某鐵礦排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性綜合分析

楊再華 蔡關(guān)飛

（鹽源縣金鐵礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司）

礦山開采過程中采礦廢棄物集中堆放的場(chǎng)所被稱為排土場(chǎng)，為了節(jié)約用地，礦山排土場(chǎng)多分布于溝谷或山坡，在外界因素?cái)_動(dòng)下，這類地形極易發(fā)生地質(zhì)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害［1］。因此，礦山排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析及治理一直是采礦工程界、巖石力學(xué)界與工程地質(zhì)界共同關(guān)注的重要課題之一。保瑞等［2］通過RMR巖體質(zhì)量分級(jí)及力學(xué)參數(shù)確定、極限平衡法，系統(tǒng)地分析了采場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定性。熊健等［3］利用ZSOIL有限元軟件對(duì)某高填土邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性數(shù)值模擬計(jì)算，分析影響該場(chǎng)區(qū)邊坡穩(wěn)定性的主要因素。趙亮［4］采用Phase二維有限元模擬軟件開展了邊坡穩(wěn)定性分析。席偉等［5］基于3DMine軟件建立邊坡地質(zhì)模型，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行極限平衡分析。趙幫躍等［6］通過有限元軟件ABAQUS分別對(duì)基于收斂性判據(jù)、突變性判據(jù)、塑性區(qū)貫通判據(jù)3種判斷依據(jù)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性。本文采用現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查、數(shù)值模擬和穩(wěn)定性計(jì)算的綜合分析方法，從定性和定量的角度綜合立體地評(píng)價(jià)某鐵礦排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性。

1 工程背景

某鐵礦海拔高程2 250～2 940 m，相對(duì)高差200～450 m，屬深切割的中山區(qū)。梁谷相間，峰巒疊嶂，山梁多為南北向，溝谷多呈V字型，岸坡一般為30°～45°，個(gè)別段有直立陡崖，多裸露基巖。溝谷縱坡為8%～15%，谷底寬一般為8～15m，靠近區(qū)域最寬可達(dá)30 m左右。排土場(chǎng)地形標(biāo)高+2 513～+2 585 m，高差72 m，其中最高堆積標(biāo)高為+2 585.0 m，排土段高24 m，平臺(tái)寬20 m，外坡比1∶1.75，預(yù)留平臺(tái)的標(biāo)高分別為2 537.0，2 561.0，2 585.0m。排土場(chǎng)最終堆置高度72 m，總?cè)萘?00萬m3，排土場(chǎng)等級(jí)為三級(jí)，設(shè)計(jì)排土場(chǎng)防洪設(shè)施為100 a一遇。攔渣壩壩體凈高20 m，壩頂寬3.2 m，上游壩坡比1∶0.1，下游壩坡比1∶0.7。壩體基礎(chǔ)需置于基巖，壩基澆注300 mm厚C15混凝土墊層，以增強(qiáng)攔渣壩整體的抗震性能。

2 邊坡巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析

2.1 調(diào)查方法

坡體結(jié)構(gòu)特征對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性、失穩(wěn)破壞模式判斷和進(jìn)一步的分析研究方法選擇有決定性的影響。因此，本研究將通過現(xiàn)場(chǎng)踏勘，細(xì)致分析巖體結(jié)構(gòu)特征，對(duì)邊坡的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和破壞模式做出定性判斷。

根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016—2014）的相關(guān)要求，對(duì)于巖體中的非連續(xù)面，應(yīng)通過詳細(xì)測(cè)線的測(cè)量來獲取。選取擾動(dòng)較小的巖壁作為巖體結(jié)構(gòu)面的主要調(diào)查和研究對(duì)象。

為了能夠較為詳細(xì)地調(diào)查清楚巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況，采用半跡長(zhǎng)測(cè)線法［7］進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)面的測(cè)繪工作。根據(jù)前期采場(chǎng)邊坡工程地質(zhì)勘察情況與現(xiàn)場(chǎng)情況確定巖層露頭面的選取，盡量將測(cè)線布置在巖層露頭面較長(zhǎng)、較新鮮、擾動(dòng)較小、方便量測(cè)的位置。節(jié)理是發(fā)育普遍而且分布廣泛的小型構(gòu)造，無必要對(duì)分布區(qū)內(nèi)的每一個(gè)節(jié)理都進(jìn)行觀察研究，只需選定一些合適的地點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。一般不要求均勻布點(diǎn)，而是根據(jù)工作精度與地質(zhì)情況和節(jié)理發(fā)育情況布點(diǎn)，做到疏密適度。結(jié)合目前排土場(chǎng)情況，調(diào)查點(diǎn)選取如圖1所示。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查

現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查的重點(diǎn)是巖體結(jié)構(gòu)面，就其成因而言，既包含原生結(jié)構(gòu)面，如層面，又包含構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，如夾層、節(jié)理裂隙等次生結(jié)構(gòu)面，除此之外還存在大量的表生結(jié)構(gòu)面，如卸荷裂隙和風(fēng)化裂隙等淺表生結(jié)構(gòu)面。據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50287—2016）附錄E規(guī)定，結(jié)構(gòu)面級(jí)別按破碎帶寬度、延伸長(zhǎng)度可劃分為5個(gè)級(jí)別，見表1。

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本次勘察發(fā)現(xiàn)排土場(chǎng)范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬簡(jiǎn)單類型。區(qū)域內(nèi)未見Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面。Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)生是由于開挖和爆破等作用的影響，邊坡發(fā)育次級(jí)節(jié)理，在邊坡內(nèi)部也發(fā)育延伸較長(zhǎng)的由構(gòu)造作用引起的原生節(jié)理，具體細(xì)節(jié)描述如表2所示。

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通過在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)排土場(chǎng)邊坡結(jié)構(gòu)面的調(diào)查，了解邊坡巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況，然后再從結(jié)構(gòu)面的組數(shù)、間距、延伸、粗糙度、含水情況、物質(zhì)填充等方面出發(fā)，詳細(xì)分析巖體結(jié)構(gòu)面的幾何特征。鐵礦巖體層狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)出，破壞模式主要受層面控制，若邊坡出現(xiàn)臨空面，可能會(huì)沿層面順層滑移，選取揭露情況好的層面詳細(xì)描述特征。其余測(cè)線處結(jié)構(gòu)面呈閉合—微張，填充情況較少，露頭結(jié)構(gòu)面延伸較淺，結(jié)構(gòu)面的結(jié)合情況較好，綜合結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度、黏聚力和內(nèi)摩擦角3個(gè)因素，定性初步判斷邊坡巖體結(jié)構(gòu)面為硬性結(jié)構(gòu)面。

3 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

3.1 Slide數(shù)值模擬

3.1.1 基本原理

邊坡穩(wěn)定性計(jì)算軟件Slide是計(jì)算土、石質(zhì)二維邊坡穩(wěn)定的程序，可對(duì)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)圓弧與非圓弧的潛在破壞滑動(dòng)面進(jìn)行分析［8］。通過Slide軟件，利用非圓弧破裂面搜索算法對(duì)可能最危險(xiǎn)破裂面進(jìn)行搜索，然后采用M-P法［9］對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算，在此基礎(chǔ)上分析邊坡安全性。M-P極限平衡分析法是一種分析巖土條之間的相互作用力，與其他極限平衡方法相比更接近于實(shí)際情況。通過假定邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，再使用迭代法求得相應(yīng)剖面的穩(wěn)定性系數(shù)。

3.1.2 工況荷載參數(shù)取值

根據(jù)該鐵礦山所取試樣力學(xué)參數(shù)測(cè)試所得，在飽和狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度為59.89 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度為13.45 MPa，彈性模量為14.625 GPa，自然密度為1.980 g/cm3，飽和密度為2.178g/cm3，干密度為1.782 g/cm3，飽和吸水率為11.18%。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010），該區(qū)域地震加速度的峰值為0.20g，區(qū)域穩(wěn)定性較好。模擬暴雨條件下的工況條件時(shí)，采用巖石在暴雨極端狀態(tài)下的力學(xué)性能，即飽和強(qiáng)度作為計(jì)算依據(jù)。

根據(jù)《非煤露天礦工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016—2014），不同荷載組合下邊坡的安全系數(shù)取值范圍如表3所示，對(duì)于臺(tái)階邊坡和臨時(shí)工作幫，允許有一定程度破壞，設(shè)計(jì)安全系數(shù)可適當(dāng)降低，本礦山邊坡整體安全等級(jí)為Ⅱ級(jí)。本研究采用邊坡最低允許安全穩(wěn)定性系數(shù)作為邊坡安全系數(shù)，在自重+暴雨、自重+暴雨+地震工況下分別取值1.15和1.10。

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3.1.3 數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)該排土場(chǎng)現(xiàn)狀地形平面圖，并結(jié)合無人機(jī)拍攝的現(xiàn)狀照片，選取A—A"剖面參與建模計(jì)算，采用有限差分法建立網(wǎng)格模型，用四邊形模式劃分網(wǎng)格，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響小或沒影響的區(qū)域采用較大的單元，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大的區(qū)域采用更加細(xì)致單元?jiǎng)澐?，提高?jì)算精度。采用M-P極限平衡法對(duì)2種工況下邊坡A—A"剖面的力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖2、圖3。

從圖2可以看出，在自重＋暴雨工況下A—A"剖面的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.478，大于邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)，邊坡發(fā)生整體滑移破壞的可能性較小。

從圖3可以看出，在自重＋暴雨＋地震工況下A—A"剖面的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.447，滿足邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)要求，但是常年的暴雨、爆破、地震等外部作用會(huì)逐漸降低邊坡的穩(wěn)定性，加劇邊坡失穩(wěn)發(fā)生的概率，尤其要注意暴雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

3.2 FLAC3D數(shù)值模擬

3.2.1 基本原理

使用FLAC3D對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，采用強(qiáng)度折減法［10］。強(qiáng)度折減法原理是通過減小在理想彈塑性本構(gòu)模型中的剖面巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)，通過不斷地折減計(jì)算得到不同的c、φ值，一直折減到巖土體出現(xiàn)破壞，此時(shí)所得到的折減系數(shù)即為剖面穩(wěn)定性系數(shù)。強(qiáng)度指標(biāo)按照式（1）和式（2）進(jìn)行折減。

式中，c、φ分別為剖面巖土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角；c f、φf分別為折減計(jì)算后剖面巖土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角；F s為折減系數(shù)，采用穩(wěn)定性系數(shù)和全單元的計(jì)算不收斂作為邊坡穩(wěn)定性的判據(jù)。

3.2.2 數(shù)值模擬分析

為了從多角度對(duì)比邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在Slide模擬的基礎(chǔ)上，采用FLAC3D有限元數(shù)值模擬方法對(duì)A—A"剖面在2種工況下進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析，所采用力學(xué)參數(shù)與Slide數(shù)值模擬一致。首先在CAD中建立模型，然后導(dǎo)入Ansys，劃分網(wǎng)格，最后再導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算前對(duì)不同區(qū)域巖性進(jìn)行分組，賦予不同巖石力學(xué)參數(shù)。計(jì)算結(jié)束后，提取邊坡安全系數(shù)和邊坡滑動(dòng)面云圖進(jìn)行穩(wěn)定性分析。A—A"剖面模型在FLAC3D中共劃分了15 095個(gè)單元體和5 270個(gè)節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)入模型后，采用彈性準(zhǔn)則進(jìn)行自重平衡計(jì)算，邊坡穩(wěn)定性分析采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則，利用軟件內(nèi)置的強(qiáng)度折減法計(jì)算得出安全系數(shù)。A—A"剖面數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見圖4、圖5。

從圖4和圖5可以看出，2種工況條件下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.76和1.27，均大于邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)，邊坡穩(wěn)定性較好，基本上不會(huì)發(fā)生邊坡滑坡等事故。數(shù)值模擬顯示，地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響作用非常明顯，排土場(chǎng)在后續(xù)作業(yè)過程中要注意地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。通過對(duì)排土場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定性分析，得出A—A"剖面在自重+暴雨和自重+暴雨+地震2種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)均大于Ⅱ級(jí)邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)，且有較大富余，可見該排土場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是局部坡面在開采過程中可能受暴雨和地震綜合影響而產(chǎn)生局部垮塌，因此，在后續(xù)作業(yè)過程中要加強(qiáng)對(duì)各坡面的監(jiān)測(cè)，如發(fā)現(xiàn)異常情況（如巖體變形量突增等），及時(shí)處理。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合前期地質(zhì)勘查資料與本次邊坡現(xiàn)場(chǎng)勘察分析，排土場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡巖體為層狀構(gòu)造，范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，未見斷裂和褶皺構(gòu)造，結(jié)構(gòu)面的結(jié)合情況較好，邊坡巖體結(jié)構(gòu)面為硬性結(jié)構(gòu)面。結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析得出邊坡較穩(wěn)定。

（2）采用極限平衡法對(duì)排土場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得出排土場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡剖面在自重＋暴雨工況和自重+暴雨+地震工況下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.478、1.447，均大于對(duì)應(yīng)工況下邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)，邊坡呈穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）采用強(qiáng)度折減法對(duì)排土場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得出排土場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡剖面在自重＋暴雨工況和自重+暴雨+地震工況下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.76和1.27，均大于對(duì)應(yīng)工況下邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)，邊坡呈穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）受巖體結(jié)構(gòu)和外部影響因素的作用，排土場(chǎng)邊坡可能會(huì)因地震或強(qiáng)降雨造成局部小范圍崩塌、落石災(zāi)害，考慮到該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)劇烈、地震活動(dòng)頻繁，因此，需要特別予以注意。

（5）采用工程地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、Slide數(shù)值模擬以及FLAC3D數(shù)值模擬3種方法，綜合分析得出某鐵礦排土場(chǎng)為穩(wěn)定狀態(tài)。由于受巖體展露情況與工程環(huán)境條件的影響，調(diào)查分析范圍有限，未能完全調(diào)查和研究該排土場(chǎng)的工程地質(zhì)情況。因此，在工程建設(shè)階段，隨著排土臺(tái)階增高，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件，及時(shí)采取措施，應(yīng)對(duì)不良地質(zhì)現(xiàn)象。