某露天礦排土場邊坡穩定性分析

張鯤華，陳玉明，張紹周

（昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

【其 他】

某露天礦排土場邊坡穩定性分析

張鯤華，陳玉明，張紹周

（昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

排土場邊坡穩定性問題成為阻礙我國露天礦發展的重大因素而得到國家和社會的廣泛重視。本文總結排土場的發展趨勢，結合某露天礦排土場的工勘地質特征，采用極限平衡法和FLAC3D強度折減法對排土場穩定性進行計算，計算結果相差不超過0.04，計算結果顯示FLAC3D強度折減法計算安全系數具有很好的可靠性，計算不收斂判據與塑性貫通判據在本例中等效。安全系數平均值為0.480，反分析排土料的物理力學參數，認為達不到穩定要求的強度，故認為該排土場存在重大安全隱患，應及時治理。通過數值模擬研究邊坡的失穩機制對于邊坡穩定將有更為積極的意義。實踐過程中，應當重視計算參數獲取的準確性。

排土場；邊坡穩定性；極限平衡法；FLAC3D強度折減法

1 概述

露天開采在采掘工業中占有舉足輕重的地位。據估計，世界上礦產資源的露天開采比重已經超過2/3。我國鐵礦石露天開采產量占總產量的86%～91%，有色金屬礦露天開采產量占總產量的46%～49%[1]。露天礦邊坡工程是一項關系礦山安全生產、礦山可持續發展和取得礦業開發重大盈利效益的關鍵課題[2]。隨著露天礦開采進入中后期，露天礦排土場滑坡呈遞增趨勢，排土場滑坡不僅影響到礦山自身的安全生產，還會造成重大人員傷亡和環境破壞，并產生重大的經濟損失和嚴重的社會影響[3]。

我國冶金礦山90%屬于露天開采，每年剝離的巖土量約4億t，占地10km2，其他有色金屬礦每年排棄的巖土約0.5億t，全國煤礦排棄的煤矸石每年約1億t，露天排土場占地面積約為全礦的30%～50%[4]。隨著邊坡穩定性評價的發展，排土場的排土潛力得以較大的挖掘，以排土場增容研究為題的研究成果不斷涌現，改進排土工藝為排土場的增容實現提供重要保證。基于節約用地和穩定性的排土場優化設計將成為排土場發展的必然趨勢。

2 某露天礦排土場工程概況

2.1 水文地質

圖1 勘查區平面圖

工程區位于紅河水系左岸，由于區內大部分為碳酸鹽巖分布，溶洞、溶隙發育，花崗巖出露區風化強烈，節理裂隙，雖然降雨量充沛，但由于大氣降雨后多以垂直入滲的方式滲入地下，形成地下徑流，從ZK1～ZK6(圖1)反應出勘察區淺層無地下水位，雨季僅有部分形成地表徑流，向南西匯入紅河。地下水類型主要以裸露型巖溶水為主，其次為碎屑巖風化裂隙水、第四系為松散層孔隙水。本工程區基巖裸露，以大氣降水為地下水主要補給源，含水層大面積分布于該單元內，巖溶裂隙發育，形成巖溶水徑流帶，地下水由東向西徑流。碎屑巖風化裂隙水中的風化裂隙水埋藏較淺，分布受地形、地貌控制，普遍為潛水性質，風化裂隙的發育程度與巖性、地形、地貌、植被等有密切關系，而且隨著深度的增加，風化裂隙逐漸減弱，故一般淺，富集條件差。第四系松散層孔隙水含水層巖性單一，孔隙水分布零星，分散，富水性不均一，盆(谷)地內地下水接受大氣降水、地表水的補給，由于地勢平坦，水力坡度小，富水性和滲透性較差，降雨后多形成地表徑流，向附近低凹處排泄，具有就地補給就地排泄的特點。

2.2 地形地質

邊坡區屬構造侵蝕中低山—低山區，為卡房斷裂中等切割河谷地貌，地勢陡峻，地形坡度26～50°，巖石風化強烈，裂隙發育，雨水對邊坡不斷沖刷，降低了邊坡的安全等級，并且加速了邊坡的滑坡和崩塌速度。

根據地面工程地質測繪和鉆探揭露，治理區主要出露地層為中生界三疊系灰巖、印支期花崗巖、殘坡積層及人工堆積物。中生界三疊系灰巖：上部厚度約4m為淺灰、青灰色，中—厚狀的強—弱風化石灰巖，溶洞和溶隙發育，是地表水的滲漏通道；4m以下為微—未風化石灰巖，青灰色，中—厚狀，結構致密，脆性大，強度高。印支期花崗巖：強風化花崗巖，灰白色，風化裂隙發育，易碎；弱風化花崗巖，灰白色，結構致密，硬度高，強度大。殘坡積層：碎石土為淺黃、暗紅色塊石夾粉土，松散，塊石形態不規則，棱角明顯，混雜堆積，以石灰巖、花崗巖強風化碎塊為主，塊石粒徑100～300mm，粗礫含量40%～60%。人工堆積物(碎石土)：淺黃、暗紅色塊石夾粉土，松散，塊石形態不規則，棱角明顯，混雜堆積，以花崗巖強風化碎塊為主。

2.3 物理力學性質

采用不同深度鉆孔巖心做直剪試驗測定排土的物理力學參數如表1。

表1 直剪試驗測定排土料的物理力學參數

2.4 地震

工程區附近較為活躍的斷裂是小江斷裂，該斷裂屬殼斷裂，活動時代Q3-4，活動方式左行走滑，速率1.0～8.6mm/a，北強南弱，發生5.0～5.9級地震18次，6.0～6.9級地震9次，≥7.0級地震4次，最大地震8級。

3 穩定性分析

3.1 方法選取

(1) 極限平衡法。

極限平衡法是邊坡穩定性分析計算的主要方法，也是工程實踐中運用最多的一種方法。極限平衡法是根據邊坡上的滑體或滑體分塊的靜力平衡原理分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態，以邊坡滑體上的抗滑力和下滑力之間的比值來評價邊坡的穩定性。在大多數情況下，邊坡穩定性問題是靜不定的，邊坡受力的平衡方程中未知數的個數大于方程個數，為了使方程有唯一解，通常引入假設將靜不定轉化為靜可解，這種處理使解決問題的嚴密性受到破壞。但由于極限平衡法計算模型簡單、計算參數量化準確、計算結果直接適用而被廣泛應用。極限平衡法理論體系的發展完善形成了以不同適用范圍和假設條件的計算方法，李小春等[5]認為不應指定某一種方法作為驗算的唯一方法，可以選擇多種精度較高的方法(如M-P、Spencer、Bishop、L-K法)的均值作為驗算方法。當條件具備時，應盡量采用滿足所有平衡條件的方法，其具有較高的精度與較低的標準差，計算結果穩定可靠。Bishop法具有良好的替代性，計算精度較高。

(2) FLAC3D強度折減方法。

FLAC3D中采用強度折減系數來定義安全系數[6-7]。若邊坡采用Mohr-Coulomb準則，影響其穩定性的強度參數粘結力C 和內摩擦角φ，將坡體原始粘結力C0

和內摩擦角φ0同時除以一個折減系數K，然后進行數值分析。通過不斷增大K，反復分析直至邊坡達到臨界破壞狀態。假設此時的粘結力和內摩擦角為Ccr和φcr，由于邊坡處于臨界狀態，所對應的安全系數Kcr=1，可得原始邊坡所對應的安全系數為：

本文采用極限平衡法與有限差分方法相結合計算排土場邊坡安全系數，對排土場邊坡的穩定性作出合理評價。在有限差分方法中采用計算不收斂判據，破壞之前計算收斂，破壞之后滑面上巖土體無限流動計算不收斂。計算過程中記錄最后一個循環最大不平衡力及最后一步塑性貫通狀態。

3.2 計算過程

(1) 模型建立。

排土料在山谷中部堆置較厚，山谷兩側堆置變薄。由此認為沿原地形山谷線剖面為排土場存在安全隱患最突出的剖面，以此剖面作為排土場安全系數計算的剖面(如圖2)，圖2中人工堆積物水平總長度約310m，沿坡向下游堆積，厚度逐漸變厚，坡頂ZK4位置堆積存5.4m，中部ZK3位置堆積厚33.6m，下游邊緣距ZK2約50m，堆積物結構松散，易產生滑坡和泥石流，從坡腳向坡頂堆積物粒徑逐漸變小，分選明顯，其下覆地層為強風化易破碎結構松散花崗巖和強—弱風化石灰巖。

圖2 排土場最危險剖面

由于殘、坡積層厚度和范圍較小，為了計算簡化，將其物理力學參數用印支期花崗巖的代替。計算模型既要包括整個潛在滑坡體，又要有一定的外延，盡可能減少邊界條件對計算結果的影響。當坡腳到左端邊界的距離為坡高的1.5倍，坡頂到右端邊界的距離為坡高的2.5倍，且上下邊界總高不低于2倍坡高時，計算精度最為理想[8]。建立如圖3的計算模型。

圖3 計算模型

(2) 計算結果。

將圖3中簡化的計算模型導入到理正軟件中，應用復雜邊坡計算模塊，輸入物理力學參數和控制參數計算排土場邊坡的安全系數。假設滑坡為圓弧形，采用通用方法自動搜索最危險滑裂面，土條寬0.5m，搜索時的圓心步長和半徑步長都為5m。土柱位置誤差為1m。

圖4 FLAC3D計算模型

在FLAC3D軟件中建立如圖4的計算模型，自編強度折減程序計算排土場邊坡的安全系數。折減過程只對排土料進行。模型建立了45 312個單元共57 970個節點的有限差分網格，采用Mohr-Coulomb模型并賦相應材料參數，模型受重力影響，不考慮孔隙水壓，模型四周和底面固定。通過試算，模型在計算30 000步以內已經達到平衡狀態，同時將計算最大不平衡力與典型內力的比率不超過1.0e-5為收斂準則，計算精度設置為0.001，計算結果如圖5、圖6和圖7所示。

(3) 計算結果分析。

圖5 最大不平衡力

表2 安全系數計算結果

安全系數計算結果見表2，由表2可以看出，排土場邊坡安全系數都小于1，排土場邊坡已經破壞，實地踏勘排土場邊坡現狀并未出現坡體拉伸破壞。可能存在如下原因：①取樣巖心的級配組成與排土場的實際的級配組成不一致。取樣巖心來自ZK3和ZK4，取了6組樣進行直剪試驗；②直剪試驗存在缺陷，剪切面限定在上下盒之間的平面，而不是沿土樣最薄弱的面剪切破壞。剪切面上的剪應力分布不均勻，且豎向荷載會發生偏轉，主應力的大小和方向都是變化的，對試驗結果產生影響；③粘性土具有觸變性，其強度會因為受到擾動而削弱。在運輸過程中，巖土體的結構可能因為震動發生改變。

圖6 塑性貫通區

圖7 X 方向的位移云圖

雖然巖土體的物理力學參數存在一定的誤差，但是采用不同計算方法計算的安全系數之間差別不大，最大值與最小值之間相差為0.04，由此證明計算的正確，該排土場邊坡穩定性系數為0.480。排土場邊坡計算過程未考慮孔隙水壓及地震的影響，孔隙水壓和地震因素都是降低邊坡穩定性的因素，即使試驗得到的巖土體物理力學參數偏小，不考慮孔隙水壓和地震將使計算結果誤差減小。另外，當排土場邊坡達到臨界狀態時，需要材料的粘結力為40.899kPa和內摩擦角為27.937°，礫砂、角礫和粉質粘土是在天然狀態下難以達到此強度[9]。所以排土場邊坡存在重大安全隱患，應當及時采取治理滑坡措施。

4 結論

工程案例安全系數計算說明FLAC3D強度折減系數法具有很好的可靠性。FLAC3D強度折減不需要假設危險滑移面形狀，采用計算不收斂作為邊坡破壞判據是可行的。邊坡滑動失穩是在內外綜合因素的作用下，系統從量變到質變，從劣化因素的不斷積累到最終發生突變失穩的一個變化過程[10]，通過數值模擬研究邊坡的失穩機制對于邊坡穩定將有更為積極的意義。考察FLAC3D計算的最大不平衡力(圖5)、塑性區貫通狀況(圖6)和X方向的位移云圖(圖7)，圖5顯示最大不平衡力是收斂的，模型在30 000步內能達到平衡狀態。圖6顯示在計算不收斂判據成立條件下塑性區貫通仍然成立，說明這兩個判據在判斷邊坡破壞時具有相同效應。圖7顯示邊坡的破壞為圓弧形(X方向位移為0)，由此證明在極限平衡法中的假設成立。

在計算過程中，參數的準確與否將決定計算結果的可靠性。在生產實踐中，應當重視巖土體物理力學參數的獲取，采取有效措施減小參數誤差。

[1]梁克鈞.國內外露天采礦技術水平與動向[J].河北礦冶學院學報，1983(1)：45-59.

[2]張四維.我國露天礦邊坡工程研究成果與進展[J].地質災害與環境保護，2000，11(2)：98-101.

[3]孫世國，楊宏.典型排土場邊坡穩定性控制技術[M].北京：冶金工業出版社，2011.

[4]薄建芬，候豆豆.露天礦山排土場安全管理措施研究與應用[C]∥魯冀晉瓊粵川遼七省金屬(冶金)學會第十九屆礦山學術交流會，2009：982-988.

[5]李小春，任偉，王少泉，等.論金屬礦山排土場設計規范中邊坡極限平衡計算方法的選取[J].巖石力學與工程學報，2011，30(Z2)：4136-4142.

[6]趙尚毅，鄭穎人，時衛民，等.用有限元強度折減法求邊坡穩定安全系數[J].巖土工程學報，2002，24(3)：343-346.

[7]張魯渝，鄭穎人，趙尚毅，等.有限元強度折減系數法計算土坡穩定安全系數的精度研究[J].水利學報，2003，34(1)：21-27.

[8]鄭穎人，趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應用[J].巖石力學與工程學報，2004，23(19)：3381-3388.

[9]林宗元.巖土工程勘察設計手冊[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1996.

[10]孫書偉，林杭，任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

TD824.71；TD824.8

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1007-9386(2014)05-0059-04

2014-02-28