某高臺階排土邊坡不同失穩(wěn)模式下穩(wěn)定性分析

吳 丹 葉爾江·多力達西 郄永波 張 宇

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.新疆維吾爾自治區(qū)阿勒泰地區(qū)應急管理局，新疆 阿勒泰 836300)

排土場是礦山開采過程中所產(chǎn)生的廢石等廢棄物的集中排放場所，開展排土場邊坡穩(wěn)定性研究，以確定排土場的合理結構參數(shù)，具有十分重要的意義。目前，隨著國家對礦產(chǎn)資源的需求量急驟增加、排土場的高度也不斷增高，針對高臺階排土場自身特點的穩(wěn)定性研究的方法，國內外學者進行了大量的研究。排土場穩(wěn)定性分析方法應用最廣泛的是剛體極限平衡法，該方法忽略滑坡體的內部變形，認為其為不可變形的剛體，假定滑體處于極限強度狀態(tài)，在長期的實用中積累了大量的經(jīng)驗，形成了一套定量評價安全系數(shù)的標準。許志中等[1]分析了歪頭山上盤排土場加高后多種狀態(tài)下的穩(wěn)定性，選取排土場的變形破壞模式和安全系數(shù)限值,通過Bishop法、Janbu法進行了穩(wěn)定性計算；汪海濱等[2]對某礦山排土場工程實例進行研究，指出排土場穩(wěn)定性的關鍵在于排土場地基-排土體相互作用下的系統(tǒng)空間效應和自身組構特征分層效應；許暢[3]利用傳遞系數(shù)法的原理，結合某排土場工程實際，進行排土場整體穩(wěn)定性的計算；陳久利等[4]針對安太堡露天礦內排土場邊坡運用SLIDE軟件，對不同工況下邊坡強度穩(wěn)定性進行對比分析，指出在降雨或地震的作用下排土場邊坡穩(wěn)定系數(shù)明顯降低，特別是在降雨條件下局部危險滑動面可能發(fā)生貫通，邊坡存在整體失穩(wěn)的可能；張勇[5]針對金牛礦業(yè)公司排土場建設過程中出現(xiàn)的臺階大量沉降變形、坡腳蠕動、局部滑坡等失穩(wěn)現(xiàn)象進行了分析，就構成排土場失穩(wěn)的因素進行了探討。本文通過對某高臺階排土場不同滑動模式進行分析，針對不同模式下選取不同穩(wěn)定性分析方法進行穩(wěn)定性對比分析，揭示了高臺階排土場穩(wěn)定性滑動模式及規(guī)律，對類似工程研究具有借鑒意義。

1 排土場邊坡失穩(wěn)模式及計算方法

排土場邊坡穩(wěn)定性分析一般采用極限平衡法，針對排土場邊坡不同破壞模式，選擇不同的穩(wěn)定性計算方法[6]?；趯鴥韧饴短斓V山排土場的綜合調查分析[7]，排土場潛在失穩(wěn)模式有三種：沿排土體-原始山體表面接觸帶滑坡、排土體內部近程滑動、排土場基礎滑坡。沿排土場堆置的基底表面-原始山體表面接觸帶產(chǎn)生的滑坡，主要控制因素是基底表面傾角及其與排棄物之間的強度指標差異，當排土體和地基接觸帶抗剪強度小于排土場物料本身的抗剪強度，則構成堆石體滑體的滑動面，產(chǎn)生沿基底表層的順坡向破壞。排土本體(內部)近程滑動及排土場基礎滑坡，指地基巖層相對穩(wěn)定，而散體巖石力學性質相對弱，排土堆高到一定程度后，外荷載作用(如繼續(xù)堆載或排土設備加載)下，地基沉陷，誘使排棄物壓密變形增大，處于極限平衡后，排土場后部一定范圍內，由于自重先期壓實沉陷而形成的主動楔形區(qū)，在其他外力及降雨等因素的誘發(fā)下，下部阻擋被動楔難以支撐，導致排棄物料內部滑坡。排土場基礎滑坡指排土場地基較為軟弱，或地基含軟弱層或正斷層時，加上水、過載或邊坡過陡等因素而導致，在上部土場作用下產(chǎn)生滑移和底鼓，進而牽引上部土場滑坡。在排土場形成過程中，隨著排棄高度的不斷增加，排棄物料的重力增大，基底土層持力層厚度亦隨之加深，當排棄物達到一定水平時，基底持力層遇有連續(xù)性好、強度低的黏土軟弱帶或軟塑帶，軟弱帶被擠壓產(chǎn)生塑性流動擠出，下部基底隆起剪切而產(chǎn)生破壞。

當排土土體(內部)發(fā)生近程滑動及排土場基礎滑坡，滑動面基本為圓弧形破壞模式，可采用Morgenstern-Price法、Bishop法、Spencer法進行分析；當破壞模式為沿表土-基巖界面或排土體-地基界面折線破壞時，可采用余推力法[7-8]；當破壞模式為沿表土-基巖或排土體-地基的單一平面破壞時，可采用傳遞系數(shù)法。

2 工程概況及計算模型

2.1 地質剖面

國內某排土場等級為一級，現(xiàn)狀堆置高度為126 m，共分4級臺階，臺階坡面角37.5°，臺階高度自下而上分別為22、16、38、50 m，安全平臺寬度為30 m。根據(jù)鉆探資料揭露，主要地層為侏羅系九佛堂組泥質灰?guī)r(J3jf)、第三系辛集組礫巖和泥巖(E2X)和第四系人工堆積物(Qr)，區(qū)域設防烈度為7度。排土場邊坡地質剖面如圖1所示。

圖1 排土場邊坡地質剖面圖Fig.1 The geological section of the waste dump slope

2.2 計算工況及參數(shù)

排土場穩(wěn)定性計算工況應根據(jù)重力、降雨及地震影響，分為自然工況、降雨及地下水工況、地震工況[7]。結合排土場基巖剖面圖及力學參數(shù)，將基巖概化為泥質灰?guī)r，使得巖體工程穩(wěn)定性分析結果更接近于現(xiàn)場實際情況。排土料及地基土層物理力學參數(shù)如表1所示。

3 不同失穩(wěn)模式下邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 模式一：排土體內部近程抗滑穩(wěn)定性分析

對于該排土場排土本體近程抗滑穩(wěn)定性，本研究采用Bishop法、Morgenstern-Price法及Spencer法進行了排土場整體安全穩(wěn)定性分析，得到的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)如表2所示。根據(jù)表2計算結果，該排土場邊坡整體穩(wěn)定性在自然工況、降雨工況、地震工況下最小安全系數(shù)分別為1.428、1.344、1.214，均滿足規(guī)范要求。對比來看，三種計算方法得到安全系數(shù)滑動模式及安全系數(shù)均比較接近，考慮Morgenstern-Price法同時滿足力和力矩的平衡，以Morgenstern-Price法得到的最危險滑動面為例，滑動模式主要發(fā)生在排土邊坡內部，其中最危險滑動面為深層滑動，滑入點位于坡頂附近，滑動面穿過排土體從坡腳滑出，如圖2所示。

表2 模式一排土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Table 2 Safety factor of slope stability of mode Ⅰ

圖2 失穩(wěn)模式一下滑動面Fig.2 The sliding surface of mode Ⅰ

3.2 模式二：排土體-地基界面抗滑穩(wěn)定性分析

當排土場基底出現(xiàn)傾角與坡面近似平行的局部陡坡、且排土料與基底之間存在強度指標較低的接觸帶時，可能引發(fā)排土體-地基界面的滑動破壞。排土場形成初期主要排棄表土，強度相對較低、結構相對疏松，大氣降雨后易形成排棄物與基底表層土的滲透差異，水易沿著基底表面滯流，浸潤后軟化、強度低。且排土場外圍西北側和南側內部溝谷部位有少量薄層第四季殘坡積土，主要由碎石、黏土組成，厚度約1～2 m。當排土體和地基接觸帶抗剪強度小于排土物料本身的抗剪強度時，可能產(chǎn)生沿基底表層的順坡向破壞。排土場整體可能沿基底滑動情況下，將計算剖面根據(jù)地形和排土邊坡線劃分為23個滑塊，采用余推力法計算失穩(wěn)模式二下排土場整體穩(wěn)定性，計算結果如表3所示。計算結果表明，剩余下滑力為0時，自然工況、降雨工況和地震工況下的安全系數(shù)分別為1.664、1.495和1.439，均滿足規(guī)范要求。該失穩(wěn)模式下，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)受地表坡度傾角影響較大，排土體-基礎界面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨著地表坡度傾角變大而減小。

表3 模式二排土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

圖3 失穩(wěn)模式二下滑動面Fig.3 The sliding surface of mode Ⅱ

3.3 不同滑動模式對比分析

通過失穩(wěn)模式一和模式二計算結果對比分析，對于高臺階排土場，當基礎存在薄弱覆蓋層、自然地形較陡的情況下，需重點考慮沿排土本體(內部)近程滑動模式與沿排土體-地基界面滑動模式。針對本次分析不同失穩(wěn)模式下穩(wěn)定性計算結果，該排土邊坡模式二下邊坡穩(wěn)定系數(shù)大于模式一，說明排土邊坡的滑動模式仍以內部滑動為主。

4 結論

1)對于高臺階排土場邊坡，當基礎存在薄弱覆蓋層、自然地形較陡時，應考慮不同失穩(wěn)模式，沿排土體內部近程滑動和沿排土體-地基界面滑動均為潛在可能失穩(wěn)模式。

2)排土物料均勻的高臺階排土場邊坡，內部近程滑動模式為貫穿排土體的圓弧滑動面，穩(wěn)定性選用同時滿足力和力矩的平衡的計算方法，排土體-地基界面滑動模式為沿著基底折線滑動面，穩(wěn)定性計算選用余推力法，分析不同失穩(wěn)模式下邊坡穩(wěn)定性有助于全面了解排土場邊坡安全狀態(tài)。