某礦山廢石堆邊坡穩定性分析

焦文宇,周國軍,陶雪芬

(1.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012;2.湖南有色錫田礦業有限公司, 湖南茶陵縣 412400)

某礦山廢石堆邊坡穩定性分析

焦文宇1,周國軍2,陶雪芬1

(1.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012;2.湖南有色錫田礦業有限公司, 湖南茶陵縣 412400)

對某廢石堆場工程地質條件進行了勘查,對堆場的巖土物理力學性質進行了研究,在此基礎上,利用 Slid邊坡分析軟件,采用極限平衡法中的瑞典條分法、簡化 Bishop法及簡化 Janbu法對其邊坡穩定性進行計算并分析,根據分析結果提出相應的治理措施。

廢石堆;穩定性分析;極限平衡法;安全系數

0 引 言

湖南某銻礦位于東安、新寧 2縣交界山區,廢石堆場區屬中低山～溝谷地貌類型,山體高厚,廢石堆場平均堆積高度約為 21.50 m,左側邊坡坡度約40°～45°,右側邊坡坡度約 35°～40°,屬高陡邊坡 ,廢石堆場碎石結構松散,邊坡自穩性能較差,加上場區相對地勢較高,且前緣無任何支擋結構,在特殊動力地質作用下,特別是暴雨作用下,可能造成廢石堆場邊坡失穩,引發泥石流地質災害,進而對其下游工業場地、居民區產生巨大威脅。因此,亟需對該礦廢石堆場進行穩定性分析和研究,為采取相應的治理措施提供參考依據。

1 廢石堆場現狀

廢石堆場所在礦區地形屬中～低山區,地形切割劇烈,以構造溶蝕地貌為主,切割深度大,多懸崖峭壁,“V”形谷發育,溝谷內有厚薄不等的沖洪積漂(或塊)石、碎石及角礫覆蓋溝底,兩岸斜坡坡度多在 35°～45°。場區內植被發育,僅局部見有中、強風化基巖裸露。

該廢石堆位于 +310 m中段平窿口前方西溝埡口內,為單臺階山坡廢石堆場,自然堆積而成,呈扇形展布,坡頂較為平坦,邊坡較陡,平均坡度約 40°。坡頂平均高程為 +305.0 m,坡底平均高程為 +283.4 m,坡頂至坡腳堆積水平距離 20.0～32.2 m,斜坡長度約 38.8 m。廢石堆總長度約 150 m,見圖1。

廢石堆場地基巖層總體為一單斜構造,巖層產狀較為穩定,基巖主要為黃褐色夾灰黑色的含碳硅質板巖,分布于整個工程區,具中～厚層狀結構,局部薄～中層狀結構,板狀構造,巖石風化,節理裂隙較發育,巖石結構稍完整～較完整。場區內第四系殘坡積層主要分布于山坡地段,層厚 0.30～0.50 m,第四系沖洪積層 (碎石土)主要分布于廢石堆場前緣及沖溝溝底與兩側斜坡坡腳處,層厚 3.10～3.40 m,第四系人工素填土層分布于廢石堆場前緣右側,厚度 1.20～1.40 m,廢石堆積層以碎石、角礫為主,局部為塊石,不均勻,透水性強,堆積厚度約5～8 m。場地東部分布有 1條區域性斷裂 F1斷層(未穿過排土場),場區內無大的斷層和斷裂構造,潛在滑坡體為人工堆積物。

圖1 廢石堆平面

礦區屬亞熱帶季風濕潤氣候區,雨量充沛,廢石堆場區內無常年地表水流,地表水和地下水的排泄條件良好,場區水文地質條件屬簡單類型。

2 基巖及堆積物的物理力學性質

本次研究對廢石堆場區域進行了專門的工程地質勘察工作,并分別采集了具有代表性的巖土試樣進行室內物理力學試驗,由此,獲取了該區域的巖土物理力學性質資料,在此基礎上,參考臨近地區工程地質資料和類似礦山廢石堆場物料組成及其力學性質資料,經綜合分析后,給出了各地層物理力學參數 ,見表1。

表1 巖土層物理力學指標

3 邊坡穩定性計算分析

3.1 廢石堆邊坡安全系數選取

根據工程經驗,廢石堆場邊坡破壞模式通常為圓弧形破壞。另依據相關規范,廢石堆邊坡穩定性安全系數 Fs宜取 1.15～1.3,具體值應根據被保護對象的等級而定。通過現場調查,該廢石堆下游約十幾米處為礦山老尾礦庫,下游約 190 m為村民居住區,廢石堆如失事將對老尾礦庫的排水系統造成損害,進而對其附近居民區、工業場地等帶來威脅,因此,該廢石堆的穩定性安全系數取值應不小于1.2。

3.2 計算方法

工程實踐表明,極限平衡法計算簡單,且分析邊坡穩定性是比較可靠的。其主要思想是將邊坡上的滑體進行條分,根據極限狀態下滑體條受力和力矩的平衡來分析邊坡的穩定性。極限平衡法的使用有以下 3個基本前提。

(1)滑動面上巖土的抗剪強度 s與作用在滑動面上的垂直應力σ應有如下關系:

式中,c,c′分別為滑動面的粘結力和有效粘結力;φ,φ′分別為滑動面的內摩擦角和有效內摩擦角;σ為滑動面的有效應力;u為滑動面孔隙水壓。

(2)安全系數 Fs(穩定系數)定義為沿最危險破壞面作用的最大抗滑力 (或力矩)與下滑力 (或力矩)的比值,即 Fs=抗滑力 /下滑力。

(3)二維極限分析的基本單元是單位寬度的分塊滑體。

本次計算采用目前在邊坡穩定性分析中應用較為成熟的 Slid軟件建立力學模型,分別采用瑞典條分法、簡化 Bishop法及簡化 Janbu法對該廢石堆邊坡穩定性進行計算,并比較分析。

3.3 幾何模型及力學模型

通過現場調研,根據該廢石堆的堆置特點,選定廢石堆坡度較陡的 a-a′線工程地質縱斷面作為邊坡穩定性分析的典型剖面,如圖2所示。

圖2 廢石堆場 a-a′線工程地質剖面

力學模型中材料本構關系采用摩爾 -庫倫模型,模型左側面限制水平方向運動,底面限制垂直方向運動,上部為自由面,滑弧運動由左至右。

3.4 計算結果分析

由于廢石堆場邊坡為人工堆積高邊坡,排棄物內沒有明顯的破壞面存在,在分析廢石堆的穩定性時,需要對多個可能的滑動面進行穩定性分析,從中尋找穩定系數最小者,進而確定最危險的滑動面。由于廢石堆場堆料為散體結構,最易發生圓弧型滑坡。對各圓弧型滑動面采用簡化 Bishop法進行搜索,確定其最危險滑動面,計算結果如圖3所示。

圖3 a-a’線原始地形邊坡簡化 Bishop法計算結果

根據表1所提供的各地層物理力學參數,采用瑞典條分法、簡化 Bishop法和簡化 Janbu法分別進行穩定性計算。3種方法計算的安全系數分別為1.137,1.024和 1.135,廢石堆邊坡在現狀條件下安全系數均大于 1.0,但小于最小安全系數 1.2的限值,說明廢石堆邊坡存在不穩定因素,存在滑坡的可能性。根據實際情況,需對該廢石堆邊坡進行及時有效的治理。將邊坡削坡至 30°、33°和 35°,分別建立計算模型,再用上述 3種方法進行計算分析,計算結果見表2。

表2 廢石堆邊坡削坡后計算結果

由表2可知,在邊坡削坡至 30°時,3種方法計算得出的最小安全系數均大于 1.2,可達到礦山排土場的安全要求。

4 結 語

采用瑞典條分法、簡化 Bishop法和簡化 Janbu法分別對某廢石堆邊坡穩定性進行計算分析,3種方法的計算結果表明,該廢石堆邊坡在現狀條件下未達到礦山排土場的安全要求,需對廢石堆邊坡進行治理。削坡是有效的措施,經計算,邊坡坡度降至30°時,廢石堆的穩定性可滿足安全的要求。建議礦山在以后的生產中,制定合理的排石順序,經常性的進行人工整治坡面,使廢石堆邊坡角不大于 30°,并加強監測,確保廢石堆的安全。

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2010-08-24)

焦文宇 (1981-),男,碩士,主要從事礦山邊坡、巖石力學及地壓控制研究方面的工作,Email:wyjiao1001@163.com。