排土場(chǎng)滑坡體力學(xué)參數(shù)的反演分析

文/朱家春 朱孔凡

一、概述

一些露天礦排土場(chǎng)由于周圍環(huán)境條件的限制或其他原因，將礦山的剝離物堆排在古滑體上，由于古滑體基底強(qiáng)度低、軟土層厚度大、承載能力低，由此造成了排土場(chǎng)邊坡劇烈變形，產(chǎn)生此類問(wèn)題的主要原因有：基底軟而排土場(chǎng)堆排高度大；夏季雨量大，浸潤(rùn)軟化作用致使排土場(chǎng)產(chǎn)生劇烈變形；匯水區(qū)面積大但相應(yīng)的防護(hù)措施不足。

以某煤礦排土場(chǎng)為例，就排土場(chǎng)劇烈滑移變形后如何確定力學(xué)參數(shù)及沿哪一層軟弱面破壞問(wèn)題進(jìn)行分析，以便為工程治理設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。

二、排土場(chǎng)變形與基底工程地質(zhì)概況

1.排土場(chǎng)滑動(dòng)變形特點(diǎn)

某礦山排土場(chǎng)位于紅河地區(qū)，于2004年開(kāi)始發(fā)現(xiàn)排土場(chǎng)邊坡有變形現(xiàn)象，至2006年4月在排土場(chǎng)及其下部山坡體地面上發(fā)現(xiàn)多處地裂縫，當(dāng)?shù)鼐用竦淖》砍霈F(xiàn)開(kāi)裂；排土場(chǎng)下方有兩條長(zhǎng)裂縫。西端地裂縫基本貫通，可見(jiàn)總長(zhǎng)420m，裂縫寬度1.5～2m，裂縫中的土體下沉40～50cm，形成凹槽溝狀。另一條裂長(zhǎng)150m，裂縫寬度30～50cm，土體向前滑移距離達(dá)1m。后來(lái)經(jīng)過(guò)地表位移監(jiān)測(cè)，其滑動(dòng)變形之大已嚴(yán)重影響到礦山安全生產(chǎn)和周邊環(huán)境的安全。

2.基底表層工程地質(zhì)特性

排土場(chǎng)表層基底第四系由殘坡積、滑坡堆積組成。殘坡積層沿勘查區(qū)地勢(shì)較低的地帶均有分布，主要有含碎石的亞砂土或亞粘土、部分地帶為塊石土組成，厚度一般2～5m，局部達(dá)7～8m，多被改造為耕地。滑坡堆積層分布在滑坡區(qū)，主要有碎石土，塊石土，含碎石塊石的亞粘土亞砂土組成，厚度32.8～39.3m。

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三、厚軟基底排土場(chǎng)破壞模式與力學(xué)參數(shù)反演確定

1.厚軟基底排土場(chǎng)滑移機(jī)制的模擬分析

應(yīng)用數(shù)值分析方法來(lái)分析在軟巖基底上堆排剝離物誘發(fā)的應(yīng)力應(yīng)變演變規(guī)律，以便為掌握堆排過(guò)程中巖體應(yīng)力狀態(tài)提供依據(jù)。根據(jù)原設(shè)計(jì)堆排剖面設(shè)計(jì)模擬模型，數(shù)值模擬的結(jié)果。可以看出在排土場(chǎng)基底軟弱層形成應(yīng)力集中，且表現(xiàn)得非常顯著。該軟弱層在雨季受到雨水的浸潤(rùn)作用有可能是最危險(xiǎn)的滑面，從而對(duì)潛在滑坡構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。因此在排土高度控制或增強(qiáng)其強(qiáng)度方面應(yīng)采取必要的安全加固措施，以防形成軟弱夾層，從而提高排土場(chǎng)基底的整體穩(wěn)定性。

2.厚軟基底排土場(chǎng)滑面確定與力學(xué)參數(shù)反演分析

（1）滑面力學(xué)參數(shù)反演分析與計(jì)算

根據(jù)工程勘察堆排結(jié)果和滑移場(chǎng)確定的滑面，排土場(chǎng)與基底滑坡為一巖質(zhì)古滑坡，由于排土場(chǎng)之前沒(méi)有發(fā)生明顯的變形活動(dòng)；而雨季局部有崩滑、拉裂變形破壞現(xiàn)象。選用剩余推力系數(shù)法進(jìn)行排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，采用排土場(chǎng)規(guī)范推薦的傳遞系數(shù)法進(jìn)行反演計(jì)算。

取工況條件為：

沿中部滑面，考慮以下4種工況計(jì)算滑坡的穩(wěn)定系數(shù)K。

工況1—自重；K=1.15；工況2—自重+堆載；K=1；工況3—自重+暴雨+堆載；K=0.99；工況4—自重+暴雨+爆破震動(dòng)+堆載。K=0.95。

沿深部滑面，考慮第4種工況下計(jì)算滑坡的穩(wěn)定系數(shù)K均大于1.25。

反演結(jié)果見(jiàn)表1、表2最終結(jié)果為飽水狀態(tài)下滑面參數(shù) φ=20，c=33kpa。

（2）滑移場(chǎng)方法驗(yàn)證分析

首先將邊坡體劃分成多個(gè)條塊，再將條塊間分成眾多狀態(tài)單元與狀態(tài)點(diǎn)。在給定的安全儲(chǔ)備系數(shù)條件下，過(guò)條塊線上的任一點(diǎn)都存在有危險(xiǎn)滑動(dòng)方向和最不利推力P，使最終出口處剩余推力最大。根據(jù)條塊受力平衡（如圖1），推力計(jì)算見(jiàn)公式。

式中，F(xiàn)s為當(dāng)前安全系數(shù)；Wi為條塊重量，ui為條底空隙水壓力，Ko為地震影響系數(shù)；ci、φi分別為剪切面黏聚力、內(nèi)摩擦角；li為條底邊長(zhǎng)，αi、αi-1 分別為i條塊、i-1條塊底面傾角；Pi-1、Pi為條塊間推力。

對(duì)于設(shè)定的安全系數(shù)Fs，逐一求出各狀態(tài)點(diǎn)的最危險(xiǎn)滑動(dòng)方向tanα，使其最終剩余推力極大。調(diào)整安全系數(shù)，使最大的極大剩余推力為零，得出邊坡臨界狀態(tài)下的危險(xiǎn)滑動(dòng)方向場(chǎng)；進(jìn)而在此基礎(chǔ)上追蹤出的臨界滑移場(chǎng)。應(yīng)用該方法經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析確定危險(xiǎn)滑面（圖 2），然后應(yīng)用極限平衡方法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算，其結(jié)果與反分析結(jié)果一致，由此說(shuō)明了反分析的可靠性。

四、排土場(chǎng)邊坡評(píng)價(jià)結(jié)論

該古滑坡體在天然狀態(tài)是穩(wěn)定的；后緣由于有排土場(chǎng)堆排加載作用、經(jīng)常受到礦山頻繁爆破震動(dòng)影響，再加上雨季長(zhǎng)時(shí)間降雨或暴雨作用下，軟弱層產(chǎn)生塑性大變形破壞，致使古滑坡體再次復(fù)活并產(chǎn)生劇烈的滑移破壞。并且隨著后緣排土場(chǎng)堆排荷載的繼續(xù)增大，將進(jìn)一步加快滑體滑移速度，降低排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性，直至滑坡破壞為止。

通過(guò)數(shù)值模擬方法先確定滑移破壞模式，再根據(jù)反演分析確定巖體力學(xué)參數(shù)；又應(yīng)用滑移場(chǎng)方法進(jìn)行了驗(yàn)證，其結(jié)果基本一致，證明研究方法的可靠性。由此為滑坡治理工程方案設(shè)計(jì)提供可靠的力學(xué)參數(shù)依據(jù)，減少地質(zhì)災(zāi)害。