堆載位置對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性影響的模擬研究

呂 琳,李晨雁,張永才,張訓(xùn)龍,李 平

(1.中冀建勘集團(tuán)有限公司,河北 石家莊 050200;2.中冀建勘集團(tuán)(海南)有限公司,海南 海口 571000)

0 前言

排土場(chǎng)作為礦山開采過(guò)程產(chǎn)生廢石的堆放設(shè)施,對(duì)礦山的安全生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)均有至關(guān)重要的影響。因此對(duì)排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性研究一直是礦山管理的重要參考依據(jù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)礦山排土場(chǎng)的穩(wěn)定性研究開展了大量研究工作,黃建君等[1]利用極限平衡法在有限差分程序FLAC2D中對(duì)云南某鉛鋅礦排土場(chǎng)設(shè)計(jì)在天然、地震、降雨3種工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。研究表明該設(shè)計(jì)在三種工況下均能滿足規(guī)范要求。諶模洋等[2]通過(guò)野外調(diào)查、工程鉆探結(jié)合原位測(cè)試等野外工作方法調(diào)查了廣東省某露天排土場(chǎng)高邊坡的分布情況、分析了變形機(jī)制,并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析,為排土場(chǎng)高邊坡治理提供了工程地質(zhì)依據(jù)。黃敏等[3-4]在勘察排土場(chǎng)邊坡工程地質(zhì)條件和統(tǒng)計(jì)巖土物理力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上,運(yùn)用數(shù)值模擬軟件FLAC3D研究了邊坡的穩(wěn)定性。研究表明數(shù)值模擬過(guò)程中最大不平衡力最終收斂、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值逐漸穩(wěn)定,模型,塑性區(qū)分布狀況和計(jì)算得出的安全系數(shù)都表現(xiàn)出了邊坡的整體穩(wěn)定狀態(tài)。魏朝爽等[5]針對(duì)云南某礦山排土場(chǎng),運(yùn)用FLAC3D非線性數(shù)值模擬進(jìn)行邊坡參數(shù)優(yōu)化研究。結(jié)果表明排土場(chǎng)加高三個(gè)臺(tái)階(60 m)的狀態(tài)下將使整個(gè)邊坡置于極限平衡狀態(tài),此時(shí)因采取削坡等措施增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性。肖紅菊等[6-7]排土場(chǎng)邊坡在降雨入滲條件下的三維穩(wěn)定性,結(jié)果表明降雨使邊坡土體含水量增高,抗剪強(qiáng)度降低,同時(shí)穩(wěn)定性也逐漸降低。耿清友等[8]用于Geostudio分析了排土場(chǎng)邊坡在不同地震烈度條件下的穩(wěn)定性,研究表明地震峰值加速度與邊坡屈服加速度的關(guān)系對(duì)穩(wěn)定性具有重要影響,當(dāng)峰值加速度大于邊坡屈服加速度時(shí),邊坡穩(wěn)定性會(huì)大幅降低。

以上研究現(xiàn)狀可知:針對(duì)排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性研究成果較多,降雨、地震均會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響,然而,尚未見(jiàn)到坡頂荷載對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響。本文以西藏某鉛鋅礦排土場(chǎng)為研究對(duì)象,通過(guò)有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬,研究3種不同荷載條件下邊坡安全系數(shù)和塑性變形特征等的變化,為礦山建設(shè)提供依據(jù)。

1 工程概況

西藏某鉛鋅礦在平硐開采和露天開采的過(guò)程中產(chǎn)生了大量圍巖廢石,部分碎石堆放于采場(chǎng)附近3號(hào)堆場(chǎng),堆場(chǎng)下基巖為二疊系中統(tǒng)洛巴堆組(P2l)火山晶屑凝灰?guī)r,原始邊坡坡度約26°。廢石呈角礫狀,最大粒徑約500 mm,級(jí)配良好,泥質(zhì)含量極低,為碎石土。廢石堆放后形成的碎石土邊坡剖面模型如圖1所示,碎石土邊坡坡頂寬23 m,長(zhǎng)60 m,坡度約36°。各巖土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。現(xiàn)公司管理層欲在坡頂修建板房以存放危險(xiǎn)化學(xué)品和危害廢棄物,計(jì)劃堆放物質(zhì)最大重量約3 000 t?，F(xiàn)通過(guò)在坡頂內(nèi)側(cè)、中部、外側(cè)施加均布荷載以模擬物質(zhì)堆放,已知板房寬度為5 m,通過(guò)計(jì)算得知,施加均布荷載大小為100 Kpa。故在模擬過(guò)程中分別在坡頂內(nèi)側(cè)、中部、外側(cè)5 m范圍內(nèi)施加均布荷載,探究各工況對(duì)邊坡變形和穩(wěn)定性的影響。

圖1 剖面工程模型

表1 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模型的建立

2.1 模型的建立

2.2 約束條件

從以往的模擬和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,采取摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型來(lái)進(jìn)行分析更為合理。模型邊界采用位移約束,其中底部邊界固定節(jié)點(diǎn)的的Z向位移,豎向邊界固定節(jié)點(diǎn)的X和Y方向位移,坡頂和斜坡面均為自由邊界。

2.3 計(jì)算方案

計(jì)算基巖初始地應(yīng)力,加載碎石土層,計(jì)算整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性,將節(jié)點(diǎn)位移和速度清零,然后依次計(jì)算在坡頂內(nèi)側(cè)、中部、外側(cè)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)施加均布荷載后的邊坡?tīng)顟B(tài),荷載大小為100 KPa。

3 結(jié)果分析

為了探究不同堆放位置對(duì)邊坡變形和邊坡穩(wěn)定性的影響,設(shè)置將堆載施加在坡頂外側(cè)、中部和內(nèi)側(cè)這三種工況。通過(guò)對(duì)三種工況的穩(wěn)定性求解,計(jì)算并導(dǎo)出每種工況邊坡的位移云圖、塑性區(qū)分布圖及邊坡安全系數(shù),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。圖2繪制三種工況的X軸方向、Z方向位移云圖與原始未施加堆載的邊坡X軸方向、Z方向位移云圖對(duì)照。圖3繪制了三種工況下邊坡塑性破壞區(qū)與原始邊坡的塑性破壞區(qū)對(duì)比。最后通過(guò)對(duì)各工況坡頂節(jié)點(diǎn)位移統(tǒng)計(jì)繪制了圖4所示的坡頂最大、最小位移變化圖,通過(guò)對(duì)各工況邊坡安全系數(shù)的統(tǒng)計(jì)繪制了安全系數(shù)變化圖。

圖2 各工況邊坡位移對(duì)照?qǐng)D

圖3 三種工況下坡頂水平和豎直位移變化

圖4 各工況塑性區(qū)分布對(duì)照?qǐng)D

表2 模擬計(jì)算結(jié)果表

3.1 邊坡位移分析

對(duì)照各種工況下邊坡位移云圖,如圖2所示。其中圖2(a)為邊坡在水平方向的位移情況,圖2(b)為邊坡在豎直方向的位移情況,子圖編號(hào)1、2、3分別對(duì)應(yīng)堆載區(qū)位于坡頂內(nèi)側(cè)、中部、外側(cè)的工況。從圖2(a)中可知,工況1的邊坡最大水平位移為1.16 mm,最大值出現(xiàn)在堆載區(qū)底部;工況2的邊坡最大水平位移為7.757 mm,最大值出現(xiàn)在堆載區(qū)上游坡面;工況3的邊坡最大水平位移為13.379 mm,最大值也出現(xiàn)在堆載區(qū)上游坡面。從圖2(b)可知,工況1的邊坡最大沉降量為5.532 mm;工況2的邊坡最大沉降值為18.88 mm;工況3的邊坡最大沉降值為36.676 mm。圖3中虛線表示坡頂不同位置水平位移,實(shí)線表示豎直位移?？梢?jiàn)坡頂位移以豎直方向?yàn)橹?水平方向?yàn)檩o,其中豎直方向位移最大值的增幅比水平方向更大。水平位移方向以X軸正向?yàn)橹?豎直位移方向均向下。隨著堆載區(qū)向邊坡外側(cè)移動(dòng),受荷載影響而發(fā)生水平位移和沉降的區(qū)域范圍均逐漸擴(kuò)大,沉降極值也進(jìn)一步增大。

3.2 塑性區(qū)變化分析

圖4展示了三種堆載工況和原始工況的塑性區(qū)分布情況,其中子圖號(hào)為0的表示原始工況。各工況塑性區(qū)發(fā)育占比見(jiàn)表2。可以看到在原始工況下,剪切破壞區(qū)占整個(gè)模型的體積分?jǐn)?shù)為8.53‰,拉張破壞區(qū)占比2.07‰;工況1條件下剪切破壞區(qū)占比3.96‰,比原始工況減小53.60%,拉張破壞區(qū)占比0.69‰,比原始工況減小66.59%;工況2條件下剪切破壞區(qū)占比17.27‰,比原始工況增大102.35%,拉張破壞區(qū)占比1.49‰,比原始工況減小28.35%;工況3條件下剪切破壞區(qū)占比21.25‰,比原始工況增大148.96%,拉張破壞區(qū)占比4.20‰,比原始工況增大102.42%;

3.3 邊坡安全系數(shù)分析

由表2安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)可知,原始邊坡安全系數(shù)為1.613,當(dāng)堆載位于坡頂內(nèi)側(cè)時(shí)安全系數(shù)為1.613,當(dāng)堆載位于坡頂中部是安全系數(shù)為1.610,當(dāng)堆載位于坡頂外側(cè)時(shí),安全系數(shù)為1.352?？梢?jiàn)當(dāng)堆載區(qū)位于坡頂中部向內(nèi)側(cè)區(qū)域時(shí)對(duì)邊坡的安全系數(shù)影響較小,但若堆載區(qū)繼續(xù)向外側(cè)移動(dòng),將會(huì)使邊坡安全系數(shù)發(fā)生較大變化,當(dāng)繼續(xù)移動(dòng)到最外側(cè)時(shí)的安全系數(shù)已接近規(guī)范中要求的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)1.3。

對(duì)坡頂位移、塑性區(qū)變化、和邊坡安全系數(shù)分析可知:隨著堆載位置從坡頂內(nèi)側(cè)向外側(cè)移動(dòng),坡頂水平方向和豎直方向的最大位移值均逐漸增大,同時(shí)剪切破壞區(qū)和拉張破壞區(qū)也同步增大,但都未形成貫通性結(jié)構(gòu)面。故三個(gè)堆載設(shè)計(jì)方案中下天然邊坡都處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

邊坡安全對(duì)于礦山生產(chǎn)管理來(lái)說(shuō)一直是一個(gè)常見(jiàn)但重要的問(wèn)題,不良地質(zhì)現(xiàn)象可能對(duì)礦山人員和財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。本文依托西藏某鉛鋅礦危廢和危固儲(chǔ)存庫(kù)修建計(jì)劃,采用摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則,在Flac3D中研究了儲(chǔ)存庫(kù)修建位置對(duì)排土場(chǎng)邊坡的影響,得到以下結(jié)論:

(1)根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)分類,此邊坡為二級(jí)永久邊坡,一般工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst為1.30。三種堆載工況下邊坡安全系數(shù)Fs分別為1.352、1.61、1.613,故均滿足邊坡穩(wěn)定要求,其中堆載位于坡頂內(nèi)側(cè)時(shí)的安全系數(shù)最大,因此建議將儲(chǔ)存庫(kù)修建于坡頂內(nèi)側(cè)。

(2)各工況下坡頂水平方向最大位移值依次為:1.16 mm、7.757 mm、13.379 mm,豎直方向最大位移值依次為:5.532 mm、18.88 mm、36.676 mm。

(3)各工況下剪切破壞區(qū)占比分別為3.96‰、17.27‰、21.25‰;拉張破壞區(qū)占比分別為0.69‰、1.49‰、4.20‰。與原始工況對(duì)比發(fā)現(xiàn),工況1條件下發(fā)生塑性破壞的區(qū)域減小,而工況2、工況3會(huì)使塑性破壞區(qū)增大,但三種工況均未形成貫通性破壞面,不會(huì)發(fā)生邊坡滑動(dòng)破壞。