基于圓弧型滑動(dòng)法的某尾礦渣穩(wěn)定性分析

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(陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司/自然資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075)

1 引言

我國(guó)礦產(chǎn)資源具有單一礦少、礦石成分復(fù)雜的特點(diǎn)，礦業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的原礦需要經(jīng)過破碎、磨礦、選礦，在選出精礦的同時(shí)也會(huì)排出大量尾礦渣[1]。20世紀(jì)80～90年代中后期我國(guó)礦業(yè)秩序十分混亂，無序開采、非法開采、亂采濫挖，或因資源枯竭礦山閉坑、或因企業(yè)破產(chǎn)、政策關(guān)閉及重組等原因，導(dǎo)致了嚴(yán)重的礦山地質(zhì)環(huán)境問題[2]。由于選礦過程中尾礦經(jīng)受反復(fù)研磨，故尾礦渣通常相對(duì)密度較小，比表面積大，堆積中易發(fā)生流動(dòng)、坍塌事故，特別是暴雨條件下，尾礦渣堆積體極易產(chǎn)生滑坡或泥石流災(zāi)害[3]。尾礦渣堆積體發(fā)生滑坡的潛在威脅不僅在礦區(qū)生產(chǎn)作業(yè)期間持續(xù)存在[4]，即便礦區(qū)廢棄、采礦活動(dòng)停止，尾礦渣滑坡的威脅仍然存在。為此，加強(qiáng)尾礦渣滑坡災(zāi)害的防治工作對(duì)于保證尾礦渣邊坡的穩(wěn)定性及安全運(yùn)行極為重要。

堆渣體的穩(wěn)定在一定程度上不亞于高邊坡穩(wěn)定，需要得到高度關(guān)注。王旭旺[5]通過向鐵尾礦渣中加入不同劑量的水泥和粉煤灰用作半剛性路面基層，并分析了5個(gè)級(jí)配的混合料摻入劑量的水泥抗裂性，進(jìn)一步提升了鐵尾礦廢渣混合料的抗裂性。趙黔義[6]利用XRD和SEM等方法觀察、分析混合料固化體的結(jié)構(gòu)特征，表明鐵尾礦渣在摻入石灰和粉煤灰后，其穩(wěn)定性和強(qiáng)度得到進(jìn)一步提升。喬高勇[7]等通過對(duì)堆渣體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析與加固力進(jìn)行計(jì)算，制定出滑坡總體加固治理方案并驗(yàn)證了邊坡加固后的安全系數(shù)，在堆渣體自身強(qiáng)度增加的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步關(guān)注了堆渣體高邊坡穩(wěn)定問題。蔣平[8]等通過采集堆渣體不同坡位的棄渣樣品，并對(duì)其含水率、飽和含水率、飽和導(dǎo)水率、容重和機(jī)械組成等物理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)以直剪試驗(yàn)對(duì)堆渣體邊坡穩(wěn)定性特征進(jìn)行分析，最終給出了攔擋措施的建議。蘇楠[9]等通過對(duì)楊柳青電廠液態(tài)渣的化學(xué)成分、物理力學(xué)性能進(jìn)行的系統(tǒng)研究，得出了其主要化學(xué)組成、顆粒級(jí)配靜力應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)等重要的化學(xué)物理力學(xué)指標(biāo)，為液態(tài)渣的綜合利用及堆渣體的穩(wěn)定提供了技術(shù)參考和科學(xué)依據(jù)。

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合某尾礦渣，選取一些典型剖面的計(jì)算參數(shù)，采用定性分析與定量計(jì)算相結(jié)合的方法，定性分析野外勘測(cè)資料的綜合判斷，定量計(jì)算實(shí)測(cè)斷面，開展該尾礦渣的穩(wěn)定分析。

2 研究區(qū)概況

治理區(qū)河段長(zhǎng)約2700 m，目前河水以青灰色礦漿水為主。河道兩側(cè)堆積了大量選礦、氰化尾礦渣河道，最大的堆渣面積約2.18×104m2，堆渣體厚度約1.5～16 m。堆渣在擠占河道、加大河流彎曲度的同時(shí)，不但浪費(fèi)大面積土地資源，同時(shí)對(duì)流域環(huán)境產(chǎn)生了顯著的重金屬污染。該尾礦渣堆積體的最厚處約6 m，平均厚度約2 m，堆積體擠占耕地，破壞植被。堆渣體的位置可分為3種，全部堆積于階地上，堆積于階地及河漫灘上，全部堆積于河漫灘上，其規(guī)格(顏色、形狀及堆積位置)見圖1。

圖1 堆積體規(guī)格統(tǒng)計(jì)

3 材料與方法

3.1 各層土的物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)成果和現(xiàn)場(chǎng)密度試驗(yàn)，將各層土的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見表1及表2。

表1 治理區(qū)礦渣物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

表2 治理區(qū)粉質(zhì)粘土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

地基土(卵礫石)的承載力特征值fak系野外動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果，分別按照《巖土工程勘察規(guī)范》[10]、《工程地質(zhì)手冊(cè)》[11]綜合確定的，其評(píng)價(jià)結(jié)果詳見表3。

表3 卵礫石層承載力特征值

3.2 計(jì)算方法及計(jì)算工況

根據(jù)邊坡土體巖性主要為雜填土，可以認(rèn)為坡體為均質(zhì)土體，計(jì)算可按圓弧型滑動(dòng)法對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。

經(jīng)鉆孔可知，邊坡巖土組成以雜填土和粉質(zhì)粘土為主，推測(cè)滑動(dòng)面均為圓弧形，用不平衡推力傳遞系數(shù)法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

穩(wěn)定性系數(shù)可表達(dá)為[12]：

(1)

其中：

ψj=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tanφi+1

(2)

Ri=Nitanφi+cili

(3)

Ni=Qicosθi

(4)

Ti=Qisinθi

式中:y i，n為樣品氣中碳數(shù)為n的i組分的摩爾分?jǐn)?shù)，%;y C4為標(biāo)準(zhǔn)氣中丁烷的摩爾分?jǐn)?shù)，%;A i，n為樣品氣中i組分的峰面積，p A·s;A C4為標(biāo)準(zhǔn)氣體混合物中丁烷的峰面積，p A·s;n為重?zé)N組分的碳數(shù)。

(5)

式(1)～(5)中：K為邊坡穩(wěn)定系數(shù)，Ri為作用于第i塊段的抗滑力，Ti為作用于第i塊段的滑動(dòng)分力，Qi為第i塊段坡體受的重力，Ni為第i塊段坡體重力的滑動(dòng)法向分力，φi為第i塊段土的內(nèi)摩擦角，ci為第i塊土的粘聚力，li為第i塊段滑動(dòng)面長(zhǎng)度，ψj為第i塊段剩余下滑力傳遞至i+1塊段的傳遞系數(shù)(j=i)，θi為第i塊段滑面傾角。

3.2.2 計(jì)算工況

降雨使邊坡飽水是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素，重點(diǎn)考慮持續(xù)降雨工況及坡體飽水情況的穩(wěn)定系數(shù)，因此計(jì)算工況考慮以下兩種：工況1：天然自重狀態(tài)；工況2：自重及暴雨。

3.3 計(jì)算參數(shù)的確定

計(jì)算參數(shù)主要在統(tǒng)計(jì)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)邊坡物質(zhì)物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件、坡體結(jié)構(gòu)特征、性狀、坡體變形及其空間變化情況，再結(jié)合反算結(jié)果綜合確定。

3.3.1 室內(nèi)試驗(yàn)值

由土體室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表1～表3可得，土樣試驗(yàn)結(jié)果平均值計(jì)算，邊坡雜填土天然重度為20.7 kN/m3，飽和重度為21.5 kN/m3；粉質(zhì)粘土天然重度為19.3 kN/m3，飽和重度為20.13 kN/m3。

3.3.2 經(jīng)驗(yàn)值

給出天然狀態(tài)下的參數(shù)為：γ=20.4 kN/m3，c=9.5 kPa，φ=7.6°，飽和狀態(tài)下的參數(shù)為：γ=21.0 kN/m3，c=9.0 kPa，φ=7.0°。

3.3.3 反分析值

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)邊坡的變形特征及現(xiàn)所處的穩(wěn)定性狀態(tài)的定性評(píng)價(jià)，各邊坡在天然狀態(tài)下均處于穩(wěn)定和基本穩(wěn)定的狀態(tài)，所以其FS值均大于1；考慮到人工邊坡巖土體物理力學(xué)性質(zhì)的變化，由于人工邊坡坡體物質(zhì)主要以雜填土為主，選擇坡體抗剪強(qiáng)度參數(shù)時(shí)，內(nèi)聚力較小，而內(nèi)摩擦角則相對(duì)較大，故以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的內(nèi)摩擦角為反演依據(jù)，主要對(duì)抗剪強(qiáng)度進(jìn)行反演。反演公式根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》[13]參數(shù)反演公式進(jìn)行計(jì)算，如下：

(6)

(7)

式(6)、(7)中：φ為坡體物質(zhì)的內(nèi)摩擦角，c為坡體物質(zhì)的內(nèi)聚力，F(xiàn)為根據(jù)計(jì)算工況給定的穩(wěn)定系數(shù)，L為滑帶的總長(zhǎng)度。反演工況分為天然工況和暴雨飽和工況，其結(jié)果見表1。

3.3.4 參數(shù)的綜合取值

經(jīng)對(duì)巖土室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果及代表性剖面的反演分析，綜合確定各邊坡計(jì)算參數(shù)為表4。

表4 各邊坡計(jì)算剖面C/φ值參數(shù)反演計(jì)算結(jié)果表

4 結(jié)果與分析

經(jīng)計(jì)算，選取部分剖面穩(wěn)定性計(jì)算成果見表5。

表5 部分剖面邊坡穩(wěn)定性計(jì)算成果匯總

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》[13]規(guī)定，斜坡穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)根據(jù)其穩(wěn)定系數(shù)如表6確定。

表6 斜坡穩(wěn)定狀態(tài)分級(jí)表

由定性和定量評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，在天然狀態(tài)下，大部分邊坡處于欠穩(wěn)定～穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨飽和條件下，大部分邊坡均處于不穩(wěn)定～欠穩(wěn)定狀態(tài)，易產(chǎn)生失穩(wěn)下滑。個(gè)別邊坡會(huì)發(fā)生淺層的滑動(dòng)，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，其穩(wěn)定性計(jì)算與綜合觀測(cè)分析吻合。

5 結(jié)論

治理區(qū)內(nèi)礦渣的隨意堆放，對(duì)附近環(huán)境及當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉa(chǎn)生活產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，為改善人居環(huán)境，盡量減少污染，應(yīng)對(duì)礦渣堆積體進(jìn)行處理。通過計(jì)算分析得出以下結(jié)論。

(1)由于堆渣體的堆積和河流的沖刷造成治理區(qū)內(nèi)堆渣體的局部呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，除此之外并無不良地質(zhì)作用。

(2)通過對(duì)堆渣體定性和定量穩(wěn)定性綜合分析，在天然狀態(tài)下，堆渣體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨飽和條件下，堆渣體處于欠穩(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài)；水(降雨和河流)以及人為活動(dòng)是致使堆渣體發(fā)生失穩(wěn)的主要誘發(fā)因素。