地震作用下排土場穩定性研究

王建華

(安徽馬鋼礦業資源集團有限公司, 安徽 馬鞍山市 243000)

0 前言

地震及爆破振動作用對排土場邊坡穩定性具有重要影響,為此,大量學者對其展開了研究[1-4]:耿清友等[5]通過數值模擬軟件GeoStudio,對唐山某礦山排土場邊坡在不同烈度地震作用下的穩定性進行了研究,探討了地震波加速度與邊坡穩定性的關系;羅成彥[6]運用極限平衡法分析了地震、降雨及正常工況下的排土場穩定性,提出了排土場安全監測、排水、日常管理工作等措施。

本文基于Geo-Studio數值模擬軟件,對南山礦業公司和尚橋鐵礦典型截面的排土場邊坡穩定性進行研究,探討地震工況下3種不同土排土場邊坡的穩定性。

1 排土場工程概況

和尚橋鐵礦自2004年基建項目啟動,于2013年7月進入試生產,達到了300萬t/a的采選生產規模。和尚橋鐵礦床大尾山、馬塘礦段設計開采范圍為西起13勘探線,東至27勘探線,開采標高＋36～-96 m,面積約1.23 k m2。經過前期基建及開采,已基本形成＋12～0 m、0～-24 m、-24～-48 m、-48～-72 m 4個臺階,形成長約1300 m、寬約950 m、深72 m的采坑,工作臺階坡面角約為34°,最終邊坡角為24.5°。

2 模型建立及參數選取

以具有代表性的截面A-A'為研究對象進行穩定性分析,所取截面如圖1所示。

圖1 排土場總平面圖

截面A-A'高差84 m左右,呈階梯狀,共4層臺階,臺階高24 m(最頂層高12 m);臺階坡面角34°,內排土場最終坡面角采場側26.4°,安全平臺寬度為20 m。采用Geo-Studio軟件QUAKE/W模塊對排土場邊坡進行建模與穩定性分析計算,得出礦堆最危險滑弧所在位置以及最小抗滑安全系數。在數值模擬過程中使用QUAKE/W模塊中的Equivalent Linear Dynamic工具對排土場邊坡的動應力響應展開研究,將得到的結果傳入Geo-Studio數值模擬軟件的SLOPE/W模塊進行計算,并使用QUAKE/W模塊中的New-mark分析排土場邊坡在地震工況下的穩定性情況。

堆積散體物料的各項物理性質不穩定,存在一個取值區間,所以在區間內分5種不同的情況取值分析;同時,根據室內試驗測定3種不同土體的基本物理力學性質,取3種不同土體物理力學參數進行模擬。場地屬區域穩定地段,不會因地基承載力不足而導致地基底鼓,進而誘發牽引式滑坡,因此基巖組取1種物理參數進行分析。排土場散體物料和基巖的各項物理力學參數按表1選取。

3 結果分析

馬鞍山地震設防烈度為6度,峰值地震加速度為0.05g。地震烈度為6時,邊坡安全系數隨地震加速度變化而變化,圖3表示輸入地震波的加速度曲線。

圖3 輸入地震加速度時程曲線

圖4至圖6表示受地震影響,邊坡加速度的變化規律。圖7至圖9為地震過程中排土場邊坡滑移面的安全系數時程曲線,圖10至圖12表示臨界滑面安全系數隨平均加速度變化情況。對比研究加速度時程曲線、安全系數時程曲線可知,在10 s的地震過程中,該排土場邊坡安全系數與平均加速度遷移曲線相似,且平均加速度變化起主導作用,邊坡安全系數隨之變化。平均加速度-安全系數曲線由加速度時程曲線和安全系數時程曲線復合而成,表示在地震過程中該排土場邊坡安全系數與邊坡平均加速度之間的關系。地震峰值加速度與邊坡安全系數之間呈反比關系,即安全系數隨平均加速度的增加而減小。當參數較低,即內摩擦角較小時,以圖4、圖7為例,邊坡安全系數的谷值(1.299)對應地震波所造成的邊坡平均加速度的峰值(0.0847g)。分析可知,當排土場邊坡受到平均加速度為0.05g的水平地震波作用時,在地震模擬10 s內臨界滑移面平均安全系數為1.299。由于此時排土場邊坡臨界滑移面的最小安全系數大于1.05,因此,該邊坡在峰值為0.05g加速度的地震波作用下基本能夠保持穩定。

圖4 土體1邊坡的平均加速度時程曲線

圖6 土體3邊坡的平均加速度時程曲線

圖7 土體1邊坡滑移面安全系數時程曲線

圖9 土體3邊坡滑移面安全系數時程曲線

圖10 土體1邊坡滑移面安全系數-加速度曲線

圖12 土體3邊坡滑移面安全系數-加速度曲線

圖5 土體2邊坡的平均加速度時程曲線

圖8 土體2邊坡滑移面安全系數時程曲線

圖11 土體2邊坡滑移面安全系數-加速度曲線

為研究地震加速度影響下坡體的加速度變化情況,以地震工況下安全系數適中的土體1邊坡一為例,坡頂加速度時程曲線、水平加速度與豎向加速度的時程曲線分別見圖13、圖14和圖15,在加速度為0.05g的地震影響下,在3.998 s時坡頂峰值加速度達到0.087g,對比分析可知,該加速度以水平加速度為主導,豎向加速度較小。同時為研究坡面各臺階的加速度情況,取4個臺階加速度時程曲線,見圖16(節點2168為第1臺階,節點1946為第2臺階,節點1639為第3臺階,節點1382為第4臺階),4個臺階在地震作用下加速度變化趨勢基本一致,相比之下第1臺階即坡腳處加速度較大,可能導致坡腳碎石土產生較大的位移。

圖13 土體1邊坡的坡頂加速度時程曲線

圖14 土體1邊坡的坡頂水平加速度時程曲線

圖15 土體1邊坡的坡頂豎向加速度時程曲線

圖16 土體1邊坡的一各臺階加速度時程曲線

在地震作用下坡體變形情況如圖17所示(篇幅有限,僅展示部分圖形,下同),3種土體條件下最大位移均發生在坡頂坡腳部位,最高達到1.185～1.19 m,基巖也有較大位移,該位移由水平位移主導,豎向沉降位移較小,由該部位到坡面向上位移都逐漸減小，故據此可推測在地震作用下,坡腳邊緣碎石土大范圍的滑移很有可能影響此邊坡的穩定性。

圖17 地震工況下土體1邊坡的變形

地震作用下邊坡的最大剪應力分布如圖18所示,剪應力自上向下依次增大,坡面平臺剪應力較小,大約在1.2715～1.320 k Pa,坡面剪應力在1.320～50 k Pa,坡腳較坡面其剪應力更為集中,最大剪應力主要集中在下層基巖內部,高達835.98～857.92 Pa。

圖18 地震工況下土體1邊坡的最大剪應力分布

地震工況下的邊坡水平應力分布如圖19所示,水平應力為7.0058～654.25 k Pa。斜坡水平應力越高,坡腳處的最大剪應力越大。因此當巖土體中存在較高的水平集中應力時,邊坡更易發生變形和破壞。

圖19 地震工況下水平應力分布圖

不同條件下滑移面的分布如圖20所示。最危險滑移面的安全系數見表2,當壓實度較低時,如土體3邊坡,其臨界滑移面在地震荷載作用下綜合安全系數為1.226,但是在地震作用下某一時刻最低安全系數為1.099,為不安全邊坡;當壓實度較高時,如土體2邊坡,臨界滑移面綜合安全系數為1.664,地震作用下某一時刻最低安全系數為1.474,可基本保持穩定。綜合以上分析,截面AA'坡面在地震模擬的10 s內有某一時刻臨界滑面安全系數較低,有一定的滑坡風險,應注意防范。

圖2 截面A-A'邊坡

表2 地震工況AA'截面的邊坡臨界滑面安全系數

圖20 地震工況下土體1邊坡的AA'剖面上的滑移面分布

4 結論

(1)在10 s地震過程中,該排土場邊坡安全系數與平均加速度時程曲線相似,平均加速度起主導作用,地震加速度與邊坡安全系數呈反比關系,即安全系數隨平均加速度的增加而減小。

(2)在地震作用下,3種土體坡體的最大位移均位于坡頂、坡腳部位,基巖位移主要由水平位移為主,豎向沉降位移較小,從基巖向上到坡頂位移逐漸減小，據此推測在地震作用下坡腳邊緣碎石土大范圍的滑移可能影響邊坡的穩定性。

(3)斜坡水平應力越高,坡腳處的最大剪應力越大。因此,當巖土體中存在較高的水平集中應力時,邊坡更易發生變形和破壞。

(4)當壓實度較低時,邊坡的臨界滑移面在地震荷載作用下綜合安全系數為1.226,但在地震作用時某一時刻最低安全系數為1.099,為不安全邊坡;當壓實度較高時,臨界滑移面綜合安全系數為1.664,地震作用時某一時刻最低安全系數為1.474,可基本保持穩定。綜上分析,截面AA'坡面在地震模擬的10 s內某一時刻其臨界滑面安全系數較低,存在一定的滑坡風險,應注意防范。