露天礦排土場攔石壩設(shè)計及其穩(wěn)定性驗算

孫　嘉　劉　濤

(西北礦冶研究院)

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露天礦排土場攔石壩設(shè)計及其穩(wěn)定性驗算

孫嘉劉濤

(西北礦冶研究院)

摘要以新疆索爾庫都克銅礦露天排土場滾石防治工程為研究背景，結(jié)合該排土場四周地形特征，為攔截排土場危險落石，在排土場四周修筑了干砌攔石壩，以高空落石滑落的運動特征為基礎(chǔ)，分析了落石滑落的速度計算方法和攔石壩的設(shè)計計算方法，首先計算滑落滾石的極限爬坡高度以確定攔石壩的高度，然后根據(jù)能量守恒定律計算攔石壩的平均寬度，從而確定攔石壩的結(jié)構(gòu)參數(shù)。為避免滾石沖擊力對攔石壩形成沖擊破壞，在攔石壩的前部設(shè)計了一定厚度的緩沖層，用于吸收部分落石的沖擊力，其穩(wěn)定性驗算結(jié)果表明，滾石的沖擊力經(jīng)過緩沖土層被大大減弱。

關(guān)鍵詞露天排土場攔石壩滾石運動特征結(jié)構(gòu)參數(shù)沖擊力

巖質(zhì)邊坡落石(亦稱滾石)是我國一種多發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[1-5]。滾石的規(guī)模相對于滑坡、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害小，但具有突發(fā)性強(qiáng)、難預(yù)測、隨機(jī)性強(qiáng)等特征，易造成人員傷亡、道路毀壞[2,6]。露天礦山排土場一般容積較大，堆放較高，其最終邊坡角一般較小，低于巖石的自然安息角，因此發(fā)生滑坡的可能性較低，高空滾石便成為主要的危險源，易造成人員傷亡和設(shè)備毀壞。對于滾石防治一般在其下游設(shè)置攔石結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)性的一般包括混凝土攔石墻、落石緩沖槽、攔石柵欄等[6]。目前，關(guān)于混凝土攔石墻等剛性攔石結(jié)構(gòu)理論計算和結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計的研究成果較多[7-11]，對于干砌攔石壩的研究成果則相對較少。為此，本研究結(jié)合新疆索爾庫都克銅礦露天排土場滾石防治工程，根據(jù)現(xiàn)場地形特征，提出在排土場四周修筑攔石壩的防治方案，以高空落石滑落的運動特征為基礎(chǔ)，分析落石滑落的速度計算方法和攔石壩的設(shè)計計算方法。

1攔石壩設(shè)計

1.1攔石壩布置方案

設(shè)計采用多臺階排土，底部標(biāo)高740 m，頂部標(biāo)高830 m，最終堆放高度90 m。排土場每一臺階排棄坡度35°，最終堆積邊坡角28°，臺階高度15 m。由于排土場四周地形較平坦，設(shè)計在其四周修筑攔石壩，攔石壩與排土場底部的距離為5 m。

1.2攔石壩尺寸設(shè)計1.2.1滑落滾石極限爬坡高度計算

設(shè)滑落滾石的質(zhì)量為m，在高度為h的位置沿排土場的邊坡順坡而下，根據(jù)排土場邊坡設(shè)計，滾石到達(dá)地表時最多需經(jīng)過5個水平平臺(圖1)。

圖1　排土場最終邊坡折線示意

根據(jù)能量守恒定律，有：

(1)

式中，g為重力加速度，m/s2；N為邊坡受滾石作用的正壓力，MPa；f為滾石摩擦作用系數(shù)，一般與滾石形狀有關(guān)，一般取值0.4～1.5，本研究取0.4；s為滾石滑動距離，m；v1為滾石滑落至第1個臺階坡腳的速度，m/s。

經(jīng)第1個平臺折減，滾石至第1個平臺與第2個臺階坡頂處的速度(v1′)為

(2)

式中，k為速度折減系數(shù)，取0.9；α為臺階坡面角，(°)。

據(jù)式(1)、式(2)可計算出v2、v2′、v3、v3′、v4、v4′、v5、v5′、v6、v6′。由此可知，滾石的爬坡高度為

(3)

式中，φ為攔石壩坡面角，(°)。

設(shè)計排土場高90 m，臺階坡面角35°，臺階高15 m，平臺寬5 m，滾石體積1 m3，質(zhì)量2 700 kg，折減后的速度計算結(jié)果見表1。

表1　折減后的速度

由表1可知：滾石滾至攔石壩底部的速度為8.12 m/s。將該值代入式(3)，計算得滾石的最大爬坡高度為3 m。

1.2.2攔石壩寬度設(shè)計

攔石壩的寬度設(shè)計首先應(yīng)考慮其可能的破壞方式。滾石從高處滾下，對攔石壩的破壞形式主要為將壩體沖垮或沖斷。設(shè)壩體的平均厚度為B，滾石滾至壩前的速度為v，滾石質(zhì)量為m，根據(jù)能量守恒定律，有：

(4)

式中，F(xiàn)為壩體安全系數(shù)，取1.5；γ為壩體密度，kg/m3；h′為滾石沖擊點與壩體的高度，m。

對于高3 m的壩體，h′取1.5 m，滾石體積 1 m3，質(zhì)量2 700 kg，根據(jù)式(4)可計算得：B=2.9 m。

經(jīng)計算，最終確定壩體頂部寬2 m，壩高3 m，內(nèi)坡垂直，外坡坡比為1∶0.3，攔石壩斷面見圖2。

圖2 攔石壩斷面示意

2攔石壩穩(wěn)定性驗算

為避免滾石沖擊力對攔石壩形成沖擊破壞，在攔石壩的前部設(shè)計一定厚度的緩沖層，用于吸收部分落石的沖擊力，降低落石對攔石壩主體的沖擊力。滾石沖擊攔石壩后在攔石壩內(nèi)部的受力過程可分2個階段：第1階段，由于緩沖土層的存在，落石以速度v沖向土體并進(jìn)入土體，當(dāng)進(jìn)入一定的深度后其能量被土體吸收，速度降為0；第2階段，滾石作用于土層的沖擊力P以擴(kuò)散角i將沖擊力傳遞至攔石壩。

2.1緩沖層厚度確定

緩沖層滾石沖擊力計算簡圖如圖3所示。

圖3　滾石沖擊力計算簡圖

滾石對攔石壩的沖擊力計算公式為

(5)

式中，γm為緩沖土層的容重，kN/m3；Z為滾石沖擊緩沖層后沖擊的深度，m；φ′為緩沖土層的內(nèi)摩擦角，(°)；v6′為滾石滾至攔石壩底部的速度，m/s；A為滾石的截面積，m2。

滾石體積1 m3，質(zhì)量2 700 kg，γm為18 kN/m3，φ′為35°，v6′為8.12 m/s，將該類參數(shù)帶入式(5)計算得：Z=0.85 m，P=0.80 MPa。據(jù)此可確定緩沖層的厚度為1.9 m。

2.2沖擊力在擋土墻內(nèi)的擴(kuò)散作用

由于緩沖土層的存在，沖擊力會在土體中進(jìn)行擴(kuò)散(圖4)，由于滾石沖擊土層后土體會受到被動破壞，可將i(45°-φ′/2)視為滾石沖擊土層后的沖擊力擴(kuò)散角。為便于計算，可認(rèn)為沖擊力水平作用于緩沖土層壩體表面，并呈扇形擴(kuò)散。擴(kuò)散后的沖擊力作用于攔石壩壩體的直徑(d)為

(6)

式中，r為滾石半徑，m；l為緩沖土層平均厚度，m。

圖4　滾石沖擊力在土體中的擴(kuò)散作用示意

等效沖擊荷載(q)的計算公式為

(7)

式中，P為滾石對攔石壩的沖擊力，MPa。

緩沖土層γm為18 kN/m3，φ′為35°，滾石體積1 m3，質(zhì)量2 700 kg，r為0.29 m，d為3.24 m，經(jīng)式(7)計算得：q=0.25 MPa，可見滾石的沖擊力經(jīng)過緩沖土層被大大減弱，壩體可承受滾石的沖擊。

3結(jié)語

結(jié)合新疆索爾庫都克銅礦露天排土場滾石防治工程，詳細(xì)分析了在排土場四周修筑干砌攔石壩的設(shè)計方案并進(jìn)行了穩(wěn)定性驗算，可供露天礦山排土場滾石災(zāi)害防治參考。

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(收稿日期2015-11-01)

孫嘉(1974—)，男，工程師,730900 甘肅省白銀市人民路19號。