超高排土場(chǎng)的本體穩(wěn)定性敏感分析

王 濤 賈洪彪* 李 超

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

超高排土場(chǎng)的本體穩(wěn)定性敏感分析

王 濤 賈洪彪* 李 超

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

結(jié)合跑馬嶺排土場(chǎng)的工程地質(zhì)條件，建立了該排土場(chǎng)的三維整體模型，采用正交設(shè)計(jì)和方差分析研究了影響超高排土場(chǎng)本體失穩(wěn)的各因素敏感性，得出的結(jié)論對(duì)排土場(chǎng)的建設(shè)具有很強(qiáng)的實(shí)踐意義。

超高排土場(chǎng)，穩(wěn)定性，本體滑坡，影響因素

目前，我國(guó)現(xiàn)有各類大型排土場(chǎng)幾萬(wàn)座，露天礦排土場(chǎng)用地約占礦山總用地的30%～50%[1]，其常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題是滑坡和泥石流。由于露天排土場(chǎng)堆積量是礦山追求的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)之一，同時(shí)隨著排土場(chǎng)堆積量的增加，滑坡和泥石流的威脅隨之增大，因此排土場(chǎng)安全與經(jīng)濟(jì)之間存在矛盾。

許多學(xué)者參照土質(zhì)邊坡或者土石壩，利用不同研究方法，對(duì)地域性排土場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究[2-7]。目前，關(guān)于排土場(chǎng)邊坡的敏感性分析較少，尤其是對(duì)于超高排土場(chǎng)的邊坡研究較少。

1 跑馬嶺排土場(chǎng)整體分析

1.1 工程地質(zhì)條件及現(xiàn)狀

跑馬嶺排土場(chǎng)是某鐵礦一大型排土場(chǎng)，從地形條件上分析比較適宜做排土場(chǎng)。從環(huán)境影響而言，下游有村莊和工廠，并有公路通過(guò)。該排土場(chǎng)典型剖面如圖1所示。該排土場(chǎng)的安全使用對(duì)整個(gè)礦區(qū)至為關(guān)鍵。

在對(duì)排土場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地勘察時(shí)發(fā)現(xiàn)，在坡頂位置已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)條大小、長(zhǎng)短不一的裂縫，坡面也有明顯的鼓出。初步分析這些裂縫的產(chǎn)生是由于廢渣堆排后，固結(jié)過(guò)程中不均勻沉降產(chǎn)生的，雖然裂縫發(fā)育相對(duì)較新，但是受到暴雨或者其他外力作用時(shí)，極有可能出現(xiàn)本體失穩(wěn)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)分析得排土場(chǎng)各地層的強(qiáng)度參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 排土場(chǎng)各層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 模擬分析

首先建立跑馬嶺排土場(chǎng)的地質(zhì)模擬模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)工程地質(zhì)條件，輸入地質(zhì)參數(shù)及邊界條件等。模擬天然工況下其狀態(tài)，并采用強(qiáng)度折減法，得到其整體穩(wěn)定系數(shù)為1.54。從模擬結(jié)果可以看出，排土場(chǎng)的自堆排至穩(wěn)定階段，其最大位移出現(xiàn)在排土場(chǎng)坡頂處，下沉量自坡頂至坡腳逐漸減?。慌磐翀?chǎng)散體內(nèi)三軸方向的應(yīng)力值都隨深度增大，破壞區(qū)范圍很小，說(shuō)明排土場(chǎng)在天然狀態(tài)下整體是穩(wěn)定的。

排土場(chǎng)邊坡的淺層穩(wěn)定性相對(duì)較差，易于出現(xiàn)開(kāi)裂破壞以及剪切破壞，甚至于滑坡。而沿排土場(chǎng)與基底接觸面以及基底內(nèi)部位移較小，多以蠕變變形為主，也就是說(shuō)排土場(chǎng)整體是相對(duì)穩(wěn)定的。

2 影響排土場(chǎng)本體穩(wěn)定性因素分析

通過(guò)前期對(duì)該排土場(chǎng)整體穩(wěn)定性的分析以及評(píng)價(jià)得出：該排土場(chǎng)出現(xiàn)沿面滑坡或基礎(chǔ)滑坡的可能性較??；有可能出現(xiàn)本體滑坡。因此，分析影響排土場(chǎng)本體滑坡因素的敏感性。

2.1 影響因素敏感性試驗(yàn)設(shè)計(jì)及模擬

在不影響計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，為了計(jì)算上的簡(jiǎn)便將排土場(chǎng)的邊坡進(jìn)行簡(jiǎn)化，選取排土場(chǎng)前緣范圍區(qū)域，建立簡(jiǎn)化三維模型，見(jiàn)圖2。

其次，根據(jù)前期的研究以及跑馬嶺排土場(chǎng)的工程地質(zhì)條件，在綜合分析后得出影響其本體滑坡的因素：散體的力學(xué)性質(zhì)、邊坡角、顆粒分級(jí)程度以及邊坡高度。依據(jù)該排土場(chǎng)試驗(yàn)和研究的成果，同時(shí)結(jié)合工程地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)類比綜合以及參照文獻(xiàn)，對(duì)該排土場(chǎng)進(jìn)行分層設(shè)置物理力學(xué)參數(shù)，使其符合實(shí)際情況，進(jìn)而體現(xiàn)排土場(chǎng)的顆粒分級(jí)情況，參數(shù)詳細(xì)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 排土場(chǎng)組合土體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)影響該排土場(chǎng)本體滑坡的主要因素，本文選取散體的力學(xué)性質(zhì)、土層水平劃分(代表顆粒分級(jí)程度)、坡角和坡高四種因素進(jìn)行敏感性分析，試驗(yàn)指標(biāo)為穩(wěn)定性系數(shù)Fos。各因素取值范圍按一般工程經(jīng)驗(yàn)和前期試驗(yàn)分析結(jié)果確定，并將其量化為4個(gè)水平，見(jiàn)表3。

表3 因素水平表

選取正交表時(shí)，不考慮這4種因素間的交互作用，且預(yù)留空列作為誤差列，即設(shè)計(jì)5因素4水平試驗(yàn)，選取L16(45)正交表。根據(jù)正交表設(shè)計(jì)方案以及前期對(duì)排土場(chǎng)本體滑坡研究，利用有限元強(qiáng)度折減法求得最危險(xiǎn)滑面及相應(yīng)的安全系數(shù)Fos，設(shè)計(jì)方案及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及計(jì)算結(jié)果

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

首先從計(jì)算過(guò)程及結(jié)果來(lái)看，排土場(chǎng)邊坡發(fā)生破壞的地方主要是排土場(chǎng)本體，這與本試驗(yàn)初始設(shè)定的條件一致，說(shuō)明本試驗(yàn)設(shè)計(jì)符合實(shí)際。

如表4所示，對(duì)正交試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。設(shè)定不考慮各因素間的相互影響作用，則正交表L16(45)各列的自由度均為3，空列為誤差列，自由度亦為3。根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出各列偏差平方和、自由度、方差及F值。在正交試驗(yàn)中進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)之前，先把各因素及交互作用的方差(MS因)與誤差項(xiàng)方差(MSe)進(jìn)行比較，當(dāng)MS因≤2MSe時(shí)，將此因素的平方和歸入誤差平方和，其自由度歸入誤差項(xiàng)自由度，使誤差項(xiàng)自由度增大，提高了F檢驗(yàn)靈敏度。根據(jù)此原則，判斷因素B的偏差平方和較小，并入誤差的偏差平方和及自由度，并認(rèn)為土層分層因素對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性無(wú)顯著影響。

查F分布表可得知:F1-0.1(3,6)=3.29；F1-0.05(3,6)=4.76；

F1-0.01(3,6)=9.78。根據(jù)已經(jīng)給出的顯著性水平分級(jí)方法，將4種因素對(duì)本體滑坡影響的顯著性水平進(jìn)行分級(jí)，方差分析結(jié)果詳見(jiàn)表5。

表5 方差分析結(jié)果

由方差分析結(jié)果可以得出結(jié)論：

通過(guò)方差分析結(jié)果表5中各因素平均偏差平方和的大小順序，可以看出4種因素的敏感性由大到小依次為坡角、散體的力學(xué)性質(zhì)、坡高、土層分布的劃分。我們可以看出，排土場(chǎng)散體的力學(xué)性質(zhì)、坡角及坡高在排土場(chǎng)本體穩(wěn)定性中的重要位置，尤其是坡角對(duì)邊坡自身穩(wěn)定性起著決定性的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

本文建立跑馬嶺排土場(chǎng)整體的三維模型，分析了排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性，并分析了影響超高排土場(chǎng)本體滑坡的各因素敏感性。通過(guò)分析結(jié)果得出：1)該排土場(chǎng)在自然工況下整體穩(wěn)定性良好，局部可能會(huì)出現(xiàn)小滑坡。即該排土場(chǎng)出現(xiàn)沿面滑坡或基礎(chǔ)滑坡的可能性較小，可能會(huì)存在本體滑坡。2)散體的力學(xué)性質(zhì)、坡角對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性影響特別顯著，坡高對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性影響顯著，而散體土層分布的劃分范圍對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性基本無(wú)影響。對(duì)于復(fù)雜超高排土場(chǎng)，細(xì)致分析排土場(chǎng)內(nèi)部應(yīng)力分布、變形破壞的特征，更好評(píng)價(jià)排土場(chǎng)穩(wěn)定性，找到影響山區(qū)排土場(chǎng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素及其次要因素，并對(duì)指導(dǎo)排土場(chǎng)的建設(shè)具有很強(qiáng)的實(shí)踐意義。

[1] 孫世國(guó)，楊 宏，冉啟發(fā)，等.典型排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性控制技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2011.

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Sensitive analysis of factors affecting super-high waste dump stability of itself

Wang Tao Jia Hongbiao* Li Chao

(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074，China)

Combining the engineering geological condition of Paomaling waste dump, established the 3D mode of the whole dump, the effects on the sensitivity of the unstable super-high waste dump itself is studied by using the orthogonal design and variance analysis, the conclusion had strong practical significance for the construction of dump.

super-high waste dump， stability， body landslide， influencing factors

2015-01-08

王 濤(1989- )，男，在讀碩士； 李 超(1990- )，男，在讀碩士

賈洪彪(1969- )，男，教授

1009-6825(2015)08-0075-02

P642.2

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