某超高排土場邊坡穩定性分析

蘇星月 張宇

摘要：高圍壓條件下，排土場深部顆粒破碎是超高排土場區別于低等級排土場的最重要特征。針對國內某超高排土場建立計算模型，在考慮排土場深部顆粒破碎與不考慮排土場深部顆粒破碎2種模式下，采用極限平衡法對該超高排土場自然、降雨及地震3種工況進行邊坡穩定性分析。結果表明：超高排土場在堆置過程中，深部顆粒破碎效應引起排土料強度改變，從而降低了排土場邊坡穩定安全系數。

關鍵詞：超高排土場;顆粒破碎;邊坡;穩定性;安全系數

中圖分類號：TD7 TD854.7文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）12-0079-04doi：10.11792/hj20211217

引 言

近20年來，隨著礦業的迅速發展，土地資源日益收緊，排土設備越來越大型化與智能化，經濟、環保等方面的壓力增大，在確保安全的前提下采用超高臺階排土或增加排土場堆高是未來排土場的趨勢，是減少排土場征地及增加排土場堆排量的有效途徑。但是，隨著排土場工程向超高臺階技術發展，工程災害日趨增多，面臨的工程環境也愈來愈復雜，將導致排土場的安全問題更加突顯[1]。

超高排土場特征：①堆排過程使堆積體粒度具有明顯的分選性。其總體規律表現為堆積體塊度自上而下逐漸增大，小塊集中在上部，大塊在下部，中間部分各種塊度參差不齊，但以中等塊度居多[2]。在排土場邊坡穩定性分析過程中，排土場堆積散體強度參數是一個重要因素，而不同粒徑組成是散體強度參數的主要影響因素。②隨著堆排高度的增加，在自重作用下，排土場深部一部分顆粒將發生破碎[3-5]。當顆粒受力后，其應力狀態發生改變，從而引起顆粒本身的破碎。顆粒破碎會改變顆粒粒徑、顆粒級配、密實度等，使顆粒間接觸壓力重新調整，均勻化分配，阻礙了剪脹的發揮，從而降低了巖土材料的抗剪強度。因此，深部巖土的強度特性與顆粒破碎率密切相關[6-9]。

本文以國內某超高排土場為例，基于極限平衡法，開展邊坡穩定性分析，進而研究排土場深部顆粒破碎對邊坡穩定性產生的影響。

1 邊坡工程地質模型

1.1 工程概況

某超高排土場主要排放鐵礦廢石，采用膠帶排巖機排土方式進行排土作業。其下伏地層主要為中風化黑云混合片麻巖，排土場總占地面積5.36 km2，設計最大堆排土量約7.29億m3，最大堆積高度約260 m，共分為5個臺階排土，臺階標高分別為160 m、195 m、240 m、285 m、330 m，排土段高35～45 m，各臺階的安全平臺寬度為30 m，臺階坡面角為37.5°。該超高排土場如圖1所示。

1.2 計算模型

該超高排土場典型剖面圖及其有限元網格劃分情況如圖2、圖3所示。主要采用等參四邊形和少量退化的三角形，共分為5 224個節點，5 106個單元。在計算排土場應力狀態分布時，截面底部為x、y雙向固定約束邊界，兩側垂直邊界為x向固定約束邊界。

1.3 物理力學指標

依據相關物理力學試驗結果及堆排過程中的巖土工程勘察報告，排土料及基巖土層物理力學參數如表1所示。

1.4 非線性強度指標

從坡腳到排土平臺坡頂，排土場堆積散體以固定的自然安息角堆存，基底承受平行于排土場坡面的荷載，表現為從坡頂到坡腳逐漸減小，其結果是排土層自身各部位固結應力基本呈線性增長，導致顆粒相互滑移、充填、粗大顆粒棱角破碎和重排，力學特性呈現分層性，且表現出明顯非線性性質。此外，排土場堆高越高，排土場內部固結應力越大，顆粒破碎對排土料抗剪強度指標的影響越明顯，從而引起排土場邊坡穩定性的有條件轉化效應更明顯[9]。傳統的線性抗剪強度指標對低圍壓狀態下排土場穩定性計算具有較好的適用性，但難以反映高圍壓條件下粗大顆粒碎石破碎引起的強度衰減[10-11]。

對于以塊石及粗粒巖土堆積而成的排土場，其材料強度參數往往與應力狀態有關。在堆排過程中，排土料在一定的圍壓下會發生顆粒破碎現象，顆粒破碎引起粒間應力重新分布，粒間內聚力變弱，顆粒容易移動，從而引起內摩擦角降低，表現為強度包線后段向下彎曲，即在比較大的應力范圍內，物料的抗剪強度與法向應力之間的比例關系并不是一個常數，它隨應力的增加而降低[12-13]。排土料的內摩擦角與圍壓有關，通常圍壓越大，內摩擦角越小，呈非線性關系。

內摩擦角非線性強度公式為：

φ=φ0-Δφlgσ3p（1）式中：φ為土體滑動面的內摩擦角（°）;φ0為圍壓為一個大氣壓力下的內摩擦角（°）;Δφ為內摩擦角增量（°）;σ3為圍壓（kPa）;p為大氣壓力（kPa）。

考慮到排土場深部顆粒破碎，產生排土料強度弱化效應，采用非線性強度指標計算排土場穩定性。排土料非線性強度指標如表2所示。

2 邊坡穩定性分析

GB 51119—2015 《冶金礦山排土場設計規范》[14]指出，采用極限平衡法進行排土場穩定性分析時，應根據破壞模式選擇計算方法。排土場潛在失穩模式有3種：沿排土體-原始山體表面接觸帶滑坡、排土本體（內部）近程滑動、排土場基礎滑坡。當發生排土本體（內部）近程滑動及排土場基礎滑坡時，滑動面基本為圓弧形破壞模式，可采用Morgenstern-Price法、Bishop法、Spencer法進行分析。該超高排土場采用膠帶排巖系統排土，排土場內部廢石的潛在滑動面為圓弧形滑面或其他光滑曲面，在考慮排土場深部顆粒破碎與不考慮排土場深部顆粒破碎2種模式下，采用Bishop法在自然、降雨及地震3種工況下對該超高排土場進行穩定性分析，以探明堆置過程中顆粒破碎效應引起的排土料強度改變對排土場邊坡穩定性的影響。

2.1 應力變形分析

該超高排土場典型剖面豎直方向大、小主應力云圖如圖4所示。沿豎直方向從上到下，大主應力隨著深度的增加逐漸增大，最大值約為3 500 kPa;小主應力呈現類似的趨勢，排土場底部小主應力最大值約為1 200 kPa。隨著排土場內部壓應力的增加，排土料的內摩擦角存在一定程度的減小，表現為抗剪強度在一定范圍內的弱化。圍壓（小主應力）越大，這種抗剪強度弱化的效果越大，因此對超高排土場進行穩定性分析時，應充分考慮高圍壓作用對排土料抗剪強度的弱化，以準確判斷排土場邊坡穩定性。

2.2 未考慮排土場深部顆粒破碎

物理力學指標取值如表1所示，邊坡穩定安全系數如表3、圖5所示。結果表明：自然工況安全系數為1.496，降雨工況安全系數為1.391，地震工況安全系數為1.235，均滿足規范穩定性要求。

2.3 考慮排土場深部顆粒破碎

采用材料的非線性強度指標反映排土料內摩擦角隨著圍壓變化的程度，充分考慮高圍壓作用對排土料抗剪強度的弱化，準確評估高圍壓條件下排土場的邊坡穩定性。

典型剖面內摩擦角（φ′）的分布情況如圖6所示。邊坡穩定安全系數如表4、圖7所示。

由圖6可以看出：越遠離邊坡，內摩擦角越小。隨著排土高度增加，排土料的強度參數（內摩擦角）變化越明顯。由表4和圖7可以看出：自然工況安全系數為1.459，降雨工況安全系數為1.347，地震工況安全系數為1.229，均滿足規范穩定性要求。但是，與未考慮排土場深部顆粒破碎相比，考慮排土場深部顆粒破碎的邊坡安全系數均降低。

邊坡穩定性研究結果表明，超高排土場在堆置過程中，深部顆粒破碎效應引起排土料強度改變，從而降低排土場邊坡穩定安全系數。

3 結 論

1）針對國內某超高排土場，基于極限平衡法，考慮排土場深部顆粒破碎對超高排土場邊坡穩定性的影響，提高超高排土場邊坡穩定性計算的可靠度。

2）內摩擦角是表征排土散體材料強度特性的主要指標。研究結果表明，排土場內部排土料的內摩擦角表現出明顯的非線性，越遠離排土邊坡，內摩擦角越小。

3）傳統的線性抗剪強度指標難以反映高圍壓條件下粗大顆粒碎石破碎引起的強度衰減。

4）對于超高排土場，應考慮高圍壓條件下深部顆粒破碎導致抗剪強度弱化的影響。

5）超高排土場建設是未來排土場的趨勢。希望未來有更多的相關研究，推動超高排土場穩定性分析研究領域的發展，最終指導工程實踐。

[參 考 文 獻]

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Analysis of the stability of a super high dump

Su Xingyue1，2，Zhang Yu2

（1.School of Management，China University of Mining and Technology（Beijing）; 2.BGRIMM Technology Group）

Abstract：Under high confining pressure，the particle fragmentation deep in the dump is the most important characteristic that tells super high dump from low-grade dump.Calculation model is established based on a domestic super high dump.In the 2 patterns，with and without the particle fragmentation deep in the dump taken into consideration，the slope stability is analyzed in 3 working conditions that are nature，rainfall and earthquake，using limit equilibrium method.The results show that during the stockpiling process of the dump，the particle fragmentation effect causes the change of dump materials，thus lowering the safety coefficient of the dump slope stability.

Keywords：super high dump;particle fragmentation;slope;stability;safety coefficient