濕陷性黃土地基排土場穩(wěn)定性分析

常銀聯(lián)

（中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司，北京 100161）

排土場是露天礦山三大重大危險源（尾礦庫、排土場和邊坡）之一，在自然排土堆積過程中，其邊緣形成邊坡體，易產(chǎn)生裂縫，甚至出現(xiàn)滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象，進(jìn)而影響排土場的穩(wěn)定性，對周圍的環(huán)境以及排土場下游的村莊會產(chǎn)生一定的災(zāi)害危險。

為了保證排土場的穩(wěn)定性，減少安全風(fēng)險，國內(nèi)大型露天礦山均對排土場開展了穩(wěn)定性研究工作，朱才輝等[1]研究了降雨對高填方的影響；趙永順[2]利用了極限平衡法對排土場進(jìn)行了分析；李巖[3]分析了排土場的破壞區(qū)域，并且側(cè)重于如何對排土場進(jìn)行治理；張巖等[4]構(gòu)建地質(zhì)模型，利用數(shù)值分析排土場邊坡穩(wěn)定性，研究了邊坡破壞的防治方法。以上研究多數(shù)采用了Janbu、Spencer、Morgensterm－price 法及折線法進(jìn)行了排土場邊坡穩(wěn)定性計算分析，雖然上述方法可以有力的分析排土場的穩(wěn)定性，但未對計算結(jié)果進(jìn)行驗證。為此，利用以上方法對不同工況下進(jìn)行計算分析，建立符合排土場工程特征的典型地質(zhì)剖面和代表性分析剖面，通過室內(nèi)外試驗結(jié)果選取排土料及地基巖體強度的物理力學(xué)參數(shù)，并利用余推力法[5]輔以佐證，確定計算結(jié)果的準(zhǔn)確性；研究的意義在于更加準(zhǔn)確有效分析排土場邊坡的穩(wěn)定性，對評估排土場對下游的影響提供依據(jù)，同時論證排土工藝系統(tǒng)的可行性，確定最佳的排土方式[6]。

1 計算條件

1）計算方法。排土場邊坡變形、破壞的模式[7]存在多樣性：①上部排土料本身滑坡的可能性（圓弧形）[8]；②沿著基底軟弱層滑坡的可能性（折線形）。因此，根據(jù)濕陷性黃土地基軟弱地層的工程特點，穩(wěn)定性評價選擇Janbu 法（適合于非圓弧形狀滑動面）、Spencer 法（適合于圓弧和折線）Morgensternprice 法（M－P，適合于圓弧和折線）[9]、余推力法4種方法，對排土場邊坡典型剖面穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析，并以自動搜索所獲得的最小安全系數(shù)來表征各代表性剖面的穩(wěn)定性特征。在完成排土場整體穩(wěn)定性分析給出全局判斷的同時，又通過排土場局部區(qū)域穩(wěn)定性分析，實現(xiàn)對關(guān)鍵部位的調(diào)控和處置。

2）計算剖面選定。對袁家村鐵礦排土場工程而言，本體堆積坡度基本以固定的安息角存在。典型的代表性剖面，應(yīng)是最不利剖面，基于地質(zhì)測繪成果，在排土場選定溝中心處（坡高最大）、原始地基最大傾角處（約束角最大）、正壓黃土梁和山谷、以及沿主溝走向（最可能滑動方向）為典型剖面，排土場典型剖面示意圖如圖1。

圖1 排土場典型剖面示意圖

3）地質(zhì)概化模型。排土場本體地質(zhì)概化模型主要依據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)場排土工藝調(diào)查及排土料力學(xué)試驗成果。排土料根據(jù)汽車排土堆積過程及篩分試驗成果，按不同臺階分為上、中、下3 層。綜合地質(zhì)調(diào)查及現(xiàn)場測繪成果、參照相關(guān)地質(zhì)資料，統(tǒng)籌考慮邊界條件及影響，在工程地質(zhì)剖面基礎(chǔ)上建立排土場現(xiàn)狀計算剖面模型。典型剖面地質(zhì)概化模型圖如圖2。

圖2 典型剖面地質(zhì)概化模型

4）計算參數(shù)確定。排土場工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要可分為排土料層和地基層?？紤]散體組構(gòu)的差異性主要來源于排土場形成過程中的排土工藝，袁家村3個排土場均采用汽車排土工藝，考慮排土工藝產(chǎn)生的分選效應(yīng)導(dǎo)致的粗細(xì)分層特征，將排土料分為上、中、下3 層。綜合完成的大三軸試驗成果[10]、室內(nèi)大直剪[11]，經(jīng)比較最終選定計算參數(shù)。其他地層結(jié)構(gòu)特征、力學(xué)參數(shù)利用既有勘察資料統(tǒng)計分析的成果，結(jié)合補充部分直剪和三軸試驗驗證結(jié)果，綜合選??；黃土力學(xué)參數(shù)主要依據(jù)現(xiàn)場室內(nèi)試驗成果，并輔以既有勘察資料統(tǒng)計分析而選取。物理參數(shù)主要根據(jù)室內(nèi)外試驗結(jié)果選取，穩(wěn)定性計算巖土物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)取值

5）工況設(shè)置?，F(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及測試表明，場址范圍地下水位線未能穿越排土料層。自然工況對應(yīng)靜態(tài)水位條件，地下水的靜水壓力對排土場邊坡穩(wěn)定性影響較小。本次穩(wěn)定性計算對現(xiàn)狀及終了狀態(tài)綜合考慮了自然、地震、降雨作用，分設(shè)3 個計算工況。對典型過程年度只對自然工況及降雨工況進(jìn)行排土場穩(wěn)定性進(jìn)行評價。計算時針對各剖面各年度狀態(tài)僅對最危險滑面所處位置以及排土場整體計算不同工況下的穩(wěn)定性。其余位置僅計算自然工況的穩(wěn)定性，工況計算結(jié)果見表2。

表2 工況計算結(jié)果

2 穩(wěn)定性分析

根據(jù)以上模型、邊界條件、力學(xué)參數(shù)及工況選擇，分別選擇Janbu 修正法、Spencer 法和Morgenstern法3 種方法對各個剖面進(jìn)行極限平衡分析。

現(xiàn)場檢測分析表明，排土場區(qū)域內(nèi)場址穩(wěn)定無不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)，但是整個區(qū)域內(nèi)存在濕陷性黃土等軟弱地層，研究區(qū)域內(nèi)排土場有本體滑坡和沿面滑坡的可能。綜合考慮到排土場實際的排土工藝，不同位置可能具有不同的標(biāo)高，且部分為多臺階，計算中對排土場邊坡既對整體穩(wěn)定性進(jìn)行驗算，又對臺階進(jìn)行穩(wěn)定性驗算，最后選取代表性的計算結(jié)果列于報告中。對于最危險滑面列出各工況下各計算方法的潛在滑面位置示意圖。

2.1 剖面A 穩(wěn)定性分析

1）自然工況。剖面A 位置排土場有2 個平臺，分別為1577 平臺、1565 平臺。剖面位置排土場潛在的破壞面從靠近坡肩處進(jìn)入，沿著排土料散體下穿至坡腳附近的黃土區(qū)，Janbu 法、Spencer 法、Mogenstern－price 法計算得到的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為2.341、2.428、2.434，安全系數(shù)大于選定的1.25 要求。Janbu 法、Spencer 法、Mogenstern－price 法計算得到的局部（1565 m 臺階）穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為1.569、1.656、1.648，安全系數(shù)滿足選定的1.15。

2）降雨工況。計算得到的最危險滑面穿過坡腳位置排土料與黃土的接觸面，Janbu 修正法得到的最危險的滑面安全系數(shù)最小為1.988，Spencer 法得到的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)2.044，Mogenstern－price法得到的穩(wěn)定性系最小為2.067，Janbu 法、Spencer法、Mogenstern－price 法得到的局部（1565 臺階）穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為1.495、1.591、1.604，安全系數(shù)滿足要求。因降雨改變了排土料內(nèi)部及地基黃土的滲流場，且土體強度發(fā)生改變，該工況下安全系數(shù)比自然工況下的安全系數(shù)有所減小，但計算得到的安全系數(shù)滿足選定的允許安全系數(shù)要求。

3）地震工況。對整體穩(wěn)定性進(jìn)行計算，Janbu 修正法得到的最危險的滑面穩(wěn)定性系數(shù)為2.139，Spencer 法得到的穩(wěn)定性系數(shù)最小為2.228，Mogenstern－price 法得到的穩(wěn)定性系數(shù)最小為2.227，處于穩(wěn)定狀態(tài)。對局部（1565 臺階）穩(wěn)定性進(jìn)行計算，Janbu 修正法得到的最危險的滑面穩(wěn)定性系數(shù)為1.482，Spencer 法得到的穩(wěn)定性系數(shù)最小為1.568，Mogenstern－price 法得到的穩(wěn)定性系數(shù)最小為1.560，滿足選定的允許安全系數(shù)，處于穩(wěn)定狀態(tài)。與自然工況下相比，穩(wěn)定性降低，地震作用降低了排土場邊坡的穩(wěn)定性，但仍滿足提出的允許安全系數(shù)要求。

自然工況下、降雨工況下、地震工況下，剖面A處整體及局部（臺階）穩(wěn)定性及局部穩(wěn)定性安全系數(shù)均能滿足穩(wěn)定性要求。

2.2 剖面B 穩(wěn)定性分析

1）自然工況。剖面B 位置排土場有2 個平臺，分別為1577 平臺、1568 平臺。剖面位置排土場潛在的破壞面從靠近坡肩處進(jìn)入，沿著排土料散體下穿至坡腳附近的黃土區(qū)，Janbu 法、Spencer 法、Mogenstern－price 法得到的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為3.852、3.938、3.936，安全系數(shù)大于選定的1.25要求。Janbu 法、Spencer 法、Mogenstern－price 法得到的局部（1565 臺階）穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為2.213、2.370、2.356，安全系數(shù)滿足選定的允許安全系數(shù)。

2）降雨工況。計算得到的最危險滑面穿過坡腳位置排土料與黃土的接觸面，Janbu 修正法得到的最危險的滑面安全系數(shù)最小為3.581，Spencer 法得到的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)3.668，Mogenstern－price 法得到的穩(wěn)定性系最小3.655，Janbu 法、Spencer 法、Mogenstern－price 法計算得到的局部（1568 臺階）穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為2.144、2.282、2.288，安全系數(shù)滿足要求。因降雨改變了排土料內(nèi)部及地基黃土的滲流場，且土體強度發(fā)生改變，該工況下安全系數(shù)比自然工況下的安全系數(shù)有所減小，但計算得到的安全系數(shù)滿足選定的允許安全系數(shù)要求。

3）地震工況。對整體穩(wěn)定性進(jìn)行計算，Janbu 修正法得到的最危險的滑面穩(wěn)定性系數(shù)為3.408，Spencer 法得到的穩(wěn)定性系數(shù)最小為3.483，Mogenstern－price 法得到的穩(wěn)定性系數(shù)最小為3.481，處于穩(wěn)定狀態(tài)。對局部（1568 臺階）穩(wěn)定性進(jìn)行計算，Janbu 修正法得到的最危險的滑面穩(wěn)定性系數(shù)為2.060，Spencer 法得到的穩(wěn)定性系數(shù)最小為2.211，Mogenstern－price 法得到的穩(wěn)定性系數(shù)最小為2.199，滿足選定的允許安全系數(shù)，處于穩(wěn)定狀態(tài)。與自然工況下相比，穩(wěn)定性降低，地震作用降低了排土場邊坡的穩(wěn)定性，但仍滿足提出的允許安全系數(shù)要求。

自然工況下、降雨工況下、地震工況下，剖面B處整體及局部（臺階）穩(wěn)定性及局部穩(wěn)定性安全系數(shù)均能滿足穩(wěn)定性要求。

2.3 余推力法佐證

余推力法又稱不平衡推力傳遞系數(shù)法，適用于任意形狀的滑動面，該法假定條塊間的合力與上1 條塊底面相平行，根據(jù)力的平衡條件，逐塊向下推求，直至最后1 條塊的推力為0，從而求得極限平衡狀態(tài)下的安全系數(shù)，是工程中一種實用的方法，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)K 為整個滑動面上抗滑力和滑動力的比值：

式中：n 為滑坡體滑動面分條塊數(shù)；Ni為第i 個滑動面的法向力，kN；Si為第i 個滑動面上沿滑動方向的切向力，kN；fi為摩擦系數(shù)；ci為黏聚力，kPa；li為各條塊體邊長，km。

極限平衡系數(shù)計算結(jié)果匯總見表3。

表3 極限平衡系數(shù)計算結(jié)果匯總

余推力法排土場穩(wěn)定性分析結(jié)果顯示，與前述Janbu 法、Spencer 法和Morgenstern－price 法計算結(jié)果基本一致。在自然工況下，現(xiàn)狀條件下的各剖面整體穩(wěn)定性及局部穩(wěn)定性（剖面A、剖面B）均滿足選定的允許安全系數(shù)要求。當(dāng)坡腳地基賦存黃土?xí)r，排土場邊坡穩(wěn)定性受地基控制，尤其在降雨條件下，穩(wěn)定性下降，最危險滑面多數(shù)通過地基排土料－黃土接觸面，現(xiàn)場生產(chǎn)工作中應(yīng)注重排水以及坡腳巡視。排土場地基為穩(wěn)定基巖時，穩(wěn)定性較高，排土場穩(wěn)定性受本體（散體強度及段高）控制。

3 結(jié)語

通過對計算結(jié)果的分析，現(xiàn)狀條件下，袁家村上盤排土場、南幫外檢修平臺以及閃石片巖堆場各剖面在自然、降雨、地震工況下處于穩(wěn)定性狀態(tài)且具備一定的安全儲備，該排土場潛在的破壞模式為特殊情況下排土本體（內(nèi)部）近程小范圍的滑動及沿排土料－黃土地基接觸面的滑動，但經(jīng)計算穩(wěn)定性安全系數(shù)最小值為1.482 坡體穩(wěn)定。故在濕陷性黃地基上設(shè)置的排土場，其邊坡的穩(wěn)定性滿足要求。