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      路堤設(shè)計(jì)及幫坡穩(wěn)定性分析

      2014-04-08 12:05:56周曉超呂林洪
      有色金屬設(shè)計(jì) 2014年3期
      關(guān)鍵詞:采場路堤安全系數(shù)

      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)

      0 引 言

      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)。

      1 工程概況

      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

      2 Slide邊坡穩(wěn)定性分析

      2.1 基本理論

      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。

      2.2 排土場2D仿真模型建立

      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

      2.3 Slide邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果與分析

      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)

      3 FLAC2D邊坡穩(wěn)定性分析

      3.1 基本理論

      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:

      3.2 建立幾何模型

      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

      3.3 FLAC強(qiáng)度折減計(jì)算結(jié)果

      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

      4 結(jié) 語

      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.

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      [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.

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