不同降雨工況對排土場安全性影響規律研究

周忠良 連民杰 孫世國

(1.中鋼礦業開發有限公司,北京 100080;2.北方工業大學土木工程學院,北京 100144)

排土場是露天礦山生產中的重要設施之一,也是重要危險源[1]。排土場遍布全國各地,數量多、危險性大,由于排土場屬于松散體[2],滑坡是排土場的主要破壞形式之一,也是排土場的主要事故類型,而雨水又是誘發排土場滑坡的主要因素之一,因此研究不同降雨工況對排土場安全影響規律,分析邊坡穩定性,對避免或減少災害的發生、保障排土場安全穩定運行、減少經濟損失等均具有重要意義。目前對排土場的穩定性研究主要考慮自然工況、降雨工況和地震工況三種情況[3-6],對降雨工況都只分析強降雨對排土場穩定性影響[7-8],沒有研究其他降雨類型對排土場穩定性影響規律 。本文以某冶金礦山排土場為研究對象,對不同降雨工況下邊坡巖體不同空間位置的應力應變演化特點及其對邊坡穩定性影響規律進行研究,以便為安全防護提供決策依據。

1 排土場基本情況

1.1 排土場現狀

某排土場位于唐山市遷安地區,目前總體堆置高度超過180 m,其中下部第一級臺階堆置高度為45 m(見圖1),等級為一等,隨著露天開采排土場堆置高度不斷增大,排土多為松散體極易在遭受雨水沖刷后而破壞,在排土場下方有居民區及各類市政設施等,因此排土場邊坡必須安全,不允許產生破壞性滑坡。

圖1 排土場平面圖Fig.1 Plan of waste dump

1.2 排土場工程概況

第四系人工堆積層分布在排土場大部分區域,灰色、肉紅色、干,主要由巖石碎塊、砂、黏土混合組成。巖石碎塊粒徑大小不一,主要成分為片麻巖、長石石英砂巖、磁鐵石英巖等。結構松散,孔隙較大,透水性較好,為強透水層。

第四系殘坡積、沖洪積土主要分布在排土場外圍西北側和南側,排土場內部溝谷部位有少量薄層第四系殘坡積土,厚度1 ～2 m。紅褐色,濕—稍濕,密實,主要由碎石、黏土等組成。碎石成分主要為礫巖、各種片麻巖等,碎石粒徑一般20 ～40 mm,黏土充填。物理力學性質指標見表1。

表1 排土場巖石物理力學性質指標Table 1 Physical and mechanical property index of rock in waste dump

2 不同降雨工況對排土場安全穩定性影響規律

2.1 不同降雨工況下排土場應力、應變分析

選取排土場典型剖面B-B'(見圖1),并根據排土場邊坡的實際尺寸簡化地質坡面模型如圖2 所示。

圖2 簡化后排土場剖面B-B'地質坡面圖Fig.2 Simplified geological slope diagram of section B-B' of back row soil yard

根據數值模擬計算結果選取如圖3 所示的5 條測線點分析其不同降雨工況下邊坡應力及應變演化規律。測線Ⅰ～Ⅴ分別為平行邊坡輪廓邊界線的測線點,每條線的選取間距為5 m,對Ⅰ～Ⅴ測線點的應力應變演化規律進行分析。根據氣象部門采用的24 h降雨量從小到大的等級劃分,從低到高設置了小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨6 種降雨工況。

圖3 土場邊坡測線點選取Fig.3 Selection of measuring line points for soil slope

運用邁達斯數值模擬方法模擬不同降雨工況下的應力與應變情況,將所模擬的結果繪制成折線圖,選取測線Ⅱ和測線Ⅴ進行對比分析(圖4 ～圖9),圖4～圖9 中1 為邊坡輪廓線,2 為Ⅱ測線點,3 為Ⅴ測線點,4～9 分別對應小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨6 種降雨工況下的應力或應變曲線,10 為自然無雨工況下的應力或應變曲線。

圖4 Ⅱ測線點水平應力隨水平距離變化曲線Fig.4 Curves of horizontal stress change with horizontal distance at Ⅱ measuring line point

圖5 Ⅱ測線點垂直應力隨水平距離變化曲線Fig.5 Curves of vertical stress change with horizontal distance at Ⅱ measuring line point

圖6 Ⅴ測線點水平應力隨水平距離變化曲線Fig.6 Curves of horizontal stress change with horizontal distance at Ⅴ measuring line point

從圖4～圖7 綜合對比發現,不同降雨工況下排土場淺層(Ⅱ測線點)在水平距離488 m 左右即第二坡的坡腳水平應力出現最大值,在水平距離414 m 和488 m 左右即第二坡的坡肩和坡腳出現2 個主要垂直應力峰值,而且降雨工況等級越高,水平應力和垂直應力越大,說明在此范圍內易發生滑坡,特大暴雨時水平應力和垂直應力較大,故特大暴雨時排土場邊坡相對更不穩定。當排土場坡面深度增加至20 m 時(Ⅴ測線點),不同降雨工況下排土場在水平距離414 m 左右即第二坡的坡肩開始隨著距離增加在多個坡肩處和坡腳處出現水平應力和垂直應力峰值,在最下一個坡腳處水平應力和垂直應力有增大的趨勢,因此第二坡坡肩易成為滑坡的入口處,最后一個坡腳位置易成為滑坡的出口處,形成第二坡坡肩向最下一個坡的深度滑坡,由于不同降雨工況對該測線點相應的應力變化影響不大,因此不同降雨工況不影響該滑坡規律,因此在深層(Ⅴ測線點)不論任何降雨工況,都應密切關注排土場從第二坡至最下一個坡的穩定性情況。

圖7 Ⅴ測線點垂直應力隨水平距離變化曲線Fig.7 Curves of vertical stress change with horizontal distance at Ⅴ measuring line point

對比圖8 和圖9 發現,不同降雨工況下排土場淺層(Ⅱ測線點)均是從水平距離414 m 左右開始垂直應變出現明顯變化,降雨工況等級越高應變越大,并且有2 次應變急劇變化并達到波峰,分別位于第二個坡的坡肩處和坡腳處,當排土場坡面深度增加至20 m 時(Ⅴ測線點),不同降雨工況下垂直應變量相較于淺層垂直應變量均會減少,且都只有1 個峰值,位于第二個坡的坡肩處,但應變量也會隨著降雨工況等級增加而變大,說明不同降雨工況與排土場產生應變位置的垂直應變量成正相關性,每種降雨工況下排土場產生應變位置的應變量與深度均是成逆相關性,不同降雨工況均可能導致第二坡在坡肩和坡腳處發生淺層滑坡,坡肩為滑坡入口,坡腳為滑坡出口,但是特大暴雨更易造成排土場邊坡淺層滑坡。對于排土場邊坡20 m 深處時,6 種不同降雨工況都只能造成第二坡的坡肩產生垂直應變,且應變量較小,因此相對更安全,發生深部滑坡的可能性較小。

圖8 Ⅱ測線點垂直應變隨水平距離變化曲線Fig.8 Curves of vertical strain change with horizontal distance at Ⅱ measuring line point

圖9 Ⅴ測線點垂直應變隨水平距離變化曲線Fig.9 Curves of vertical strain change with horizontal distance at Ⅴ measuring line point

2.2 不同降雨工況下排土場穩定性分析

根據《GB 51119—2015 冶金礦山排土場設計規范》,采用M-P 法、Bishop 法和Spencer 法3 種極限平衡法對不同降雨工況下的排土場局部和整體穩定性進行計算、分析。

2.2.1 小雨工況

在小雨工況下,用M-P 法、Bishop 法和Spencer法計算了排土場的安全系數,結果如下:① 發生局部滑坡時,計算所得安全系數均為1.14,在此工況下,3種穩定性計算結果相同;② 發生整體滑坡時,計算所得最大安全系數為2.05,最小安全系數為2.03,平均值為2.04。表2 和圖10 分別列出小雨工況的計算模型、結果和安全系數。

表2 小雨工況邊坡極限平衡法計算安全系數Table 2 Safety factors calculated by limit equilibrium method of slope under light rain condition

圖10 小雨工況邊坡極限平衡法計算模型及結果Fig.10 Calculation model and results of slope limit equilibrium method under light rain conditions

2.2.2 特大暴雨工況

在特大暴雨工況下,用M-P 法、Bishop 法和Spencer 法計算了邊坡的安全系數,結果如下:① 發生局部滑坡時,計算所得最大安全系數為0.90,最小安全系數為0.89,平均值為0.90;② 發生整體滑坡時,計算所得最大安全系數為1.62,最小安全系數為1.61,平均值為1.61。圖11 和表3 分別列出特大暴雨工況的計算模型、結果和安全系數。

表3 特大暴雨工況邊坡極限平衡法計算安全系數Table 3 Safety factors calculated by limit equilibrium method of slope under extreme rainstorm condition

圖11 特大暴雨工況邊坡極限平衡法計算模型及結果Fig.11 Calculation model and results of slope limit equilibrium method under extreme rainstorm condition

為更好地反映排土場安全系數變化情況,將6 種降雨工況下計算得出的排土場安全系數數據繪于表4 中,并繪制成圖12,與《GB 51119—2015 冶金礦山排土場設計規范》有關降雨工況下排土場整體安全穩定性標準進行對比分析(見表5)。

表4 安全系數計算匯總Table 4 Summary of safety factor calculation

表5 降雨工況下排土場安全穩定性標準Table 5 Standard for safety and stability of waste dump under rainfall conditions

圖12 不同降雨工況局部和整體安全系數折線圖Fig.12 Partial and overall safety factor broken line diagram under different rainfall conditions

從計算結果可看出M-P 法、Bishop 法和Spencer法3 種方法的計算所得的安全系數相差不大,相對來說M-P 法的安全系數較小于Bishop 法與Spencer 法,這3 種方法的計算結果相互驗證,較客觀地反映了排土場實際的穩定性,同時可以看出隨著雨強的增大,這3 種計算方法所得的安全系數均呈逐漸減小的趨勢。

從小雨工況開始,排土場的局部安全系數就開始降低,排土場局部已不滿足安全穩定性標準,有局部滑坡的可能性,因此降雨前就應該采取有效措施防止排土場局部滑坡。從大雨工況開始到大暴雨工況階段,排土場局部安全系數降幅速度與整體安全系數降幅速度趨于一致。從大暴雨階段至特大暴雨階段排土場局部安全系數降幅減緩,與整體安全系數在該階段的降幅有所不同。

在任何降雨工況下,排土場整體安全系數都均滿足要求,不會發生整體滑坡。從小雨工況開始到大雨工況階段排土場整體穩定性系數沒有太大變化,從暴雨工況開始排土場的整體安全系數有較為明顯下降,尤其是特大暴雨工況安全系數較暴雨和大暴雨工況安全系數下降較多,雖然此時排土場整體安全穩定性系數仍然滿足標準要求,但是從暴雨開始就應該采取有效措施,防止排土場的安全性降低較多,提高排土場的整體安全穩定性。

3 結 論

針對6 種不同降雨工況,通過數值模擬研究和極限平衡法評價,可以得到如下結論:

(1)不同降雨工況對排土場邊坡體淺層產生不同應力影響,降雨等級越高應力變化越大,從而易產生局部滑坡破壞;但對于排土場邊坡體深層而言不同工況降雨對其應力產生影響不大,主要是降雨的入滲沒有達到該深度,故不會產生大面積滑坡。

(2)不同降雨工況對排土場的淺層變形影響大,對深層影響小,但對于同一深度坡面,降雨工況等級越高,應變量越大。

(3)同種降雨工況都是排土場的整體安全穩定性大于局部穩定性,總體變化規律是降雨工況等級越高,排土場的穩定性越差。

(4)不同降雨工況,不應單因素分析排土場的安全穩定性,應結合不同深度應力、應變情況和邊坡穩定性系數綜合考慮排土場的安全穩定性情況。

(5)對局部不穩定邊坡應該采取必要的安全防護措施,避免其局部滑坡誘發坐落式滑坡破壞的風險。