排棄物、第四系松散層、新近系碎屑巖和侏羅系淺部風(fēng)化巖。

運用GeoStudio 模擬軟件，模擬潛在滑坡模式，計算出剖面滑坡的安全系數(shù)，判斷邊坡穩(wěn)定性，并對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，同時提出有效的防護(hù)建議[11-12]?？紤]到紅沙泉露天煤礦老外排土場南幫邊坡緊挨著加油站油庫，根據(jù)GB 50197—2005 煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范要求，南幫邊坡的安全儲備系數(shù)確定為1.3。

2.3 GeoStudio 模擬結(jié)果

剖面A-A′邊坡GeoStudio 計算結(jié)果如圖1。

圖1 剖面A-A′邊坡GeoStudio 計算結(jié)果

A-A′剖面所在區(qū)域邊坡傾角較大，經(jīng)計算得到邊坡的安全系數(shù)為0.865，因此可以判定該邊坡是極為不穩(wěn)定的，這與邊坡的現(xiàn)狀相對應(yīng)。從圖3 可以看出，A-A′剖面所在邊坡潛在滑移面位置從坡頂部位向坡腳延伸，滑坡模式為圓弧形滑動，計算的安全系數(shù)0.865 遠(yuǎn)小于確定的邊坡安全儲備系數(shù)，因此邊坡在進(jìn)行工程活動時是極不穩(wěn)定的，即使在自然狀態(tài)下也是不穩(wěn)定的。

3 FLAC3D 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 FLAC3D 模型

FLAC3D模型中的每個網(wǎng)格都可以被賦予不同的材料屬性，并且還可以指定變化梯度和不同材料參數(shù)的統(tǒng)計分布。通過FLAC3D中的網(wǎng)格生成器gen連接、匹配生成局部網(wǎng)格，可以快速的生成所需要的三維屬性結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

由于FLAC3D對于復(fù)雜的三維模型的建模較為困難，因此采用CAD 建模，ANSYS 劃分單元與節(jié)點，再將單元節(jié)點信息導(dǎo)入FLAC3D生成模型進(jìn)行數(shù)值模擬的方法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析[13-15]。

選擇A-A′剖面所在邊坡作為模擬對象，建立FLAC3D模型，其側(cè)視圖尺寸與基于極限平衡法的GeoStudio 中建立的模型尺寸相同。模型的坡面為自由面，模型假設(shè)水平和垂直位移均為0；建立的模型的頂部和坡面均無約束條件，視為自由邊界。

3.2 FLAC3D 模擬結(jié)果

A-A′剖面邊坡FLAC3D模擬結(jié)果如圖2 。

從最大位移矢量圖2（a）中可以看出，邊坡體最大位移為3.94 m；從二維位移云圖2（b）與剪切應(yīng)變增量圖2（e）可以看出，邊坡的滑坡模式為圓弧滑動，滑坡圓弧沿邊坡體坡頂延伸至坡腳；邊坡體的潛在滑移模式為下部土體（或巖體）的滑動牽引上部土體（或巖體）滑動，從而使邊坡產(chǎn)生潛在的滑動；在自重作用下，邊坡巖體沿軟弱層向臨空面發(fā)生大變形。

通過分析垂直應(yīng)力云圖2（c）與水平應(yīng)力云圖2（d）可以看出，垂直應(yīng)力主要在自重應(yīng)力的作用下，隨著埋深的增加垂直應(yīng)力近線性增加；而水平應(yīng)力也是隨著埋深的增大而呈近線性增大，在坡腳處出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中，這也是造成邊坡發(fā)生破壞的重要因素；隨著邊坡體軟弱層破壞范圍增加，使得邊坡穩(wěn)定性下降，從而邊坡發(fā)生破壞。

運用數(shù)值模擬軟件計算的邊坡安全系數(shù)為0.86，與極限平衡法所得安全系數(shù)0.865 基本一致，且A-A′剖面所在邊坡的潛在滑移面位置和滑坡模式也基本一致相同，說明邊坡是不穩(wěn)定的。

4 邊坡的治理

由于該邊坡屬于人工堆填而形成，且邊坡由于排棄物厚度太大，采取削坡挖方的方式進(jìn)行治理工作量太大，也不夠經(jīng)濟(jì)。因此，對于該邊坡采用擋土墻的方式對邊坡進(jìn)行治理，綜合考慮坡體的高度、邊坡傾角和穩(wěn)定性分析結(jié)果，選取擋土墻中最簡單的處理方式重力式擋土墻對邊坡進(jìn)行治理，設(shè)計的重力式擋土墻的模型如圖3 。

圖3 重力式擋土墻模型

擋土墻的材料采用毛石混凝土，根據(jù)設(shè)計的擋土墻，結(jié)合邊坡實際情況，進(jìn)而對治理后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性驗算。

抗滑驗算如下：

擋土墻的截面面積A=5 m2。

式中：b1為墻頂上部寬度為b1=1 000 mm；b2為基地寬度，b2=1 500 mm；H 為整個擋土墻的高度，H=4 000 mm。

擋土墻每1 m 寬的自重G=110 kN。

式中：ρd為擋土墻的密度，ρd=2.2 t/m3；g 為重力加速度，m/s2。

每米寬的填土形成的主動土壓力Ea=34.85 kN。

式中：ψc為土壓力增大系數(shù)，ψc＝1.1；ρ 為填土密度，ρ=1.8 t/m3；ka為主動土壓力系數(shù)，ka＝0.22。

抗滑穩(wěn)定性系數(shù)ks=1.58。

式中：Gn為擋墻自重沿基底法線方向分量，Gn=Gcosα；Gt為擋墻自重沿基底平行方向分量，Gt=Gsinα；Ean為主動土壓力沿基底法線方向分量，Ean=Eacosα；Eat為主動土壓力沿基底平行方向分量，Eat=Easinα；μ 為基地土摩擦系數(shù)，μ=0.5；α 為自重與基底法線方向的夾角，α=0°。

由于計算所得的安全系數(shù)為1.58，大于所需安全按系數(shù)1.3，所以按設(shè)計的重力式擋土墻能夠滿足邊坡抗滑的要求。

抗傾覆驗算如下。

主動土壓力作用點距墻背底端高度z=1.33 m。

主動土壓力作用點距墻趾底端高度zf=1.33 m。

擋墻截面形心距墻趾底端水平距離x0=0.866 m。

式中：S 為擋墻截面對通過墻背底端豎軸的靜距，S=3.17 m3。

主動土壓力作用點距墻趾底端水平距離為xf=1.50 m。

抗傾覆安全系數(shù)Kt＝1.82≥1.6。

式中：Eax=Eat；Eaz=Ean。

計算得到的抗傾覆安全系數(shù)大于所需的安全系數(shù)，所以設(shè)計的重力式擋土墻滿足抗傾覆的要求。

承載力驗算如下：

修正后的地基承載力特征值fa＝194.4 kPa。

式中：fak為地基承載力，取180 kPa；ηb為擋土墻寬度修正系數(shù)，取0.3；ηd為埋深修正系數(shù)，取1.6；b為基礎(chǔ)地面寬度，取3 m；d 為擋土墻埋深，d=1 000 mm。

作用在基礎(chǔ)底面法線方向的每1 m 總作用力F=110 kN。

軸心荷載作用時，基礎(chǔ)底面的平均壓力值pk=73.3 kPa。

式中：B 為基礎(chǔ)底面寬度，B=b2；fa為地基承載力，fa=194.4 kPa。

擋墻自重及土壓力的合力在基礎(chǔ)底面的偏心距e=0.36 m，小于=0.375。

由此，可以看出偏心距也滿足要求。

擋墻自重及土壓力的合力在基礎(chǔ)底面產(chǎn)生的偏心力距M=39.6 kN·m。

偏心荷載作用時，基礎(chǔ)底面的最大壓應(yīng)力值pkmax=178.9 kPa，小于1.2fa=233.28 kPa。

地基承載力也滿足邊坡穩(wěn)定性要求。綜合對治理后的邊坡抗滑移、抗傾覆和地基承載力的驗算，經(jīng)驗算可知處理后的邊坡滿足邊坡穩(wěn)定性的要求，即設(shè)計的重力式擋土墻可以使邊坡穩(wěn)定。

5 結(jié)語

1）從邊坡的潛在滑移面位置的來看：極限平衡法和FLAC3D模擬這2 種方法得到的邊坡潛在滑移面位置基本一致，A-A′剖面所在邊坡潛在滑移面位置從坡頂延伸到坡腳位置。

2）極限平衡法得到邊坡安全系數(shù)為0.865，基于FLAC3D的模擬出邊坡中土體的最大位移為3.94 m，綜合這2 種分析方法得到的結(jié)果來看，南幫邊坡是不穩(wěn)定的，容易產(chǎn)生滑動。

3）對于A-A′剖面所在邊坡的治理方案為：采用由毛石混凝土為材料的重力式擋土墻，擋土墻頂寬為1.00 m，基地寬為1.50 m，高為4.00 m，埋深為1.00 m，持力層選擇為粉質(zhì)黏土層，擋土墻位置為邊坡坡腳位置。經(jīng)驗算，經(jīng)過治理后的邊坡滿足穩(wěn)定性要求。