河南汝阳某露天排土场边坡稳定性分析研究.pdf

2020.27 科学技术创新 河南汝阳某露天排土场边坡稳定性分析研究 赵卓钰孙超伟 （西京学院 陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室， 陕西 西安 710123） 1 工程概况 某钼矿排土场位于有左右两个沟汇集成东沟的大沟内， 属 三面环山， 一面开口的山谷型地貌。场区总体地势东高、 西低， 南北两岸山势较陡，最高点标高为 1040m、最低点标高为 710m， 相对高差约 330m。排土场目前采用高土高排、 低土低排 的汽推式顺向排土的方式从左侧沟向西南排， 从右侧沟向东北 排，两个沟内大部分为矿山剥采废料之类的排土物料。东沟两 侧山体垂高约 300m， 坡度一般约 30， 局部达 40， 该处现状 多被废石掩盖， 已形成段高约 40m、 坡度约 35的人工地貌， 为 了排土场的安全使用， 故采用极限平衡法较为准确地对排土场 边坡稳定性进行分析。露天矿排土场及周边环境如图 1 所示。 图 1 某钼矿排土场及周边环境图 2 计算工况 本钼矿排土场场地条件较为复杂，现状排土场堆置高度约 140.0m， 排土场最终堆置高度 210m， 排土场稳定性计算工况应 根据重力、 降雨及地下水、 地震或爆破震动影响确定为自然工 况、 降雨及地下水工况、 地震或爆破震动工况三种。本研究结合 了河南汝阳露天排土场的实际情况，采用瑞典法、简化 Bishop 法、 Janbu 法和 Morgenstern-Price 法这四种方法对不同剖面在三 种工况下进行边坡稳定性分析。 3 计算模型 根据基本资料， 针对边坡潜在破坏模式， 分别对东沟钼矿排 土场设计典型边坡 C-C＇ 剖面、 D-D＇ 剖面和 E-E＇ 剖面进 行了整体稳定性分析计算。设计典型剖面位置图如图 2 所示、 C-C＇ 剖面概化模型、 D-D＇ 剖面概化模型、 E-E＇ 剖面概化 模型如图 3- 图 5 所示 图 2 设计典型剖面位置图 图 3 C-C＇ 剖面概化模型 图 4 D-D＇ 剖面概化模型 陕西省大学生创新创业训练计划项目 （S201912715004） 。 摘要 露天矿边坡稳定性的研究是一个长期性研究课题， 也是影响露天矿山生产与安全的重大难题。为了研究不同工况下 露天矿排土场边坡的稳定性， 依托河南汝阳某露天排土场， 采用不同的计算方法和现场监测相结合的手段， 对比分析了三个不同 剖面在自然工况下、 降雨及地下水工况下和地震工况下对排土场边坡稳定性的影响。结果表明 在自然工况下， 边坡稳定性都能 达到稳定或者基本稳定； 地震条件下， 排土场的稳定性最低， 易发生滑坡和泥石流现象。在降雨工况下， 排土场边坡的稳定性随渗 透饱和区的扩大， 而安全稳定性降低； 待饱和区的孔隙水压力逐渐消散， 安全稳定性又会提高。 关键词 露天矿； 排土场； 边坡稳定性； 极限平衡法 中图分类号院TD854文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2020冤27-0105-03 105-- 科学技术创新 2020.27 计算剖面 计算方法 稳定性安全系数 C-C＇ 1.592 D-D＇ 1.563 E-E＇ 瑞典条分法 1.615 C-C＇ 1.742 D-D＇ 1.705 E-E＇ Bishop 法 1.822 C-C＇ 1.558 D-D＇ 1.549 E-E＇ Janbu 法 1.631 C-C＇ 1.611 D-D＇ 1.589 E-E＇ Morgenstern- Price法 1.657 计算剖面 计算方法 稳定性安全系数 C-C＇ 1.529 D-D＇ 1.514 E-E＇ 瑞典条分法 1.558 C-C＇ 1.676 D-D＇ 1.629 E-E＇ Bishop 法 1.697 C-C＇ 1.558 D-D＇ 1.523 E-E＇ Janbu 法 1.586 C-C＇ 1.611 D-D＇ 1.567 E-E＇ Morgenstern- Price法 1.624 图 5E-E＇ 剖面概化模型 本钼矿排土场等级为一等， 区域下游有村庄、 居民区和工业 场地， 因此本次选取一等排土场安全标准上限值， 即自然工况 下其排土场安全稳定性标准取 1.30， 降雨工况条件下其排土场 安全稳定性标准为 1.25， 地震工况条件下排土场安全稳定性标 准为 1.20。 3.1 剖面工况一稳定性计算结果与分析，计算结果如表 1 所示 如表 1 所示， 各剖面排土场边坡在工况一 （自然条件） 下各 方法计算的最小安全系数均大于 1.50，都满足规范所要求的 1.30，故各剖面排土场边坡整体稳定性计算结果均满足规范要 求。 对四种计算方法进行比较 Bishop 法测得的安全系数均大于 对应剖面的其他三种方法测得的数据； Janbu 法测得的数据较 对应的其他剖面的数据偏低。对三个剖面进行比较， 四种计算 方法下的 E-E＇ 剖面的稳定性系数均高于对应计算方法下的 其他两个剖面， 但 D-D＇ 剖面的稳定性系数均低于对应计算方 法下 C-C＇ 剖面的稳定性安全系数。 3.2 剖面工况二稳定性计算结果与分析， 计算结果如表 2 所 示 如表 2 所示， 各剖面排土场边坡在工况二 （降雨及地下水条 件） 下各方法计算的最小安全系数均大于 1.50， 都满足规范所 要求的 1.25，故各剖面排土场边坡整体稳定性计算结果均满足 规范要求。对四种计算方法进行比较三个剖面在四种计算方 法下测得的稳定性安全系数的结果所展现的趋势大致相同， 典 条分法与 Janbu 法测得的安全系数相差不大， Bishop 法所测得 的安全系数均大于对应剖面的其他三种方法测得的数据， 瑞典 条分法所测得的安全系数均小于对应剖面的其他三种方法测 得的数据。对三个剖面进行比较， C-C＇ 剖面在各计算方法下 的稳定性安全系数均高于对应计算方法下 D-D＇ 剖面的数值， 且均低于对应计算方法下 E-E＇ 剖面的计算数值。 排土场是人工堆积体， 其中地下水主要来源于大气降雨， 降 雨入渗将改变排土场边坡内地下水渗流场。地下水升高是一个 缓慢过程， 也是饱和 - 非饱和降雨入渗运动过程。本钼矿针对 大气降雨入渗条件下， 对排土场进行了边坡饱和 - 非饱和的时 表 1 工况一条件下各剖面计算结果 表 2 工况二条件下各剖面计算结果 106-- 2020.27 科学技术创新 计算剖面 计算方法 稳定性安全系数 C-C＇ 1.325 D-D＇ 1.315 E-E＇ 瑞典条分法 1.394 C-C＇ 1.471 D-D＇ 1.422 E-E＇ Bishop 法 1.629 C-C＇ 1.318 D-D＇ 1.306 E-E＇ Janbu 法 1.421 C-C＇ 1.357 D-D＇ 1.323 E-E＇ Morgenstern- Price法 1.491 效稳定性分析， 发现在大气降雨入渗后， 大量的降水易形成堆 积体孔隙水及下渗将产生的静水压力和渗透压力， 会增加土体 自重荷载， 使边坡体抗剪强度急剧降低， 滑动面积范围不断扩 大， 排土场边坡的稳定性随渗透饱和区的扩大而降低； 待饱和 区的孔隙水压力逐渐消散， 安全稳定性又会提高。在此期间， 土 体浅层饱和区会向坡体内部扩张， 内部的非饱和区由于降雨入 渗逐渐饱和， 导致土体边角处容易由于长期浸泡产生破坏。降 雨使土体饱和深度不断增加， 坡面容易形成张拉裂缝， 待土体 发生软化后， 坡体向坡角处发生位移， 边坡受到破坏后稳定性 会大大降低。 3.3 剖面工况三稳定性计算结果与分析，计算结果如表 3 所示 如表 3 所示， 各剖面排土场边坡在工况三 （地震条件） 下各 方法计算的最小安全系数均大于 1.30，都满足规范所要求的 1.20，故各剖面排土场边坡整体稳定性计算结果均满足规范要 求。对四种计算方法进行比较 三个剖面在四种计算方法下测 得的稳定性安全系数的结果所展现的趋势大致相同， 瑞典条分 法、 Janbu 法和 Morgenstern-Price 法所计算得到的结果相差不 大， Bishop 法所测得的安全系数均大于对应剖面的其他三种方 法测得的数据。对三个剖面进行比较， C-C＇ 剖面在各计算方 法下的稳定性安全系数均高于对应计算方法下 D-D＇ 剖面的 数值，且均低于对应计算方法下 E-E＇ 剖面的计算数值， 但 C-C＇ 剖面与 D-D＇ 剖面的稳定性安全系相差十分微小。 本场地属于建筑抗震一般地段， 地震基本烈度为Ⅵ度。 Ⅰ区 域场地类别为Ⅱ类， 地震动反应谱特征周期为 0.25s； Ⅱ区、 Ⅲ 区域场地类别为Ⅰ类， 地震动反应谱特征周期为 0.35s。地震对 边坡稳定性， 主要表现为砂土液化的可能性， 以及水平地震加 速度对边坡稳定性的影响， 水平加速度越大， 边坡失稳的概率 就越大。本钼矿不同加速度作用下的响应值不同， 边坡顶部可 能会发生土体松动或形成拉裂缝， 地震作用后易造成土体塑性 变形破坏而引发边坡在累积效应下导致失稳。地震会使土体发 生反复震荡， 边坡处于拉剪状态， 强度会减弱， 而土体在强度较 小的荷载作用下会产生弹性变形， 造成反复出现压实和疏松的 状态， 等孔隙水压力升高， 边坡强度降低， 上层的堆积土很可能 沿着滑动面发生滑动， 稳定性就受到严重影响。 由表 1- 表 3 所示， 三种工况下三个剖面在各个计算方法下 的趋势都大致相同。以 C-C＇ 剖面瑞典法为例， 自然工况下边 坡稳定性安全系数最高， 降雨及地下水工况的安全系数与自然 工况相比， 平均变化幅度约为 4.2， 地震工况下的安全系数与 自然工况下相比， 平均变化幅度高达 17.6， 地震工况下的稳定 性安全系数最低。D-D＇ 剖面的安全系数均低于对应计算方法 的其他剖面， E-E＇ 剖面在任何情况下安全稳定性性最好。 4 结论 4.1 排土场边坡在自然工况下能保持稳定或者基本稳定， 在 降雨工况后力学参数弱化， 稳定性安全系数降低约 4.2， 稳定 性状态下降一个等级； 在地震工况后， 稳定性安全系数下降剧 烈， 变化幅度约 17.6， 稳定性状态较差。 4.2 在排土场稳定性研究方面，针对大气降雨入渗条件下， 进行了排土场边坡饱和 - 非饱和的时效稳定性分析， 得出在大 气降雨入渗后，排土场边坡的稳定性随渗透饱和区的扩大， 而 安全稳定性降低； 待饱和区的孔隙水压力逐渐消散， 安全稳定 性又会提高。 4.3 钼矿排土场场区地震基本烈度为Ⅵ度， 地震强度虽然不 高，但排土场作为松散堆积体在地震作用下极易引发滑坡， 地 震对排土场稳定性影响很大。 4.4 考虑地震影响， 地震来临时， 往往伴随暴雨， 因此， 排土 场在地震作用下可能会发生一定规模的失稳而出现滑坡型泥 石流。为降低泥石流发生的可能，建议按排土优化参数进行堆 排。 参考文献 [1]周爱民.我国有色金属采矿技术现状与展望[J].中国有色金属 学报,1996S21822-1826. [2]王晓峰.降雨入渗对非饱和土半坡稳定性影响的研究[D].西 安西安建筑科技大学,2003. [3]李忠,庄梦蝶,叶洪燕.某大型钼矿采场边坡稳定性分析与评价 [J].矿业工程,2019626-27. [4]曾宪坤,沈楼燕.关于在我国南方多雨地区实施尾矿干堆技术 的探讨[J].中国矿业,2011590-92. [5]赵洪宝,魏子强,罗科,等.降雨工况下露天矿排土场边坡稳定 性与治理措施[J].煤炭科学技术,2019,471067-74. [6]李东,吴俊霖,张默.降雨入渗作用下排土场边坡动态稳定性分 析[J].现代矿业,20197227-230. 表 3 工况三条件下各剖面计算结果 107--