河南汝陽(yáng)某露天排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析研究

趙卓鈺 孫超偉

（西京學(xué)院 陜西省混凝土結(jié)構(gòu)安全與耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710123）

1 工程概況

某鉬礦排土場(chǎng)位于有左右兩個(gè)溝匯集成東溝的大溝內(nèi)，屬三面環(huán)山，一面開(kāi)口的山谷型地貌。場(chǎng)區(qū)總體地勢(shì)東高、西低，南北兩岸山勢(shì)較陡，最高點(diǎn)標(biāo)高為+1040m、最低點(diǎn)標(biāo)高為+710m，相對(duì)高差約330m。排土場(chǎng)目前采用高土高排、低土低排的汽推式順向排土的方式從左側(cè)溝向西南排，從右側(cè)溝向東北排，兩個(gè)溝內(nèi)大部分為礦山剝采廢料之類的排土物料。東溝兩側(cè)山體垂高約300m，坡度一般約30°，局部達(dá)40°，該處現(xiàn)狀多被廢石掩蓋，已形成段高約40m、坡度約35°的人工地貌，為了排土場(chǎng)的安全使用，故采用極限平衡法較為準(zhǔn)確地對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。露天礦排土場(chǎng)及周邊環(huán)境如圖1 所示。

圖1 某鉬礦排土場(chǎng)及周邊環(huán)境圖

2 計(jì)算工況

本鉬礦排土場(chǎng)場(chǎng)地條件較為復(fù)雜，現(xiàn)狀排土場(chǎng)堆置高度約140.0m，排土場(chǎng)最終堆置高度210m，排土場(chǎng)穩(wěn)定性計(jì)算工況應(yīng)根據(jù)重力、降雨及地下水、地震或爆破震動(dòng)影響確定為自然工況、降雨及地下水工況、地震或爆破震動(dòng)工況三種。本研究結(jié)合了河南汝陽(yáng)露天排土場(chǎng)的實(shí)際情況，采用瑞典法、簡(jiǎn)化Bishop法、Janbu 法和Morgenstern-Price 法這四種方法對(duì)不同剖面在三種工況下進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。

3 計(jì)算模型

根據(jù)基本資料，針對(duì)邊坡潛在破壞模式，分別對(duì)東溝鉬礦排土場(chǎng)設(shè)計(jì)典型邊坡C-C＇ 剖面、D-D＇ 剖面和E-E＇ 剖面進(jìn)行了整體穩(wěn)定性分析計(jì)算。設(shè)計(jì)典型剖面位置圖如圖2 所示、C-C＇ 剖面概化模型、D-D＇ 剖面概化模型、E-E＇ 剖面概化模型如圖3- 圖5 所示：

圖2 設(shè)計(jì)典型剖面位置圖

圖3 C-C＇剖面概化模型

圖4 D-D＇剖面概化模型

圖5 E-E＇剖面概化模型

本鉬礦排土場(chǎng)等級(jí)為一等，區(qū)域下游有村莊、居民區(qū)和工業(yè)場(chǎng)地，因此本次選取一等排土場(chǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)上限值，即自然工況下其排土場(chǎng)安全穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)取1.30，降雨工況條件下其排土場(chǎng)安全穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)為1.25，地震工況條件下排土場(chǎng)安全穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)為1.20。

3.1 剖面工況一穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果與分析，計(jì)算結(jié)果如表1所示

如表1 所示，各剖面排土場(chǎng)邊坡在工況一（自然條件）下各方法計(jì)算的最小安全系數(shù)均大于1.50，都滿足規(guī)范所要求的1.30，故各剖面排土場(chǎng)邊坡整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。對(duì)四種計(jì)算方法進(jìn)行比較：Bishop 法測(cè)得的安全系數(shù)均大于對(duì)應(yīng)剖面的其他三種方法測(cè)得的數(shù)據(jù)；Janbu 法測(cè)得的數(shù)據(jù)較對(duì)應(yīng)的其他剖面的數(shù)據(jù)偏低。對(duì)三個(gè)剖面進(jìn)行比較，四種計(jì)算方法下的E-E＇剖面的穩(wěn)定性系數(shù)均高于對(duì)應(yīng)計(jì)算方法下的其他兩個(gè)剖面，但D-D＇剖面的穩(wěn)定性系數(shù)均低于對(duì)應(yīng)計(jì)算方法下C-C＇剖面的穩(wěn)定性安全系數(shù)。

3.2 剖面工況二穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果與分析，計(jì)算結(jié)果如表2 所示

如表2 所示，各剖面排土場(chǎng)邊坡在工況二（降雨及地下水條件）下各方法計(jì)算的最小安全系數(shù)均大于1.50，都滿足規(guī)范所要求的1.25，故各剖面排土場(chǎng)邊坡整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。對(duì)四種計(jì)算方法進(jìn)行比較：三個(gè)剖面在四種計(jì)算方法下測(cè)得的穩(wěn)定性安全系數(shù)的結(jié)果所展現(xiàn)的趨勢(shì)大致相同，典條分法與Janbu 法測(cè)得的安全系數(shù)相差不大，Bishop 法所測(cè)得的安全系數(shù)均大于對(duì)應(yīng)剖面的其他三種方法測(cè)得的數(shù)據(jù)，瑞典條分法所測(cè)得的安全系數(shù)均小于對(duì)應(yīng)剖面的其他三種方法測(cè)得的數(shù)據(jù)。對(duì)三個(gè)剖面進(jìn)行比較，C-C＇剖面在各計(jì)算方法下的穩(wěn)定性安全系數(shù)均高于對(duì)應(yīng)計(jì)算方法下D-D＇剖面的數(shù)值，且均低于對(duì)應(yīng)計(jì)算方法下E-E＇剖面的計(jì)算數(shù)值。

排土場(chǎng)是人工堆積體，其中地下水主要來(lái)源于大氣降雨，降雨入滲將改變排土場(chǎng)邊坡內(nèi)地下水滲流場(chǎng)。地下水升高是一個(gè)緩慢過(guò)程，也是飽和- 非飽和降雨入滲運(yùn)動(dòng)過(guò)程。本鉬礦針對(duì)大氣降雨入滲條件下，對(duì)排土場(chǎng)進(jìn)行了邊坡飽和- 非飽和的時(shí)效穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)在大氣降雨入滲后，大量的降水易形成堆積體孔隙水及下滲將產(chǎn)生的靜水壓力和滲透壓力，會(huì)增加土體自重荷載，使邊坡體抗剪強(qiáng)度急劇降低，滑動(dòng)面積范圍不斷擴(kuò)大，排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性隨滲透飽和區(qū)的擴(kuò)大而降低；待飽和區(qū)的孔隙水壓力逐漸消散，安全穩(wěn)定性又會(huì)提高。在此期間，土體淺層飽和區(qū)會(huì)向坡體內(nèi)部擴(kuò)張，內(nèi)部的非飽和區(qū)由于降雨入滲逐漸飽和，導(dǎo)致土體邊角處容易由于長(zhǎng)期浸泡產(chǎn)生破壞。降雨使土體飽和深度不斷增加，坡面容易形成張拉裂縫，待土體發(fā)生軟化后，坡體向坡角處發(fā)生位移，邊坡受到破壞后穩(wěn)定性會(huì)大大降低。

表1 工況一條件下各剖面計(jì)算結(jié)果

表2 工況二條件下各剖面計(jì)算結(jié)果

表3 工況三條件下各剖面計(jì)算結(jié)果

3.3 剖面工況三穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果與分析，計(jì)算結(jié)果如表3所示

如表3 所示，各剖面排土場(chǎng)邊坡在工況三（地震條件）下各方法計(jì)算的最小安全系數(shù)均大于1.30，都滿足規(guī)范所要求的1.20，故各剖面排土場(chǎng)邊坡整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。對(duì)四種計(jì)算方法進(jìn)行比較：三個(gè)剖面在四種計(jì)算方法下測(cè)得的穩(wěn)定性安全系數(shù)的結(jié)果所展現(xiàn)的趨勢(shì)大致相同，瑞典條分法、Janbu 法和Morgenstern-Price 法所計(jì)算得到的結(jié)果相差不大，Bishop 法所測(cè)得的安全系數(shù)均大于對(duì)應(yīng)剖面的其他三種方法測(cè)得的數(shù)據(jù)。對(duì)三個(gè)剖面進(jìn)行比較，C-C＇剖面在各計(jì)算方法下的穩(wěn)定性安全系數(shù)均高于對(duì)應(yīng)計(jì)算方法下D-D＇剖面的數(shù)值，且均低于對(duì)應(yīng)計(jì)算方法下E-E＇ 剖面的計(jì)算數(shù)值，但C-C＇剖面與D-D＇剖面的穩(wěn)定性安全系相差十分微小。

本場(chǎng)地屬于建筑抗震一般地段，地震基本烈度為Ⅵ度。Ⅰ區(qū)域場(chǎng)地類別為Ⅱ類，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.25s；Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)域場(chǎng)地類別為Ⅰ類，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s。地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性，主要表現(xiàn)為砂土液化的可能性，以及水平地震加速度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，水平加速度越大，邊坡失穩(wěn)的概率就越大。本鉬礦不同加速度作用下的響應(yīng)值不同，邊坡頂部可能會(huì)發(fā)生土體松動(dòng)或形成拉裂縫，地震作用后易造成土體塑性變形破壞而引發(fā)邊坡在累積效應(yīng)下導(dǎo)致失穩(wěn)。地震會(huì)使土體發(fā)生反復(fù)震蕩，邊坡處于拉剪狀態(tài)，強(qiáng)度會(huì)減弱，而土體在強(qiáng)度較小的荷載作用下會(huì)產(chǎn)生彈性變形，造成反復(fù)出現(xiàn)壓實(shí)和疏松的狀態(tài)，等孔隙水壓力升高，邊坡強(qiáng)度降低，上層的堆積土很可能沿著滑動(dòng)面發(fā)生滑動(dòng)，穩(wěn)定性就受到嚴(yán)重影響。

由表1- 表3 所示，三種工況下三個(gè)剖面在各個(gè)計(jì)算方法下的趨勢(shì)都大致相同。以C-C＇剖面瑞典法為例，自然工況下邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)最高，降雨及地下水工況的安全系數(shù)與自然工況相比，平均變化幅度約為4.2%，地震工況下的安全系數(shù)與自然工況下相比，平均變化幅度高達(dá)17.6%，地震工況下的穩(wěn)定性安全系數(shù)最低。D-D＇剖面的安全系數(shù)均低于對(duì)應(yīng)計(jì)算方法的其他剖面，E-E＇剖面在任何情況下安全穩(wěn)定性性最好。

4 結(jié)論

4.1 排土場(chǎng)邊坡在自然工況下能保持穩(wěn)定或者基本穩(wěn)定，在降雨工況后力學(xué)參數(shù)弱化，穩(wěn)定性安全系數(shù)降低約4.2%，穩(wěn)定性狀態(tài)下降一個(gè)等級(jí)；在地震工況后，穩(wěn)定性安全系數(shù)下降劇烈，變化幅度約17.6%，穩(wěn)定性狀態(tài)較差。

4.2 在排土場(chǎng)穩(wěn)定性研究方面，針對(duì)大氣降雨入滲條件下，進(jìn)行了排土場(chǎng)邊坡飽和- 非飽和的時(shí)效穩(wěn)定性分析，得出在大氣降雨入滲后，排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性隨滲透飽和區(qū)的擴(kuò)大，而安全穩(wěn)定性降低；待飽和區(qū)的孔隙水壓力逐漸消散，安全穩(wěn)定性又會(huì)提高。

4.3 鉬礦排土場(chǎng)場(chǎng)區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，地震強(qiáng)度雖然不高，但排土場(chǎng)作為松散堆積體在地震作用下極易引發(fā)滑坡，地震對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性影響很大。

4.4 考慮地震影響，地震來(lái)臨時(shí)，往往伴隨暴雨，因此，排土場(chǎng)在地震作用下可能會(huì)發(fā)生一定規(guī)模的失穩(wěn)而出現(xiàn)滑坡型泥石流。為降低泥石流發(fā)生的可能，建議按排土優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行堆排。