強(qiáng)降雨工況尾礦庫(kù)堆排壩體穩(wěn)定性分析

于浩澤 高義軍 郭奇峰 劉文勝 潘繼良 張文飛

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;2.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)南山礦業(yè)有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

金屬礦石經(jīng)過破碎、細(xì)化、分選和提取所遺留的廢棄物稱為尾礦,因尾砂粒徑小、強(qiáng)度低及透水性差,易受雨水影響而產(chǎn)生滑坡[1];礦石在開采過程中也會(huì)剝離出大量廢土,這些廢土往往堆積于排土場(chǎng)中形成高勢(shì)能人工松散堆墊[2],同尾礦庫(kù)一樣存在著極高的危險(xiǎn)性。這兩者的管理、監(jiān)測(cè)和維護(hù),每年都會(huì)對(duì)礦山企業(yè)造成很大的經(jīng)濟(jì)壓力。近年來(lái),我國(guó)對(duì)于強(qiáng)降雨及其他極端天氣情況下尾礦庫(kù)穩(wěn)定性要求有了進(jìn)一步提升,如果通過設(shè)計(jì)優(yōu)化采用廢石土堆排尾礦庫(kù)壩體,則能夠在確保尾礦庫(kù)壩體處于極端天氣情況下的安全性和穩(wěn)定性的同時(shí),還能夠?qū)崿F(xiàn)廢石土的排放,為礦山企業(yè)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益。

為滿足礦山安全性和經(jīng)濟(jì)性要求,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)尾礦庫(kù)坡面堆排開展了相關(guān)研究[3-6]:唐飛[7]首次總結(jié)大量工程實(shí)踐所創(chuàng)造的尾礦庫(kù)與廢石土聯(lián)合堆排經(jīng)驗(yàn),并提出尾礦庫(kù)上方建排土場(chǎng)坡面堆排技術(shù);穆貴清等[8]通過模擬實(shí)驗(yàn)的方式發(fā)現(xiàn)坡面堆排工程中底部用以排滲的石塊層效果較差時(shí),會(huì)導(dǎo)致堆排體內(nèi)部含水量增大,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓾?王曉民等[9]分析了不同堆排方式對(duì)壩體的安全穩(wěn)定性的影響,提出了自外向內(nèi)、自下而上包裹式分層堆排的安全施工方案;朱遠(yuǎn)樂等[10]在坡面堆排設(shè)計(jì)中考慮了地震荷載,通過調(diào)整邊坡腳以及設(shè)置工作平面對(duì)方案進(jìn)行了優(yōu)化。

本研究從降雨和堆排對(duì)尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定性的影響出發(fā),在ABAQUS 模擬軟件中對(duì)已有的4種堆排方案進(jìn)行強(qiáng)度折減計(jì)算安全系數(shù),兼顧經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化堆排方案,然后根據(jù)凹山尾礦庫(kù)特定工程背景模擬強(qiáng)降雨條件下凹山尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定性,研究結(jié)果可以為企業(yè)尾礦庫(kù)壩堆排改造與建設(shè)提供合理的參考依據(jù)。

1 尾礦庫(kù)工程概況

凹山尾礦庫(kù)地處安徽馬鞍山市向山鎮(zhèn)西南上南莊村境內(nèi),原始地形位于兩低山丘陵凹地之間,凹山庫(kù)區(qū)內(nèi)最低高程+15.50 m。該庫(kù)采用上游法施工工藝筑壩,設(shè)計(jì)壩高99.5 m(標(biāo)高+115 m),庫(kù)容8 863萬(wàn)m3,尾礦庫(kù)等級(jí)為三等。自尾礦庫(kù)投入運(yùn)營(yíng)以來(lái),存在著不同程度的安全隱患問題,雖然礦山企業(yè)相繼采取工程防范措施,但鑒于尾礦庫(kù)的特殊性,極端自然災(zāi)害導(dǎo)致潰壩時(shí)將對(duì)當(dāng)?shù)鼐用窦暗V山企業(yè)造成重大人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。

庫(kù)區(qū)所在地降雨季節(jié)為5—8月,春末夏初為梅雨期,多陰雨天氣,降雨量約占全年的1/3,年平均降雨量1 100 mm,年內(nèi)日最大降水量為107 mm,4—8月份為防洪季節(jié)。庫(kù)區(qū)周圍沒有大的地表水系,地下水以大氣降水補(bǔ)給為主,因庫(kù)區(qū)地形復(fù)雜不利于地下水集聚,故排滲較好,主要經(jīng)尾礦庫(kù)排到下游溝渠。

尾礦庫(kù)采用上游法筑壩,后期子壩由尾砂堆積而成,子壩外坡比為1 ∶2.5,內(nèi)坡比為1 ∶2.5,外坡總坡比為1 ∶5.0,尾礦庫(kù)原壩體側(cè)視圖見圖1。

圖1 尾礦庫(kù)側(cè)視圖Fig.1 Side view of tailings pond

2 堆排方案優(yōu)選

堆排方案設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮設(shè)計(jì)庫(kù)容和施工難度,并防止尾礦庫(kù)原壩堆排過多發(fā)生整體剪切破壞,設(shè)計(jì)方案安全系數(shù)應(yīng)滿足《GB 50863—2013 尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。凹山尾礦庫(kù)是三等庫(kù),按照《GB 50863—2013 尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.4.1條的要求,堆排后的壩坡在正常工況下壩坡安全系數(shù)應(yīng)該大于或等于1.20。

2.1 堆排穩(wěn)定性評(píng)價(jià)理論

根據(jù)施工工藝及礦區(qū)庫(kù)存要求的不同,目前已有4個(gè)堆排方案,下文中將以強(qiáng)度折減法為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

有限元強(qiáng)度折減法是一種可廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值分析方法,其是在強(qiáng)度折減彈塑性法和彈塑性有限元法的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的。1975年,Zienkiewicz 等在《土工程彈塑性有限元數(shù)值分析》論文中最先提出了強(qiáng)度折減法。強(qiáng)度折減法要求在適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)下按系數(shù)對(duì)抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減,求得在穩(wěn)定性臨界點(diǎn)時(shí)的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)。由此對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析所得到的達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)在傳統(tǒng)意義上即為Bishop 在極限平衡法中給出的邊坡整體穩(wěn)定性安全系數(shù)[11]。強(qiáng)度折減法也可以與滲流—應(yīng)力耦合來(lái)計(jì)算降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù),如蔡亞飛等[12]就在ABAQUS中建立了邊坡的物理模型,并應(yīng)用強(qiáng)度折減法和滲流—應(yīng)力耦合理論,模擬出降雨條件下邊坡的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、滲流場(chǎng)以及安全系數(shù)。

根據(jù)強(qiáng)度折減法理論,土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)可分別表示為

式中,c、φ為土體所能提供的抗剪強(qiáng)度參數(shù);cm、φm為維持平衡所需要的或土體實(shí)際發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度參數(shù);Fs為強(qiáng)度折減系數(shù)。

利用ABAQUS 可獲得折減過程塑性應(yīng)變歷程及范圍,從而從整體上綜合評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性。在ABAQUS 中,可以將材料特定參數(shù)設(shè)置為預(yù)設(shè)場(chǎng)的函數(shù),通過逐步降低預(yù)設(shè)場(chǎng)的值從而使土體逼近穩(wěn)定性臨界點(diǎn),達(dá)到強(qiáng)度折減法求安全系數(shù)的目的。

2.2 堆排方案介紹

尾礦庫(kù)堆排方案設(shè)計(jì)考慮的主要指標(biāo)為安全穩(wěn)定性、庫(kù)區(qū)容量和施工難度,根據(jù)不同側(cè)重點(diǎn)設(shè)計(jì)有4個(gè)方案:基礎(chǔ)全換填、基礎(chǔ)清除局部素填土、基礎(chǔ)局部碎石樁加固、基礎(chǔ)不處理。4個(gè)方案的剖面示意見圖2。

圖2 4個(gè)方案剖面圖Fig.2 4 schemes section diagram

(1)方案1,基礎(chǔ)全換填(表層素填土和粉質(zhì)黏土全部清除)。在此方案中應(yīng)將天然基礎(chǔ)軟土層大部分去除,改用力學(xué)性質(zhì)優(yōu)良的巖石材料換填以作為持力層,可以有效地提高基礎(chǔ)的承載能力并減少基礎(chǔ)的沉降量。

(2)方案2,基礎(chǔ)清除局部素填土?；A(chǔ)表層的素填土與粉質(zhì)黏土一并去除。通過穩(wěn)定計(jì)算分析得出主壩壓坡體第一級(jí)臺(tái)階高度對(duì)于不同基礎(chǔ)處理方案邊坡穩(wěn)定有很大影響,所以本方案考慮在基礎(chǔ)處理前對(duì)主壩壓坡體內(nèi)第一級(jí)臺(tái)階高度進(jìn)行調(diào)整,即把原方案第一級(jí)臺(tái)階標(biāo)高+35 m 調(diào)整到+28 m,其余臺(tái)階高度及臺(tái)階邊坡角均未調(diào)整。

(3)方案3,基礎(chǔ)局部碎石樁加固。為了減小工程量,主壩壓坡體第一級(jí)臺(tái)階調(diào)至+28 m,然后做基礎(chǔ)處理。根據(jù)穩(wěn)定計(jì)算的最危險(xiǎn)滑弧,考慮從滑出面區(qū)域?qū)A(chǔ)進(jìn)行局部碎石樁處理,即僅在鄰近壓坡體坡腳120 m 以內(nèi)采用碎石樁加固,碎石樁處理平面面積約4.8 萬(wàn)m2。根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算,要求壓坡體+28 m標(biāo)高平臺(tái)以下范圍均采用塊石堆體。

(4)方案4,基礎(chǔ)不處理?；A(chǔ)不處理的情況下,對(duì)典型剖面不同的第一臺(tái)階高度分別進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算。

2.3 堆排方案優(yōu)選

經(jīng)強(qiáng)度折減得到的各種方案的危險(xiǎn)塑性斷裂帶(安全系數(shù))見圖3。PEMAG(塑性應(yīng)變)衡量塑性變形程度,當(dāng)期大于0.01 時(shí)可認(rèn)為有較大的永久變形產(chǎn)生,即云圖中灰白色及以上區(qū)域都產(chǎn)生了危險(xiǎn)的塑性變形。根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果,4個(gè)方案安全系數(shù)均高于規(guī)范值,且均具有一定安全裕度。從云圖得到的斷裂帶位置來(lái)看,方案1、方案4為坡頂至第一級(jí)臺(tái)階坡腳處,貫穿了堆排體的每一級(jí)臺(tái)階,滑坡體較大,約210 萬(wàn)m3;方案2與方案3為坡頂至第二級(jí)臺(tái)階坡腳的弧形帶,滑坡體約190 萬(wàn)m3。

圖3 設(shè)計(jì)方案與安全系數(shù)對(duì)比Fig.3 Comparison of design scheme and safety factor

方案1 至方案4 在設(shè)計(jì)庫(kù)容,施工難度和施工周期上各有側(cè)重,對(duì)各種方案優(yōu)缺點(diǎn)的詳細(xì)分析見表1。

表1 方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of the advantages and disadvantages of the schemes

綜合穩(wěn)定性分析與方案投資比較,方案2 在滿足最小安全系數(shù)的前提下,清基工程量最少,施工周期最短,工程投資也相對(duì)較少,且能有效解決原方案廢石土的堆存,于是選擇方案2為基礎(chǔ)進(jìn)行進(jìn)一步的滲流分析。

3 強(qiáng)降雨條件下壩體滲流分析

3.1 降雨入滲理論

根據(jù)非飽和土力學(xué)理論,當(dāng)降雨條件發(fā)生時(shí),邊坡的非飽和入滲場(chǎng)會(huì)發(fā)生如下變化:首先,隨著雨水不斷入滲坡體,邊坡上部的非飽和區(qū)含水量會(huì)不斷增加,基質(zhì)吸力會(huì)不斷降低。其次,基質(zhì)吸力的降低又會(huì)使非飽和土體的黏聚力減小。根據(jù)摩爾—庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則,構(gòu)成邊坡的土體的抗剪強(qiáng)度也會(huì)降低,這會(huì)顯著降低邊坡的穩(wěn)定性[13]。

邊坡降雨入滲問題是一個(gè)非飽和土體滲流問題,在ABAQUS 中滲透系數(shù)由飽和度決定,而飽和度又與基質(zhì)吸力相關(guān),所以對(duì)于任何土壤條件,都存在著一條限制土壤“入滲能力”的臨界曲線。任何時(shí)刻,一旦降雨強(qiáng)度超過了入滲能力臨界曲線,多余的雨水將不再入滲,轉(zhuǎn)而形成地表徑流。

降雨入滲是一個(gè)十分復(fù)雜的過程,Mein 和Larson 首先采用了土壤允許入滲的容量fp、曾采用降雨強(qiáng)度q、土填飽和時(shí)的水力傳導(dǎo)系數(shù)Kws這3個(gè)因子描述土壤降雨入滲全過程中可能出現(xiàn)的不同現(xiàn)象[14]:q＜Kws時(shí),降雨全部入滲,地表不會(huì)產(chǎn)生徑流,入滲率保持不變;fp＞q＞Kws時(shí),降雨全部入滲,地表不會(huì)產(chǎn)生徑流,fp隨著入滲深度的增加而變小,但此時(shí)降雨強(qiáng)度還未達(dá)到土壤允許入滲的容量,此時(shí)坡面為流量邊界;q＞fp時(shí),降雨強(qiáng)度大于土壤的入滲容量,部分降雨并不入滲而形成地表徑流,土體處于飽和狀態(tài)。

以上做法只是對(duì)于入滲邊界條件的一個(gè)抽象描述,在ABAQUS 中可以針對(duì)不同類型的入滲邊界條件做詳細(xì)設(shè)定[15]:

(1)定義與孔壓相關(guān)的孔隙流動(dòng)。在計(jì)算中,孔隙流體流速可以作為孔壓的函數(shù),有以下關(guān)系:

式中,vn為邊界法線方向的流速;ks為滲流系數(shù);uw為邊界上的孔隙水壓力;為參考孔壓。此式可以很好地模擬基質(zhì)吸力的提升所引起的滲流速度降低。

(2)定義自由滲出段邊界。該種邊界只允許孔隙流體流速沿法向向外,即只允許流體輸出不允許輸入,此時(shí)假設(shè)土體表面上的孔壓為正時(shí),孔隙流體流速與孔壓成正比;孔壓為負(fù)時(shí),流速為0。案例模型中,坡角處水平面為此類邊界。

(3)直接定義滲流速度。滲流速度分為表面孔隙滲流速度和集中孔隙滲流速度,將其按載荷看待時(shí),分別對(duì)應(yīng)于面載荷和集中載荷。案例模型為二維,為平面應(yīng)變問題,所以采用定義表面孔隙滲流速度的方案,與降水直接接觸的坡面為此類邊界。

3.2 壩體滲流模擬

降雨入滲會(huì)使尾礦庫(kù)壩體內(nèi)部的含水率上升,而含水率的上升又會(huì)使壩體內(nèi)孔隙水壓力發(fā)生變化。在天然狀態(tài)下,地下水位線(浸潤(rùn)線)分隔開飽和區(qū)與非飽和區(qū),飽和區(qū)中孔隙水壓力為正,非飽和區(qū)中孔隙水壓力為負(fù),負(fù)孔壓越小,其基質(zhì)吸力就越大。降雨入滲的實(shí)質(zhì)即是影響非飽和區(qū)的土體,使其孔隙水壓力趨向于0,在此過程中非飽和區(qū)土體的基質(zhì)吸力逐漸降低,抗剪強(qiáng)度逐步減弱。

考慮到庫(kù)區(qū)地區(qū)歷史最大日降雨量為107 mm,于是本次模擬將110 mm/d 作為強(qiáng)降雨強(qiáng)度,0～72 h降雨過程中原壩體與堆排壩體的孔隙水壓力的分布情況分別見圖4、圖5。

圖4 原壩體不同時(shí)刻孔隙水壓力分布圖Fig.4 Distribution map of pore water pressure of the original dam at different times

圖5 堆排壩體不同時(shí)刻孔隙水壓力分布圖Fig.5 Distribution map of pore water pressure of stack-drainage dam at different times

在初始狀態(tài)下,可以看到2個(gè)壩體包括基質(zhì)吸力在內(nèi)的孔壓仍然呈現(xiàn)線性分布,壩體坡腳處為自由排水面,壩體內(nèi)部地下水位位置符合地質(zhì)勘探結(jié)果,2個(gè)壩體孔壓符合初始條件,原壩體頂部孔壓為-592.51 kPa,堆排壩體頂部為-858.73 kPa。降雨12 h 原壩體與堆排壩體水位線以上大部分區(qū)域孔壓有大幅抬升,說(shuō)明正處于q＜Kws階段,雨水下滲速度較大,但一直到36 h,2個(gè)壩體都處在fp＞q＞Kws階段,造成孔壓分布變化不明顯。到降雨48 h,原壩體率先于堆排壩體到達(dá)q＞fp階段,反映在孔壓分布圖上則是原壩體坡腳處首先出現(xiàn)了正的孔壓力,而堆排壩體的下滲深度要比原壩體大,原因在于原壩體之上的尾砂較細(xì)碎,其透水性要比堆排體中的廢石土差得多。直到72 h 降雨停止2個(gè)壩體的降雨入滲深度都未發(fā)生大的變化,只有正孔壓范圍都從坡腳向坡頂蔓延,原因是坡體下部受降雨入滲和壩體上部水分下滲的雙重影響,使壩體下部總是要比上部更快達(dá)到飽和。最終由于飽和度的提高,孔隙水壓力增大,基質(zhì)吸力逐漸減小,雨水的下滲速度放緩,加之降雨強(qiáng)度逐漸減小,可看到2個(gè)壩體的入滲深度停留在差不多的位置,但原壩體由于更低的滲透性,其表面附近積累了比堆排壩體更大的孔隙水壓力。

總體上看原壩體與堆排壩體在降雨的全過程中雖然有著相似的變化過程,但就某一點(diǎn)在2個(gè)壩體中的表現(xiàn)來(lái)說(shuō)不能一概而論,而這也正是堆排對(duì)尾礦庫(kù)壩體產(chǎn)生影響的關(guān)鍵,特征點(diǎn)的孔隙水壓力變化情況見圖6。

圖6 特征點(diǎn)孔隙水壓力變化圖Fig.6 Variation map of pore water pressure at characteristic points

初始狀態(tài)下坡頂、坡中以及坡腳的孔隙水壓力并不相同,但降雨發(fā)生12 h 后,3 處的孔壓都來(lái)到了-50 kPa 附近。此后坡腳的孔壓平穩(wěn)增長(zhǎng),坡中與坡頂?shù)目讐阂月缘陀谄马數(shù)乃俣仍黾?。在降雨后?坡中的孔壓突然增大到與坡腳齊平,與上述分析中的土體基質(zhì)吸力降低造成雨水下滲不暢在坡中部大量聚集的結(jié)論相吻合。而坡頂由于長(zhǎng)時(shí)間的降雨,吸力降低在60 h 就已不再大幅增長(zhǎng),即q＞fp,后續(xù)的降雨多以地表徑流的形式向壩體下方傳遞。反觀堆排壩體,坡腳位置由于頂部覆土的存在,大大拉長(zhǎng)了其與自由排水面和坡面的距離,受降雨影響小,孔壓主要受地下水位的影響。所以從100 kPa 開始以極小的速率緩慢增加,坡中與坡頂?shù)目讐涸诮涤觊_始12 h 后增大到-100 kPa 后保持平穩(wěn),36～72 h 期間坡頂與坡中孔隙水壓力發(fā)生交叉。分析其原因在于不同深度土體的滲透性不同:36 h 時(shí),坡面首先達(dá)到飽和,相當(dāng)于一個(gè)短暫的不透水層,但坡頂區(qū)域的雨水依然在下滲,這就在坡頂區(qū)域內(nèi)形成了一個(gè)負(fù)壓區(qū),使坡頂孔壓小于坡中,當(dāng)雨水繼續(xù)下滲,不透水層來(lái)到了坡頂,坡中就形成了負(fù)壓區(qū),使得坡頂與坡中孔壓實(shí)現(xiàn)交叉。對(duì)比原壩體與堆排壩體特征點(diǎn)孔壓圖,在堆排的保護(hù)下,特征點(diǎn)孔壓不存在持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì),且孔壓一直保持在0 kPa 以下,說(shuō)明堆排可以很好地遏制孔壓的增長(zhǎng),間接地為壩體提供了安全運(yùn)行所需的抗剪強(qiáng)度。

4 強(qiáng)降雨條件下壩體穩(wěn)定性分析

4.1 位移分析

基于上述的孔隙水壓力的分析,再進(jìn)一步疊加進(jìn)壩體在強(qiáng)降雨工況下位移的發(fā)展情況,來(lái)討論壩體的穩(wěn)定性變化趨勢(shì)。0～72 h 壩體水平位移以及豎直沉降分布如圖7、圖8所示。

圖7 水平位移分布圖Fig.7 Horizontal displacement distribution map

圖8 沉降分布圖Fig.8 Subsidence distribution map

原壩體水平位移主要發(fā)生在沿坡頂?shù)狡履_的弓形區(qū)域,與危險(xiǎn)滑動(dòng)面基本一致,最大水平位移發(fā)生在上部坡面處。堆排壩體水平位移發(fā)生在沿坡頂?shù)降诙?jí)臺(tái)階坡腳的弓形區(qū)域,與其自身的危險(xiǎn)滑動(dòng)面也高度重合,最大水平位移在其第三級(jí)臺(tái)階處,據(jù)此可得出水平位移為壩體滑坡變形的主要形式。壩體最大沉降發(fā)生在頂部,頂部附近有不明顯的對(duì)稱面,之所以如此是因?yàn)榻涤耆霛B后,基質(zhì)吸力降低,孔隙水壓力增加,有效應(yīng)力減小,壩體頂部依據(jù)含水量的差異而不同程度地出現(xiàn)了卸載回彈的現(xiàn)象而后由于容重增加產(chǎn)生了固結(jié);對(duì)于壩體底部,后期降雨入滲緩慢,頂部產(chǎn)生固結(jié)時(shí),底部才剛剛進(jìn)入卸載回彈階段。堆排壩體的最大沉降是發(fā)生在第三級(jí)臺(tái)階處,也就是最大水平位移發(fā)生處,反映了這部分壩體向下、向外位移的趨勢(shì),更加印證了堆排壩體的不穩(wěn)定性。

4.2 穩(wěn)定性分析

使用強(qiáng)度折減法得到0～72 h 壩體安全系數(shù)變化情況如圖9所示。

圖9 安全系數(shù)變化圖Fig.9 Safety factor change chart

降雨36 h 前原壩體安全系數(shù)并無(wú)明顯變化,36 h后突然降低,說(shuō)明此時(shí)危險(xiǎn)滑動(dòng)面因?yàn)橛晁疂B透造成抗剪強(qiáng)度降低,但是48 h 以后表層土體進(jìn)入q＞fp,下滲的雨水變少,地表形成大量徑流,斷裂帶土體也達(dá)到了最佳含水率附近,產(chǎn)生了固結(jié)的效果,安全系數(shù)也得到了回升,60 h 后已經(jīng)入滲的雨水繼續(xù)下滲,土體容重的增大與抗剪強(qiáng)度降低范圍的增大已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了固結(jié)的影響范圍,安全系數(shù)出現(xiàn)了進(jìn)一步的降低。堆排壩體則是從降雨一開始安全系數(shù)即降低,堆排壩體危險(xiǎn)滑動(dòng)面相對(duì)不固定,每級(jí)臺(tái)階都有可能發(fā)生失穩(wěn),在36 h 附近壩體因固結(jié)作用的影響安全系數(shù)降低的趨勢(shì)有所減弱,但總體仍呈一次函數(shù)形式穩(wěn)定降低?？傮w上看,壩體安全系數(shù)在降雨發(fā)生后即穩(wěn)步降低,堆排后安全系數(shù)下降很多,但根據(jù)上述分析可知,危險(xiǎn)滑動(dòng)面僅存在于堆排體內(nèi)部,所以安全系數(shù)的降低并不是由于堆排體把原壩體壓壞導(dǎo)致的,不穩(wěn)定因素全部出現(xiàn)在堆排體內(nèi)部。

5 結(jié) 論

以凹山尾礦庫(kù)為研究對(duì)象,基于現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)得到的數(shù)據(jù),對(duì)已有的4個(gè)坡面堆排方案應(yīng)用強(qiáng)度折減法進(jìn)行了安全穩(wěn)定性模擬,并針對(duì)基礎(chǔ)清除局部素填土方案建立了強(qiáng)降雨工況下的二維滲流模型,對(duì)滲流場(chǎng)和穩(wěn)定性變化特征進(jìn)行了分析。

(1)基于已有的基礎(chǔ)全換填、基礎(chǔ)清除局部素填土、基礎(chǔ)局部碎石樁加固以及基礎(chǔ)不處理4種堆排方案建立了二維數(shù)值模型,運(yùn)用強(qiáng)度折減法對(duì)各方案的安全穩(wěn)定性以及施工難度、經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示4個(gè)方案均滿足最小安全系數(shù)要求,因方案2 具有施工難度低、庫(kù)容大的優(yōu)勢(shì),最終選擇了方案2 基礎(chǔ)清除局部素填土為最優(yōu)堆排方案。

(2)基于飽和—非飽和滲流理論及降雨入滲理論分析發(fā)現(xiàn)降雨入滲對(duì)堆排壩體坡頂、坡中及坡腳的影響不同。因?yàn)榻涤耆霛B速率與基質(zhì)吸力有關(guān),導(dǎo)致了不同深度土體的滲流速度有差異,進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了負(fù)壓層的存在,并且因?yàn)樨?fù)壓層,孔壓不再隨深度成線性變化,降雨約60 h 后,坡頂與坡中對(duì)于降雨敏感程度將迎來(lái)變化,而坡腳處對(duì)于降雨的敏感程度一直較低,壩體堆排之后更是幾乎不變。

(3)堆排對(duì)原壩體的孔壓起到了保護(hù)作用,但安全系數(shù)卻在堆排后大幅降低,說(shuō)明堆排將塑性不穩(wěn)定滑動(dòng)面轉(zhuǎn)移至堆排體內(nèi)部。堆排后壩體安全系數(shù)在降雨發(fā)生后呈現(xiàn)穩(wěn)定下降的形式,這是由降雨入滲基質(zhì)吸力降低導(dǎo)致的抗剪強(qiáng)度降低以及土體到達(dá)最佳含水率而發(fā)生固結(jié)導(dǎo)致的抗剪強(qiáng)度提升兩方面因素引起。