降雨入滲條件下大型排土場邊坡穩(wěn)定性分析*

任軍,蔡君,陳良

(涼山礦業(yè)股份有限公司,四川 涼山彝族自治州 615000)

0 引言

露天開采是礦產(chǎn)資源開采的一種主要方法,我國露天開采鐵礦石產(chǎn)量約占鐵礦石總產(chǎn)量的77%,有色金屬占52%左右,化工礦物占70.7%左右,煤礦一直低于4%,而建筑材料近100%。排土場作為露天開采的基本工序之一,是礦山剝離廢石所堆砌的場所,常位于溝谷或山坡。受降雨或地表水的浸潤作用,排土場內(nèi)土巖混合體的抗剪強度降低,易發(fā)生邊坡失穩(wěn)破壞[1-3]。降雨量、降雨時長與降雨強度等對巖土邊坡的穩(wěn)定性有顯著影響[4-5]。

目前,關(guān)于降雨入滲下排土場穩(wěn)定性分析已經(jīng)取得了一系列成果,朱永東等[6]通過室內(nèi)相似材料試驗與數(shù)值模擬方法研究了降雨條件下排土場穩(wěn)定性,揭示了降雨入滲下排土場淺層滑坡的破壞特征。洪振宇等[7-8]采用數(shù)值模擬方法研究了降雨及降雨-地震耦合工況下排土場的滲流特征與安全系數(shù)時變特征,對排土場的穩(wěn)定性進行了評價。曹博等[9]在室內(nèi)三軸蠕變試驗與地表沉降監(jiān)測的基礎(chǔ)上確定了相應(yīng)巖土體蠕變參數(shù),結(jié)合數(shù)值模擬建立了排土場沉降蠕變理論模型。張文飛等[10]基于Biot固結(jié)理論構(gòu)建了和尚橋鐵礦內(nèi)排土場邊坡數(shù)值模型,研究分析了降雨強度及時長對邊坡孔隙水壓力的影響,確定了降雨入滲下滲流規(guī)律及穩(wěn)定特征。田光等[11]分析了排土場地下水壓力分布對邊坡穩(wěn)定性的影響機理,并借助數(shù)值模擬方法研究了不同孔隙水壓力分布下的排土場穩(wěn)定性差異及安全系數(shù)變化規(guī)律。

基于此,本文以某大型排土場為工程背景,通過室內(nèi)滲透試驗與土-巖散體直剪試驗獲取巖土堆積體滲透系數(shù)以及抗剪強度。借助有限元軟件,采用應(yīng)力-滲流-邊坡耦合模擬分析該排土場邊坡在最大降雨量為360 mm/d,降雨時長分別為6 h、12 h、18 h與24 h條件下的滲流場分布規(guī)律及其穩(wěn)定性,研究成果可為類似排土場的邊坡穩(wěn)定性評價提供參考。

1 工程概況與等級劃分

1.1 工程概況

該礦山排土場位于露天采場西南側(cè),目前排土區(qū)域占地面積約為0.81 km2。根據(jù)礦區(qū)資料可知,場區(qū)屬中山構(gòu)造剝蝕地貌,斜坡地形,地勢相對較高,屬干旱-半干旱區(qū),年平均降雨量為1314.4 mm,場區(qū)未見有地表水分布,雨季時可能形成暫時性流水,對場區(qū)有一定影響。降雨強度歷史最大值為12 h降雨量177 mm。區(qū)域目前地形呈斜坡狀,前緣坡腳高程為1340 m,后緣平臺高程約為2070 m,相對高差達730 m。排土場原始地形為斜坡,斜坡下方為沖溝,場地東北高西南低,原始地形坡度為15°～25°。排土場現(xiàn)堆積體四周界線較明顯,平面上呈“扇形”,排土場規(guī)模較大,屬于典型大型邊坡,如圖1所示。

圖1 排土場平面與剖面

1.2 等級劃分

根據(jù)《有色金屬礦山排土場設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50421—2018)第3.3條有以下規(guī)定。

(1) 排土場等級分級應(yīng)根據(jù)單個排土場總?cè)莘e和堆置高度按照表1的規(guī)定劃分為4個等級。

表1 排土場等級分級

(2) 當(dāng)排土場場區(qū)條件有下列情況之一時,排土場的等級應(yīng)提高一級:

a.排土場地基原地面坡度大于24°;

b.排土場基底存在工程地質(zhì)、水文地質(zhì)不良地段。

(3) 剝離物有下列情況之一時,排土場的等級應(yīng)確定為一級:

a.剝離物遇水軟化或剝離物含泥率大,排水不良,穩(wěn)定性較差且具備形成泥石流的條件;

b.剝離物的溶出物具有危險、有害特性。

該排土場設(shè)計庫容約為10 675萬m3,排土場高度為735 m。目前堆置高度約為730 m,整體坡面角最大為27°。因此,確定該排土場等級為一級。

2 散體力學(xué)參數(shù)確定

本次主要開展了土-巖散體室內(nèi)滲透試驗與直剪試驗。土-巖散體滲透系數(shù)由滲透試驗確定,該試驗以達西定律為理論依據(jù),根據(jù)被測土樣的不同,分為常水頭和變水頭試驗,常水頭適用于粗粒土,變水頭適用于細(xì)粒土。該排土場土-巖散體為粗粒土,因此,本次室內(nèi)滲透試驗采用常水頭試驗。

土-巖散體抗剪強度是指土-巖散體抵抗剪切破壞時的能力,是土-巖散體的重要力學(xué)性質(zhì)之一。本次土-巖散體直剪試驗采用ZY50-5型直剪壓縮兩用儀。試驗時通過液壓泵對樣品施加不同的垂直壓力,并保持上剪切盒不動。隨后通過水平加荷支座拖動下剪切盒移動,進而對土-巖散體施加水平荷載,最終求得土-巖散體抗剪強度。

通過滲透試驗與直剪試驗測定,分別獲取了該大型排土場土-巖散體滲透系數(shù)、散體內(nèi)摩擦角以及黏聚力,具體見表2。

表2 土-巖散體力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模型構(gòu)建

3.1 降雨工況

根據(jù)礦區(qū)資料可知,該地區(qū)屬亞熱帶干燥型盆地氣候,具有夏季長、氣溫日變化大、四季分明、氣候溫和、多風(fēng)等特點。年平均氣溫為14.3℃,最高氣溫達35.7℃,最低氣溫為-3.8℃,年平均降雨量為1314.4 mm。雨量多集中在5～10 月,年蒸發(fā)量為1800～2300 mm,降雨強度歷史最大值為12 h降雨量177 mm?；诖?本次降雨工況設(shè)置最大降雨量為360 mm/d,降雨時長分別為6 h、12 h、18 h與24 h。

3.2 模型建立

根據(jù)圖1(b)中的典型剖面構(gòu)建數(shù)值模型,如圖2所示,模型自上至下分別對應(yīng)該排土場剖面的堆積體、強風(fēng)化灰?guī)r以及中等風(fēng)化灰?guī)r。模型共計3506個單元,3796個節(jié)點。

圖2 排土場數(shù)值模型

本次研究中采用固定約束邊界,固定模型左右兩側(cè)、底部x、y方向和z方向,模型上部邊界不固定,作為模型的降雨邊界。

3.3 力學(xué)參數(shù)

該大型排土場的土-巖散體力學(xué)參數(shù)由室內(nèi)試驗及地質(zhì)資料中獲取,見表2。

4 結(jié)果分析

4.1 孔隙水壓力分布

采用應(yīng)力-滲流-邊坡耦合模擬分析可獲得不同降雨時長下排土場邊坡滲流場分布規(guī)律。由于篇幅限制,本文只展示了降雨0、12 h、24 h時段下排土場邊坡孔隙水壓力的分布特征,如圖3 所示。由圖3可知,孔隙水壓力隨邊坡深度呈線性分布。在降雨開始時,邊坡表層土體最先受到影響,土體負(fù)孔隙水壓力隨著降雨時長不斷增大,隨著降雨的繼續(xù)進行,直至24 h時,表層土體的孔隙水壓力由-680 kPa變化至-416 kPa。這是由于雨水不斷滲入土-巖散體孔隙中,改變了散體的孔隙水壓力,進而對排土場邊坡滲流場產(chǎn)生了較為明顯的影響。

圖3 孔隙水壓力分布特征

4.2 地下水位分布

降雨0、12 h、24 h時段下該排土場邊坡地下水位分布特征如圖4所示。由圖4可知,持續(xù)降雨在一定程度上改變了排土場邊坡內(nèi)部滲流場,隨著降雨時長的增加,地下水位有隨之抬升的趨勢,而地下水位的抬升將對排土場邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

圖4 地下水分布特征

4.3 安全系數(shù)變化特征

圖5 為降雨24 h 下的排土場邊坡滑面區(qū)域。由圖5可知,排土場邊坡在降雨入滲影響下,排土場滑面區(qū)域形態(tài)主要為圓弧滑動。除了局部區(qū)域有沿地基軟巖層滑動外,主要沿堆排體和基巖接觸面發(fā)生滑動,其滑動對象為堆積體與強風(fēng)化巖層,尤其以堆積體為主。

圖5 排土場邊坡滑面區(qū)域

采用應(yīng)力-滲流-邊坡耦合模擬分析可計算獲得不同降雨時長下排土場邊坡安全系數(shù),在最大降雨量為360 mm/d,降雨時長分別為6 h、12 h、18 h與24 h條件下,該排土場邊坡安全系數(shù)時程變化如圖6所示。由圖6可知,降雨開始0～12 h內(nèi),安全系數(shù)下降較為明顯,這是由于雨水入滲至表層散體,引起散體抗剪強度降低,并且雨水的入滲使散體含水量增加,加大散體自重,導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低。而后在12～24 h內(nèi),受到表層巖土體入滲速率的限制,滲入巖土體深部的雨水有限,將會繼續(xù)向深部緩慢滲透,因此,安全系數(shù)下降不明顯且已趨于緩和。

圖6 邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線

由前文可知,該排土場等級為一級,《有色金屬礦山排土場設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50421—2018)第7.4條有以下規(guī)定。

(1) 安全穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)排土場等級和計算工況確定。

(2) 自然工況條件下,排土場整體安全穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合表3的規(guī)定。計算安全系數(shù)不應(yīng)小于表3中規(guī)定的數(shù)值。

表3 排土場整體安全性標(biāo)準(zhǔn)

(3) 排土場整體安全穩(wěn)定性應(yīng)校核降雨工況。降雨工況下,排土場整體安全穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)可在表3規(guī)定的基礎(chǔ)上降低0.05,最低安全系數(shù)不得低于1.10。

因此,在降雨入滲下其安全系數(shù)大于1.20時,可認(rèn)為處于穩(wěn)定狀態(tài)。由數(shù)值模擬結(jié)果獲取到的安全系數(shù)變化可知,在最大降雨量為360 mm/d,降雨時長為24 h以下時,該排土場邊坡安全系數(shù)均小于1.20,表明該大型排土場在該降雨工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

(1) 降雨入滲下,土體負(fù)孔隙水壓力隨著降雨時長不斷增大,持續(xù)降雨對排土場邊坡滲流場產(chǎn)生了較為明顯的影響。

(2) 隨著降雨時長的增加,地下水位不斷上升,同時降雨增加了巖土體自重,降低了土-巖散體的抗剪強度,最終導(dǎo)致排土場邊坡穩(wěn)定性降低。

(3) 該排土場屬于一級排土場,在最大降雨量為360 mm/d,降雨時長為24 h以下,該排土場邊坡將處于不穩(wěn)定狀態(tài)。