考慮降雨因素的廢石堆場邊坡穩(wěn)定性研究①

劉 胤，王遠來，史秀志，邱賢陽

（1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.廣西中金嶺南礦業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 武宣 545900）

降雨是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的重要因素。降雨入滲會增加廢石散體堆積物的自重，導(dǎo)致坡體下滑力增加；同時雨水入滲會改變廢石散體物料的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)參數(shù)，導(dǎo)致廢石抗剪強度降低［1］，且孔隙水壓力使坡體內(nèi)部裂隙更加發(fā)育［2］，從而導(dǎo)致失穩(wěn)滑坡。

極限平衡法因模型簡單直觀、計算方便，已成為最常見的邊坡穩(wěn)定性計算方法［3-8］，但其僅考慮了自重因素，未考慮降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響。數(shù)值模擬法在模擬巖土體的漸進破壞、失穩(wěn)及大變形問題上有很大優(yōu)勢并可以加入降雨因素的影響，本文采用FLAC3D軟件對廢石堆場邊坡在自重條件和降雨條件下的穩(wěn)定性進行對比分析。

1 工程概況

凡口鉛鋅礦廢石堆場始建于20世紀70年代，廢石堆場由松散廢石物料堆積而成，其邊坡北側(cè)毗鄰一條礦區(qū)公路，東側(cè)處于采石開挖中，目前廢石堆場的堆積高度已達到20 m。凡口鉛鋅礦廢石堆場現(xiàn)狀如圖1所示。通過對廢石堆場現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及邊坡形態(tài)測定可知，廢石堆場邊坡坡角在35°～65°之間，廢石堆場自然安息角為36°，頂?shù)撞勘砻媸制秸壳暗膹U石日排放量約300～400 t。該礦所處地區(qū)屬亞熱帶，氣候溫暖潮濕，降雨量大，年平均降雨量1 500～1 600 mm，降雨對廢石堆場的穩(wěn)定性影響很大，隨著廢石堆場規(guī)模不斷擴大，面對如此降雨豐沛的現(xiàn)狀，廢石堆場整體穩(wěn)定性逐漸下降，其面臨的風(fēng)險逐漸增大。

圖1 凡口鉛鋅礦廢石堆場現(xiàn)狀

根據(jù)《有色金屬礦山排土場設(shè)計規(guī)范》（GB 50421—2007）以及《金屬非金屬礦山排土場安全生產(chǎn)規(guī)則》（AQ 2005—2005）相關(guān)規(guī)定，廢石堆場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs取值應(yīng)為1.15～1.30。凡口鉛鋅礦廢石堆場北側(cè)邊坡毗鄰公路，若發(fā)生邊坡失穩(wěn)，將會導(dǎo)致公路的短時交通堵塞；東側(cè)邊坡167 m外有民居，但距離較遠，危害輕微；該區(qū)域雨季長、雨量大，易發(fā)生次生災(zāi)害。綜合考慮以上因素，廢石堆場邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs取1.20。

2 降雨條件下廢石堆場邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

采用FLAC3D計算軟件對廢石堆場邊坡穩(wěn)定性進行分析，主要研究分析廢石堆場邊坡在自重工況和降雨工況、不同邊坡角條件下邊坡的安全系數(shù)、剪切應(yīng)變增量、塑性區(qū)和速度矢量，以此來分析判斷邊坡的穩(wěn)定性以及邊坡的危險滑動面。

2.1 模型建立

建立特定坡面的邊坡模型，將廢石堆場整體進行切分，再劃分為若干小單元邊坡模型進行分析，建立的模型如圖2所示，從上至下分別為：廢石邊坡體、風(fēng)化土層、白云巖基巖，模型寬200 m，廢石邊坡體高20 m，風(fēng)化土層、白云巖基巖厚度均為10 m，為簡化計算，模型厚度為1 m。

圖2 FLAC3D邊坡模型圖

依據(jù)凡口鉛鋅礦提供的地質(zhì)資料，各巖土力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)

根據(jù)凡口鉛鋅礦1964～2017年間最大日降雨量數(shù)據(jù)統(tǒng)計［9］，該礦50年間最大日降雨量為204.2 mm，屬于特大暴雨天氣。本次模擬設(shè)置降雨強度為50年一遇，廢石堆場頂部廢石物料的滲透系數(shù)在0.002～0.004 m／s之間，天然含水率為2.9%。

2.2 穩(wěn)定性分析

2.2.1 剪切應(yīng)變增量

計算得到在自重和降雨條件下各角度的最大剪切應(yīng)變增量云圖如表2所示（由于篇幅有限，此處僅展示35°、43°、65°結(jié)果），潛在滑動區(qū)可以直觀地展現(xiàn)邊坡可能發(fā)生失穩(wěn)的區(qū)域及范圍，隨著邊坡角逐漸增大，剪切應(yīng)變增量由坡角位置、以圓弧狀逐漸向坡頂發(fā)展，邊坡角43°時，降雨工況下滑動區(qū)已在坡面從坡角至坡頂貫通成圓弧形的整體；相比自重工況，相同坡角情況下降雨工況剪切應(yīng)變增量更大且滑動帶發(fā)展范圍更大。

表2 不同邊坡角的潛在滑動區(qū)

將2種工況不同邊坡角下對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)繪制成圖，如圖3所示。以標準安全系數(shù)1.20為參照，自重工況下對應(yīng)邊坡角為43°，而降雨工況下邊坡角為37°，說明降雨使邊坡穩(wěn)定性降低，增加了失穩(wěn)風(fēng)險。

圖3 安全系數(shù)隨邊坡角變化曲線

2.2.2 塑性區(qū)

不同工況下的塑性區(qū)云圖見表3。當邊坡角較小時，有零散的較小塑性區(qū)出現(xiàn)在坡角處及風(fēng)化黃土層中；隨著邊坡角增大，塑性區(qū)域范圍逐漸增大，且逐漸向坡面移動，坡角處的塑性區(qū)逐漸向上擴展；邊坡角為43°時，降雨工況下坡面處開始出現(xiàn)平行于其自身的塑性貫通區(qū)，此時極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)；自重工況下，邊坡塑性區(qū)僅在坡面中部附近出現(xiàn)且并未貫通，說明邊坡還處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 不同邊坡角的塑性分布區(qū)

2.2.3 速度矢量

2種工況不同邊坡角下對應(yīng)的速度矢量圖如表4所示。從表4可以看出，邊坡角較小時，速度矢量方向指向邊坡頂部，且速度矢量較大值區(qū)域集中在邊坡后沿；隨著邊坡角增大，速度矢量逐漸由邊坡指向外部，坡腳處的速度矢量較大值逐漸增加，高速度矢量區(qū)域與周圍區(qū)域差異明顯并沿坡面向上逐漸發(fā)展至坡頂。速度矢量大幅增加說明邊坡整體發(fā)生了相對位移，且主要破壞區(qū)發(fā)生在坡頂附近，坡頂發(fā)生失穩(wěn)的可能性很大。相比自重工況，降雨工況速度矢量數(shù)值更大，邊坡角43°時，降雨工況速度矢量最大值為2.16×10-4，而自重工況下僅為1.39×10-7，說明降雨更易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

表4 不同邊坡角的速度矢量圖

3 廢石堆場邊坡穩(wěn)定性控制措施

隨著邊坡角增大，邊坡安全系數(shù)值越小，潛在滑動區(qū)越大，塑性貫通區(qū)也越大，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性就越大，說明邊坡角對邊坡穩(wěn)定性影響顯著。分析結(jié)果表明，邊坡安全系數(shù)要達到標準安全系數(shù)1.20，自重工況下邊坡角應(yīng)小于43°，降雨工況下邊坡角應(yīng)小于37°。因此可以對邊坡角過大區(qū)域進行削坡處理，降低邊坡角，將削坡處理后的邊坡角控制在37°及以下，即可保證邊坡在任何工況下保持自身整體穩(wěn)定安全。

根據(jù)凡口鉛鋅礦廢石堆場的邊坡特點，物料屬介于土質(zhì)和巖質(zhì)之間的散體，邊坡高20 m，邊坡角局部達65°，屬高陡邊坡，因此決定采用臺階型邊坡形狀，削坡處理前后示意圖如圖4所示。

削坡處理前后的模擬結(jié)果如圖5所示。削坡處理后的邊坡在降雨工況下的安全系數(shù)為1.43，大于標準安全系數(shù)1.20。從圖5可以看出，潛在滑動區(qū)域明顯下降；塑性貫通區(qū)變小，并轉(zhuǎn)移至邊坡后緣。說明削坡處理后，邊坡由高失穩(wěn)風(fēng)險變?yōu)橄鄬Π踩€(wěn)定狀態(tài)。

圖5 削坡處理前后邊坡對比

4 結(jié) 論

1）運用FLAC3D軟件對廢石堆場邊坡進行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，降雨會明顯增大邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險，自重工況下，廢石堆場邊坡最大安全邊坡角43°；降雨工況（即考慮“50年一遇”的最大日降雨量的降雨條件下），最大安全邊坡角降低到37°。

2）削坡處理后邊坡在降雨工況下的安全系數(shù)為1.43，大于標準安全系數(shù)1.20，滿足不同工況下邊坡穩(wěn)定性要求，說明削坡處理方案合理。