基于 FLAC3D基底演化弱層排土場穩定性分析研究

賈會會

(華北地質勘查局五一四地質大隊，河北承德 067600)

基于 FLAC3D基底演化弱層排土場穩定性分析研究

賈會會

(華北地質勘查局五一四地質大隊，河北承德 067600)

基于MIDAS/GTS-FLAC3D自編轉換程序，構建了排土場數值計算模型，研究了排土場基底演化為軟弱層時內摩擦角與粘聚力對排土場變形失穩發展趨勢的影響，指出礦山排土場在選址和堆放過程中要注意做好基底軟弱層的防水、坡比設計、加固處治等工作，防止排土場基底土層力學參數的弱化對排土場穩定性造成的影響。

排土場，基底，穩定性，FLAC3D

0 引言

排土場作為露天礦山剝離廢石土存放的場所，是露天礦山生產重要的永久性工程建筑之一，排土場在礦山整個生產時期以及閉坑后相當長時期內能否長期保持安全運行是礦山經營管理者必須考慮的重大問題［1］。排土場運行管理不善，將會造成排土場滑坡、泥石流、環境污染。目前對排土場穩定性計算方法主要分為以下幾類，極限平衡分析法;數值計算法，如有限單元法、有限差分法;以及不確定性分析方法，如可靠度分析方法、模糊數學法和灰色預測系統法等［2-4］。許多學者基于上述方法對排土場的穩定性分析進行研究，得出很多寶貴的技術經驗［5］。

影響排土場穩定性的因素有很多，如:排土場設計不合理、排土場堆放不科學、排水設施不完善、管理不完善、地震作用、降雨入滲、排土體力學參數準確性，排土工藝、臺階的設置等，由于排土場存放場所位置地形地貌的迥異，目前還沒有一部統一、完整、系統的排土場設計方法或規范可以遵循［6-8］，排土場邊坡失穩的滑動面主要為三種形式:1)沿基底接觸面的滑坡;2)排土體內部的滑坡;3)排土體表層溜滑［9］。經過查閱文獻發現，關于排土場基底演化弱層對排土場失穩變形規律的研究報道鮮見，本文以平泉縣金海利鐵礦石人洼溝排土場為工程背景，主要研究排土場基底逐漸演化為軟弱層時排土場失穩變形規律，為同類的排土場設計、排放施工提供一定的技術參考。

1 排土場工程概況

1.1 排土場堆放形式

排土場堆置高度為894 m～806 m，干砌擋土墻頂部標高815 m以上作為排土有效測算空間，排土場堆置894 m，總容量為1 771.1 m3，排土場設計時采用分層覆蓋式堆置方式進行排土，第1層堆置高度15 m，分層頂部堆置高度830 m，第2分層堆置高度30 m，堆置階段標高860 m，第3分層堆置高度34 m，堆置階段標高894 m。

1.2 排土場工程地質條件

基于現場勘查結果和室內巖樣物理力學參數，試驗巖土體物理力學參數見表1。

表1 室內實驗巖土體物理力學參數

未堆放排土場原始地層結構:

1)粉質粘土。黃褐色，無搖振反應，干強度和韌性中等，切面稍具光澤，含沙礫及碎石，可塑～硬塑，厚度變化1.5 m～4.0 m，局部分布于原始的地形溝谷內。2)片麻巖。灰～暗褐色，隱晶結構，片麻狀構造，巖體多呈土狀及碎塊狀，節理裂隙很發育，為強風化層，厚度1.0 m～1.4 m;灰～暗褐色，隱晶結構，片麻狀構造，巖體多呈塊狀，節理裂隙較發育，為中風化層。

排土場物質組成結構:1)上層排土，主要由顆粒較細的廢石渣組成，局部夾雜碎石塊，至排土場頂面起厚度約2.5 m。2)下層排土，主要由大塊石組成，塊石堆縫隙由細顆粒石渣，粉質粘土充填。

2 數值計算模型構建

利用MIDAS/GTS有限元軟件，構建排土場三維幾何模型、將巖土層進行劃分網格成組;然后采用MTALAB軟件編寫數據轉換程序，將分組網格導入FLAC3D中，然后進行本構模型、邊界條件設置、力學參數賦予等［10］(見圖1)。計算模型范圍:長×寬×高為540 m×160 m×150 m(x×y×z)，該模型側面限制水平移動，底面固定，模型上表面為自由邊界。模型中排土場部分采用四面體實體單元，其余部分采用五面楔形體單元和六面體單元，假定巖土體材料破壞符合Mohr-Coulomb強度準則。共劃分194 662個單元，67 471個節點。

圖1 數值計算模型及網格劃分圖

3 模擬分析方案

3.1 分析技術路線

為得到在正常運行情況下，排土場的各區域穩定性情況，進行以下工況的計算分析:

1)構建排土場三維數值計算模型，進行未排土前的初始應力場平衡計算，并將位移清零。此處僅考慮巖土體自重引起的初始應力。2)根據現場調查、鉆探和物探等資料確定排土場范圍，進行堆土后的排土場邊坡應力變形分析。3)在堆土后考慮降雨工況下排土體基底土體參數弱化，進行力學參數弱化對排土體的穩定性影響。

3.2 位移監測點的設置

為分析排土體變形特征，在排土體內設置5個監測點，監測點布置見圖2。

圖2 監測點布置圖

4 計算結果分析

4.1 位移曲線分析

圖3 粘聚力—位移曲線圖

圖4 內摩擦角—位移曲線圖

從圖3，圖4可以看出，隨著粘聚力與內摩擦角增大，監測點位移值減小;隨著基底土層粘聚力的減小，基底坡比較陡處監測點位移值較基底坡比較緩處監測點位移值遞減速率較快;隨著基底土層內摩擦角的減小，基底坡比較陡段的轉折點處(即監測點3、監測點5處)位移較其他監測點的位移大，坡比較陡處(監測點4)位移值較坡比較緩處(監測點2、監測點1)的位移小;從而說明排土場基底土層的內摩擦角和粘聚力值的弱化對排土體的變性失穩有影響，同時受排土體土層基底的坡比影響。

4.2 破壞場分析

從圖5，圖6可以看出，隨著基底接觸面層內摩擦角的減小，接觸面處破壞單元數量增加并且在基底坡比較大處破壞單元逐漸向平臺表面發展，當剪切破壞單元貫通將會造成排土體沿基底接觸面滑動失穩。

圖5 內摩擦角20°時破壞場圖

圖6 內摩擦角17°時破壞場圖

從圖7，圖8可以看出，隨著基底接觸面層粘聚力的減小，接觸面處破壞單元數量增加并且在基底坡比較大處破壞單元逐漸擴展到平臺表面，當粘聚力為15 kPa時剪切破壞單元貫通將會造成排土體沿基底接觸面滑動失穩。

圖7 粘聚力30 kPa時破壞場圖

圖8 粘聚力15 kPa時破壞場圖

5 結語

1)排土體變形量隨著基底土層內摩擦角與粘聚力的減小而增大，粘聚力的弱化較內摩擦角的弱化對排土體的變形失穩影響更顯著。2)排土場排土體的穩定性隨著內摩擦角和粘聚力的弱化而變性失穩趨勢受到排土體基底土層坡比大小的影響。3)排土體剪切應變率隨著排土場基底土層內摩擦角和粘聚力的增大而減小，剪切弧度隨著內摩擦角增大而減小;在排土場基底坡比較大處，更容易沿表層排土體剪切貫通破壞失穩。4)隨著基底接觸面層粘聚力的減小，接觸面處破壞單元數量增加并且在基底坡比較大處破壞單元逐漸擴展向排土體平臺表面擴展從而形成排土體的剪切貫通破壞失穩。

［1］曹雨軍.露天礦山排土場災害形成原因分析與對策［J］.中國礦業，2005，14(3):76-78.

［2］魏繼紅，吳繼敏，孫少銳.FLAC3D在邊坡穩定性分析中的應用［J］.勘察科學技術，2005(2):27-30.

［3］陳立云，劉大野，張嗣嗣.元寶山露天煤礦3#排土場工程地質條件與穩定性分析預測［J］.中國煤炭地質，2011，23(2): 32-37，41.

［4］黃 達，何興江，裴向軍，等.煤礦排土場邊坡變形失穩特征FLAC3D模擬分析［J］.水文地質工程地質，2008(6):61-65.

［5］汪海濱，李小春，米子軍，等.排土場空間效應及其穩定性評價方法研究［J］.巖石力學與工程學報，2011，30(10):2105-2111.

［6］青 蓉.排土場災害形成原因與治理方法［J］.中國礦山工程，2005，34(1):48-51.

［7］周昌壽.露天煤礦內排土場的穩定性［J］.中國礦業大學學報，1992，21(1):28-33.

［8］石建勛，劉新榮，廖邵波，等.礦區排土場堆載對邊坡穩定性影響的分析［J］.采礦與安全工程學報，2011，28(2):258-262.

［9］王 軍，王宜軍，樊學豹.露天礦鐵路排土場的穩定性分析［J］.包鋼科技，2010，36(3):7-10.

［10］王樹仁，張海清，梁建平.露天采坑三維邊坡穩定性分析及防治對策［J］.礦冶工程，2010，30(2):90-91.

The stability analysis of the evolution soft layer waste dump based on FLAC3D

Jia Huihui
(514 Brigade of North China Geological Exploration Bureau，Chengde 067600，China)

Based on MIDAS/GTS-FLAC3D，use self-compiled conversion program to build a numerical calculation model of waste dump.Studying the effect of internal friction angle and cohesive force to the deformation and instability development trend of waste dump when the waste dump base evolution is weak layer.Points out the selection and stacking of the waste dump should pay attention to the waterproof of basal weak layer，the gradient of the slope，and the reinforcement，and so on.To prevent the weaken mechanical parameters of the base soil of the waste dump to the the stability of waste dump.

waste dump，base，stability，FLAC3D

TU413.62

:A

1009-6825(2016)36-0069-03

2016-10-13

賈會會(1983-)，男，碩士，工程師