周曉超,周 銘,呂林洪
(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司,云南昆明650051)
銅街-曼家寨礦段露天采場南部出口處東西幫邊坡目前已產(chǎn)生滑移,使得東西幫道路及大坪選廠存在安全隱患,嚴(yán)重影響了人員作業(yè)安全和礦山經(jīng)濟(jì)效益。鑒于此,為解決南部出口幫坡滑移以及選廠運(yùn)輸問題,設(shè)計(jì)在南部出口堆置路堤進(jìn)行幫坡壓腳并實(shí)現(xiàn)原礦運(yùn)輸效益最大化。因此,為確保設(shè)計(jì)路堤幫坡參數(shù)合理、路堤安全穩(wěn)定,通過對(duì)極限平衡和數(shù)值仿真模擬角度借助Slide和Flac2D進(jìn)行了路堤邊坡穩(wěn)定性的綜合分析、相互校核驗(yàn)證比較,確保設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),以期為露天采場路堤的設(shè)計(jì)與施工提供可靠的設(shè)計(jì)參數(shù)和依據(jù)。
銅街-曼家寨礦段露天采場南部出口處東西幫由于受F0、F1斷層影響加之工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜,東西幫幫坡出現(xiàn)滑移,已影響到了露天采場南部出口、東西幫道路及大坪選廠原礦堆場的安全,為解決露天采場南部出口幫坡滑移安全隱患,同時(shí)兼顧解決大坪選礦廠原礦運(yùn)輸距離遠(yuǎn)、道路運(yùn)行條件差、運(yùn)量有限等問題,擬在銅街-曼家寨礦段露天采場南部出口堆置路堤,該路堤兼具東西幫幫坡壓腳及原礦運(yùn)輸?shù)缆饭δ?,路堤橫斷面為梯形斷面,下底堆置寬度約480 m、標(biāo)高890 m、路堤頂寬31 m、堆置高度100 m,路堤南幫設(shè)置4個(gè)臺(tái)階,北幫設(shè)置5個(gè)臺(tái)階,南北幫臺(tái)階坡面角均為30°,南幫 (外坡)幫坡角19°,北幫(內(nèi)坡)幫坡角21°,路堤總土石方量263.91萬 m3(其中填方262.35萬m3,挖方1.56萬 m3);路堤最低堆置標(biāo)高890 m,路堤北西面為銅街-曼家寨礦段露天采場(正在生產(chǎn)),北東面、東南面為銅街-曼家寨礦段露天采場排廢運(yùn)輸?shù)缆?,西面為大坪選礦廠,西南面為大坪選礦廠配套萬龍山尾礦庫(距離路堤坡腳最近距離約180 m);路堤由下至上分層填筑,下部壓實(shí)度不小于80%,上部(8 m)范圍內(nèi)壓實(shí)度不小于93%。
根據(jù)《GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A的規(guī)定,該工程抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05 g,地震分組為第一組,進(jìn)行了堤壩邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算,天然狀態(tài)下具體巖土層力學(xué)參數(shù)見表1。該分析選擇沿溝谷方向最易發(fā)生滑坡失穩(wěn)的剖面I-I作為邊坡穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ),路堤平面布置及幫坡穩(wěn)定性驗(yàn)算剖面見圖1。
表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Physical-mechanics parameters of rock and soil layer
圖1 路堤平面及邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算剖面Fig.1 Cross section of stability checking calculation of embankment plane and slope
極限平衡分析方法是依托靜力平衡原理,將邊坡上的滑體進(jìn)行條分,根據(jù)極限狀態(tài)下滑體條受力和力矩的平衡來分析邊坡的穩(wěn)定性[1]。該方法未考慮巖土體應(yīng)力-應(yīng)變性質(zhì),所求的安全系數(shù)只是反映假定滑面的指標(biāo),并不能反映巖土體破壞機(jī)理,僅為一種綜合近似解,但力學(xué)模型簡單,有系統(tǒng)規(guī)范指導(dǎo)[2]。
Slide軟件是由加拿大Rocscience開發(fā)的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算軟件(2D limit equilibrium slope stability for soil and rock slopes)。Slide軟件是一個(gè)二維的評(píng)價(jià)土體和巖石邊坡中圓弧和非圓弧滑動(dòng)面狀況的計(jì)算程序軟件,已廣泛應(yīng)用于露天礦山邊坡、公路邊坡和堤壩等的穩(wěn)定性計(jì)算與分析[3]。因此,該設(shè)計(jì)采用基于極限平衡理論的邊坡穩(wěn)定計(jì)算軟件Slide對(duì)銅曼露天采場內(nèi)堤壩邊坡建立了仿真建模與系統(tǒng)計(jì)算和分析。
根據(jù)礦山提供的地勘資料,運(yùn)用Slide建立2D模型見圖2。
圖2 路堤幫坡穩(wěn)定性分析2D模型Fig.2 2D model of stability analysis for embankment slope
該設(shè)計(jì)考慮天然、天然地震、降雨、降雨地震4種工況,利用Slide軟件對(duì)建立的模型進(jìn)行計(jì)算,得到最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的安全系數(shù)。該驗(yàn)算考慮TR100卡車一輛滿載荷和一輛空車作用于路堤同一橫斷面邊坡4種不同工況下的穩(wěn)定狀態(tài),所得路堤邊坡不同工況、驗(yàn)算方法下安全系數(shù)見表2。
鑒于篇幅所限,該文只列出了降雨地震工況下MP法的路堤邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果,見圖3、圖4。
由Slide極限平衡計(jì)算結(jié)果可知,當(dāng)TR100一輛滿載和一輛空車作用于路堤同一橫斷面時(shí),在天然、天然地震和降雨、降雨地震4種不同工況下計(jì)算云圖滑移面和安全系數(shù)[FS]>1.15,處于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合圖3、圖4得出,路堤北部幫坡最危險(xiǎn)滑移面發(fā)生在邊坡內(nèi)部而南部幫坡發(fā)生在坡頂。但安全系數(shù)Morgenstern-Price法較Bishop法、Spencer法都偏小,這主要是因?yàn)镸orgenstern-Price法為嚴(yán)格條分法,滿足水平、垂直方向的力和力矩的平衡,靜不定方程中多余未知量的假定并不是任意的,符合巖土體的力學(xué)特性[4]。由表1還可以看出,降雨+地震工況下較天然狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)偏小、滑動(dòng)區(qū)域增大,這主要是因降雨改變了邊坡體的力學(xué)性能而削弱了巖土體的強(qiáng)度參數(shù),同時(shí)浸水、地震荷載使滑移面的剪應(yīng)力增大,而地震擾動(dòng)又是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的因素。因此,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)路堤幫坡的監(jiān)測(cè)并采取有效的排水措施以保證、提高路堤幫坡穩(wěn)定。
表2 極限平衡法路堤幫坡安全系數(shù)Tab.2 Safety factors embankment and slope obtained by limit equilibrium method
圖3 MP法路堤北部幫坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果(FS=1.206)Fig.3 Stability calculation results of north slope by MP(FS=1.206)
圖4 MP法路堤南部幫坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果(FS=1.185)Fig.4 Stability calculation results of south slope by MP(FS=1.185)
有限差分強(qiáng)度折減考慮了巖土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,可反映真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變情況以及邊坡破壞的漸變過程,通過巖土體參數(shù)的不斷折減達(dá)到臨界破壞狀態(tài)求得邊坡的安全系數(shù)[5]。
Duncan(1996)指出邊坡安全系數(shù)可以定義為使邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí),對(duì)土的剪切強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度。強(qiáng)度折減即通過逐步減小抗剪強(qiáng)度指標(biāo),將c、φ值同時(shí)除以折減系數(shù)Fsr,得到一組新的強(qiáng)度指標(biāo)c'、φ',然后進(jìn)行有限差分分析,通過不斷改變折減系數(shù)進(jìn)行試算直至邊坡達(dá)到極限狀態(tài)發(fā)生剪切破壞,此時(shí)采用的強(qiáng)度指標(biāo)與巖土體原來具有的強(qiáng)度指標(biāo)之比即為該邊坡的安全系數(shù) Fs[6~7]。公式如下:
根據(jù)路堤設(shè)計(jì)橫剖面圖,對(duì)其進(jìn)行簡化處理抽象出模型,將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,考慮到實(shí)際邊坡在無限延伸的,要繼續(xù)模擬堤壩邊坡穩(wěn)定性,所以對(duì)邊坡進(jìn)行兩端加長和底部加厚處理而最終得到的模型,對(duì)實(shí)際邊坡進(jìn)行等比例縮小,建立網(wǎng)格,可得到模型邊坡網(wǎng)格劃分,見圖5。
圖5 路堤模型邊坡網(wǎng)格劃分圖Fig.5 Slope mesh generation chart of embankment model
降雨地震下路堤幫坡剪應(yīng)變率等值線圖和速度矢量圖見圖6、圖7、圖8、圖9。剪應(yīng)變率等值線表示剪切破壞面,即是邊坡變形潛在滑坡破壞面的位置。通過FLAC2D進(jìn)行驗(yàn)算后,路堤南北部最危險(xiǎn)滑動(dòng)面分別發(fā)生在坡頂和內(nèi)部,安全系數(shù)在天然、天然+地震、降雨、降雨+地震下均大于規(guī)程規(guī)定的邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.15(見表3),目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。
圖6 路堤南部幫坡剖面剪應(yīng)變率等值線云圖(FS=1.17)Fig.6 Isoline cloud chart of shear strain rate of south slope profile(FS=1.17)
圖7 路堤南部幫坡剖面速度矢量圖Fig.7 Velocity vector diagram of south slope profile
圖8 路堤北部幫坡剖面剪應(yīng)變率等值線云圖(FS=1.19)Fig.8 Isoline cloud chart of shear strain rate of north slope profile(FS=1.19)
圖9 路堤北部幫坡剖面速度矢量圖Fig.9 Velocity vector diagram of north slope profile
表3 FLAC強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results obtained by FLAC strength reduction method
2種不同計(jì)算方法各工況的安全系數(shù)對(duì)比見表4。
表4 不同計(jì)算方法路堤幫坡安全系數(shù)對(duì)比表Tab.4 Comparison of safety factors of embankment slope obtained by different methods
續(xù)表4
由表4看出基于靜力平衡原理的極限平衡法和考慮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的Flac2D強(qiáng)度折減法計(jì)算的路堤幫坡在不同工況下最危險(xiǎn)滑移面位置非常接近,安全系數(shù)相差很小,2種方法不僅相互驗(yàn)證相互補(bǔ)充,而且從工程熟悉的安全系數(shù)和邊坡巖土體應(yīng)力應(yīng)變角度進(jìn)行了路堤幫坡穩(wěn)定綜合分析,為路堤設(shè)計(jì)提供了理論支撐,更好地指導(dǎo)現(xiàn)場路堤設(shè)計(jì)、施工[8-9]。
根據(jù)《GB 50421-2007有色金屬礦山排土場設(shè)計(jì)規(guī)范》[10],排土場邊坡穩(wěn)定系數(shù)FS取值宜取1.15~1.3,結(jié)合被保護(hù)對(duì)象的等級(jí)確定,當(dāng)被保護(hù)對(duì)象為失事后使村鎮(zhèn)遭受嚴(yán)重災(zāi)害時(shí),F(xiàn)S取1.3;當(dāng)被保護(hù)對(duì)象為失事后不致造成人員傷亡或者造成經(jīng)濟(jì)損失不大的次要建構(gòu)筑物時(shí),F(xiàn)S取1.2;當(dāng)被保護(hù)對(duì)象為失事后損失輕微時(shí),F(xiàn)S取1.15??紤]該路堤幫坡的特點(diǎn)及與周邊環(huán)境關(guān)系,該路堤幫坡安全系數(shù)>1.15即為穩(wěn)定的。通過Slide極限平衡法和FLAC強(qiáng)度折減法綜合分析得出:該路堤幫坡最不利工況條件下安全系數(shù) FS為1.17,>1.15,說明路堤是穩(wěn)定的,設(shè)計(jì)參數(shù)合理,但同時(shí)應(yīng)注意以下問題。
(1)運(yùn)用Slide和FlAC 2D對(duì)路堤幫坡進(jìn)行了荷載作用下不同工況的穩(wěn)定性分析表明,路堤幫坡安全系數(shù)[FS]>1.15處于穩(wěn)定狀態(tài),路堤北幫最危險(xiǎn)滑移區(qū)發(fā)生在中部,而南幫最危險(xiǎn)滑移區(qū)發(fā)生在坡頂處;當(dāng)車輛荷載增加時(shí)邊坡頂部沉降量增加,使得幫坡面滑移區(qū)存在貫通趨勢(shì),惡化幫坡的整體穩(wěn)定,必須嚴(yán)格控制路堤頂部車輛荷載。
(2)降雨+地震下安全系數(shù)明顯降低,因此,應(yīng)完善路堤內(nèi)、外部排水設(shè)施,有效疏排大氣降水。
(3)在堆排過程中應(yīng)按設(shè)計(jì)要求碾壓,增大路堤粘聚力進(jìn)而提高邊坡整體穩(wěn)定,并對(duì)路堤南幫坡頂處及北幫中部地段進(jìn)行位移、沉降監(jiān)測(cè),以便及時(shí)預(yù)報(bào)可能出現(xiàn)的滑坡等災(zāi)害。
[1]XU Weiya,ZHOU Jiawen ,DENG Junye etc.Slope stability analysis of limit equilibrium finite element method based on the Dijkstra algorithm [J].Chinese J.Geot.Eng.,2007,29(8):1159-1172.
[2]倪斌,張偉,劉曉明.基于slide的露天采場邊坡穩(wěn)定性分析[J].中國礦山工程,2013,42(6):28-31.
[3]陳建宏,張濤,曾向農(nóng),等.尾礦壩邊坡穩(wěn)定性仿真建模與安全分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,39(4):635-670.
[4]鄭穎人,陳祖煜,王恭先,等.邊坡與滑坡工程治理[J].北京:人民交通出版社,2007.
[5]Dawson E M.Slope stability analysis by strength reduction[J].Geotechnique,1999,49(6):835-840.
[6]陳佳,唐開元,周雪斐.基于數(shù)值模擬的露天邊坡強(qiáng)度折減法穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山,2012(6):26-29.
[7]歐湘萍,白楷.基于FLAC-3D的強(qiáng)度折減法邊坡穩(wěn)定性分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(9):59-61.
[8]褚雪松,龐峰,李亮,等.邊坡穩(wěn)定有限元強(qiáng)度折減法與極限平衡法的對(duì)比[J].人民黃河,2011,33(10):93-95.
[9]康亞明,楊明成,胡艷香.極限平衡法和有限單元法混合分析土坡穩(wěn)定[J].中國礦業(yè),2006,15(3):74-77.
[10]中華人民共和國建設(shè)部,國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50421-2007有色金屬礦山排土場設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2007.