基于空間效應(yīng)的排土場(chǎng)邊坡協(xié)同穩(wěn)定分析

周曉超

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051)

露天礦山排土場(chǎng)安全穩(wěn)定既是一個(gè)關(guān)系到礦山安全生產(chǎn)的技術(shù)問題，又是一個(gè)關(guān)系到下游居民生產(chǎn)生活的社會(huì)問題。眾所周知，排土場(chǎng)排廢工程是礦山生產(chǎn)的伴隨過程，不產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)效益，但如果系統(tǒng)中某些參數(shù)的漸變使其邊坡失穩(wěn)并超出系統(tǒng)協(xié)同穩(wěn)定的范圍，將會(huì)導(dǎo)致礦山整體系統(tǒng)的協(xié)同出現(xiàn)矛盾：輕則使礦山承受經(jīng)濟(jì)損失，重則影響礦山正常生產(chǎn)運(yùn)行和周邊居民生活穩(wěn)定[1]。因此，進(jìn)行排土場(chǎng)邊坡系統(tǒng)協(xié)同穩(wěn)定研究，進(jìn)而避免不協(xié)同帶來的地質(zhì)災(zāi)害是十分有必要的。

露天礦山形成的排土場(chǎng)邊坡為大量土石混合體經(jīng)搬運(yùn)至特定場(chǎng)地，并按照一定堆排工藝主動(dòng)調(diào)控堆積所形成的人工土石邊坡。區(qū)別于建筑邊坡、公路邊坡等，基于對(duì)周鄰環(huán)境的影響程度，排土場(chǎng)邊坡允許局部坍塌、變形和裂縫的出現(xiàn)，以兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性的雙重管理理念[2]。研究發(fā)現(xiàn)：排土場(chǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性受場(chǎng)地地形影響呈現(xiàn)出一定的空間效應(yīng)(敞口發(fā)散效應(yīng)和收口夾持效應(yīng))，而排土場(chǎng)的凹形空間夾持效應(yīng)以及三維空間滑動(dòng)存在的端部效應(yīng)使得平面應(yīng)變2D分析與實(shí)際情況可能存在偏差[3-4]。因此，排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定應(yīng)兼顧排土體系統(tǒng)與地基基礎(chǔ)的協(xié)同作用，充分利用排土場(chǎng)的空間效應(yīng)，減少征地，最大限度增加容量，以更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。

鑒于露天排土場(chǎng)在礦山生產(chǎn)中的重要地位，本文依托某一具體的排土場(chǎng)工程實(shí)例，從系統(tǒng)協(xié)同穩(wěn)定角度出發(fā)，考慮露天礦邊坡允許適度變形的設(shè)計(jì)原則和可部分破壞的理念，采用二維和三維數(shù)值仿真模擬方法對(duì)該排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，從而為礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)提供理論支撐并反饋設(shè)計(jì)方法，保證礦山安全生產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)效益最大化。

1 工程概況

排土場(chǎng)場(chǎng)址為一封閉溝谷洼地，南北向長(zhǎng)約 600 m，東西向長(zhǎng)約 400 m，場(chǎng)地地形南西高，北東低，山坡北緩南陡，主溝底較平緩，坡度在5～10°之間，總體縱坡降約6.3%，匯水面積約 1.10 km2。主溝近南—北向展布，系呈“U”字型的平緩沖溝，溝底寬15～40 m，總長(zhǎng)約 800 m。場(chǎng)地西、南、東3面地勢(shì)較高的山體地帶出露全風(fēng)化粉砂巖，局部地表零星有少量頁(yè)巖露頭；低洼溝谷地段為第四系土層覆蓋；北面山體為中等風(fēng)化白云巖出露。場(chǎng)地巖層走向?yàn)楸蔽鳌蠔|向(280～320°)，傾角7～14°。

排土場(chǎng)位于礦區(qū)東面，礦區(qū)北面有鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路與排土場(chǎng)相連，西面有礦區(qū)公路與排土場(chǎng)相連。排土場(chǎng)設(shè)計(jì)堆置平臺(tái)為 2 075～2 185 m，堆置高度 110 m，堆置段高為 20～30 m。排土場(chǎng)擬堆棄物料為露天開采磷礦產(chǎn)生的廢棄渣土、碎石，渣土成分主要有強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化粉砂巖，少量殘積粘土、強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖和中等風(fēng)化白云巖。

2 平面應(yīng)變下的邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 強(qiáng)度折減法原理

強(qiáng)度折減法在本質(zhì)上與傳統(tǒng)的極限平衡法一致，且實(shí)際中許多滑坡的發(fā)生常常是由于外界因素(開挖、降雨等)引起的巖土體強(qiáng)度降低所致。連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日法(FLAC)具有使用強(qiáng)度折減法求解安全系數(shù)的功能，不僅可以得到復(fù)雜巖土質(zhì)邊坡的安全系數(shù)，而且容易通過臨界狀態(tài)的剪應(yīng)變和節(jié)點(diǎn)速度判斷出滑動(dòng)面的位置，所以越來越廣泛地應(yīng)用到工程實(shí)際中[5]。

Duncan[6]指出邊坡安全系數(shù)可定義為使邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)，對(duì)巖土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度。這種強(qiáng)度折減技術(shù)應(yīng)用到有限差分中可以表述為：通過逐步減小抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，將c、φ值同除以折減系數(shù)Fs，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，反算計(jì)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)與巖土體原有的強(qiáng)度指標(biāo)之比即為該邊坡的安全系數(shù)Fs。公式如下：

(1)

(2)

式(1)(2)中c和φ為巖土體的抗剪強(qiáng)度;c′、φ′為折減后保持坡體穩(wěn)定的極限抗剪強(qiáng)度;Fs為強(qiáng)度折減系數(shù)。

圖1 模型邊坡網(wǎng)格劃分圖Fig.1 Meshing diagram of model slope

2.2 計(jì)算工況選取及模型建立

考慮排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定影響因素，并結(jié)合《有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50421—2018)[7]和《冶金礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 51119—2015)[8]選取自然工況、降雨工況和地震工況進(jìn)行該排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算，其中地震工況下地震烈度按VIII度(0.20 g)考慮。

根據(jù)數(shù)值差分特點(diǎn)，對(duì)模型邊界進(jìn)行處理，同時(shí)考慮模型邊界效應(yīng)，對(duì)分析剖面的兩側(cè)進(jìn)行適當(dāng)延伸。結(jié)合所選擇工程地質(zhì)剖面，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理概化出模型，將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2.3 模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬強(qiáng)度折減法計(jì)算得出，排土場(chǎng)在現(xiàn)設(shè)計(jì)的堆存狀態(tài)下，其邊坡穩(wěn)定性系數(shù)在天然(自重)、降雨和地震工況下滿足本工程設(shè)定的天然狀態(tài)安全系數(shù)[Ks]≥1.25以及降雨、地震工況下安全系數(shù)[Ks]≥1.10的要求。不同工況下排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)見表1。圖幅有限，本文僅給出了排土場(chǎng)邊坡東西幫天然工況下安全穩(wěn)定性系數(shù)云圖，如圖2、3所示。

1)排土場(chǎng)邊坡在各工況下均滿足本工程要求的安全標(biāo)準(zhǔn)，安全儲(chǔ)備較大，考慮地震、降雨作用于排土場(chǎng)系統(tǒng)協(xié)同性較差，但仍滿足本工程安全規(guī)范要求的安全系數(shù)，屬于系統(tǒng)協(xié)同量變的范疇，說明該排土場(chǎng)堆排方案具有一定的可行性和合理性。

2)不同工況下排土場(chǎng)邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面(剪切等值線)出現(xiàn)在局部臺(tái)階且發(fā)生在邊坡淺部，易出現(xiàn)表層垮塌及剪切破壞，表現(xiàn)為排土場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定，而非整體協(xié)同穩(wěn)定問題，潛在滑動(dòng)趨勢(shì)表現(xiàn)為內(nèi)部近程，這主要受控于排土場(chǎng)堆棄物料特性；而基底層多以蠕動(dòng)變形為主，排土場(chǎng)整體是穩(wěn)定的。

表1 排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Tab.1 Stability calculation results of dump slope

圖2 天然工況-西幫邊坡剪應(yīng)變率等值線圖(Fs=1.30)Fig.2 Shear strain rate isogram of west slope under natural conditions(Fs=1.30)

圖3 天然工況-東幫邊坡剪應(yīng)變率等值線圖(Fs=1.29)Fig.3 Shear strain rate isogram of east slope under natural conditions(Fs=1.29)

3 三維空間效應(yīng)下邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)證

根據(jù)排土場(chǎng)邊坡平面應(yīng)變穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，考慮排土場(chǎng)邊坡自身特性的復(fù)雜性以及排土場(chǎng)空間效應(yīng)地形底部對(duì)排棄邊坡土石混合體水平應(yīng)力的轉(zhuǎn)移和位移的牽制阻礙影響，為更好地評(píng)價(jià)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定及其潛在滑動(dòng)趨勢(shì)，本文利用FLAC3D并結(jié)合地形的空間效應(yīng)進(jìn)行了三維邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

圖4 排土場(chǎng)邊坡速度發(fā)展矢量圖(Fs=1.34)Fig.4 Speeding vectorgraph of dump slope (Fs=1.34)

通過三維數(shù)值模擬分析，本文從三維整體模型中“抽出”與平面應(yīng)變數(shù)值模擬中同一位置處的切面，由計(jì)算結(jié)果可得出：

1)排土場(chǎng)邊坡不存在整體貫通的趨勢(shì)，只是在排土場(chǎng)的局部臺(tái)階存在潛在的滑動(dòng)趨勢(shì)，且滑動(dòng)勢(shì)能最大位置發(fā)生在坡頂(2 165 m 平臺(tái))，向坡腳滑動(dòng)趨勢(shì)逐漸減弱，東幫速度矢量發(fā)展較西幫的速度矢量略低(圖4)；這一結(jié)果與前述平面二維分析計(jì)算的結(jié)果比較吻合，表觀現(xiàn)象只是排土場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定，而非排土場(chǎng)的整體穩(wěn)定。

圖5 西幫不同位置水平臺(tái)階位移監(jiān)測(cè)圖(放大10倍)Fig.5 West displacement monitor graph of different location level (10x mag)

2)三維強(qiáng)度折減法與二維平面分析結(jié)果基本一致，整體穩(wěn)定性相當(dāng)，排土場(chǎng)地形空間夾持效應(yīng)較弱，這主要是本次研究場(chǎng)址地形介于敞口式和收口式山谷地形間，且更多地表現(xiàn)為敞口式發(fā)散效應(yīng)，因此，地基對(duì)排土體下部的水平力轉(zhuǎn)移有限，進(jìn)而與二維分析的結(jié)果較為接近。

3)從西幫不同標(biāo)高位置處的放大位移監(jiān)測(cè)圖(圖5)(2點(diǎn)-2 075 m 水平、3點(diǎn)-2 105 m 水平、4點(diǎn)-2 135 m 水平、5點(diǎn)-2 165 m 水平)，坡頂(2 165 m)到坡腳(2 075 m)位移逐漸減小，最大值發(fā)生在排土場(chǎng)頂部為 0.40 m，最小值出現(xiàn)在攔渣壩上部坡腳處可忽略不計(jì)。這從側(cè)面進(jìn)一步反映出排土場(chǎng)邊坡不存在排土場(chǎng)內(nèi)部貫通的滑動(dòng)，僅是表現(xiàn)在局部臺(tái)階滑動(dòng)。

4 結(jié) 語

本文采用平面二維強(qiáng)度折減法對(duì)不同工況下露天礦山排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。實(shí)踐證明，設(shè)計(jì)滿足本工程要求的安全標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)處于協(xié)同穩(wěn)定范圍內(nèi)，說明該排土場(chǎng)堆排方案具有一定的可行性和合理性。

充分考慮排土場(chǎng)系統(tǒng)與地基基礎(chǔ)的協(xié)同夾持作用，本文采用三維強(qiáng)度折減法進(jìn)行了排土場(chǎng)整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；分析了系統(tǒng)整體的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律，得出的穩(wěn)定性系數(shù)和潛在滑動(dòng)趨勢(shì)與平面計(jì)算結(jié)果較為一致，說明該排土場(chǎng)所處場(chǎng)地地形空間夾持效應(yīng)不明顯，對(duì)排土場(chǎng)管理和堆排具有一定的指導(dǎo)意義。