某礦山廢石堆邊坡穩(wěn)定性分析

焦文宇,周國軍,陶雪芬

(1.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012;2.湖南有色錫田礦業(yè)有限公司, 湖南茶陵縣 412400)

某礦山廢石堆邊坡穩(wěn)定性分析

焦文宇1,周國軍2,陶雪芬1

(1.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012;2.湖南有色錫田礦業(yè)有限公司, 湖南茶陵縣 412400)

對某廢石堆場工程地質(zhì)條件進行了勘查,對堆場的巖土物理力學性質(zhì)進行了研究,在此基礎(chǔ)上,利用 Slid邊坡分析軟件,采用極限平衡法中的瑞典條分法、簡化 Bishop法及簡化 Janbu法對其邊坡穩(wěn)定性進行計算并分析,根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的治理措施。

廢石堆;穩(wěn)定性分析;極限平衡法;安全系數(shù)

0 引 言

湖南某銻礦位于東安、新寧 2縣交界山區(qū),廢石堆場區(qū)屬中低山～溝谷地貌類型,山體高厚,廢石堆場平均堆積高度約為 21.50 m,左側(cè)邊坡坡度約40°～45°,右側(cè)邊坡坡度約 35°～40°,屬高陡邊坡 ,廢石堆場碎石結(jié)構(gòu)松散,邊坡自穩(wěn)性能較差,加上場區(qū)相對地勢較高,且前緣無任何支擋結(jié)構(gòu),在特殊動力地質(zhì)作用下,特別是暴雨作用下,可能造成廢石堆場邊坡失穩(wěn),引發(fā)泥石流地質(zhì)災害,進而對其下游工業(yè)場地、居民區(qū)產(chǎn)生巨大威脅。因此,亟需對該礦廢石堆場進行穩(wěn)定性分析和研究,為采取相應(yīng)的治理措施提供參考依據(jù)。

1 廢石堆場現(xiàn)狀

廢石堆場所在礦區(qū)地形屬中～低山區(qū),地形切割劇烈,以構(gòu)造溶蝕地貌為主,切割深度大,多懸崖峭壁,“V”形谷發(fā)育,溝谷內(nèi)有厚薄不等的沖洪積漂(或塊)石、碎石及角礫覆蓋溝底,兩岸斜坡坡度多在 35°～45°。場區(qū)內(nèi)植被發(fā)育,僅局部見有中、強風化基巖裸露。

該廢石堆位于 +310 m中段平窿口前方西溝埡口內(nèi),為單臺階山坡廢石堆場,自然堆積而成,呈扇形展布,坡頂較為平坦,邊坡較陡,平均坡度約 40°。坡頂平均高程為 +305.0 m,坡底平均高程為 +283.4 m,坡頂至坡腳堆積水平距離 20.0～32.2 m,斜坡長度約 38.8 m。廢石堆總長度約 150 m,見圖1。

廢石堆場地基巖層總體為一單斜構(gòu)造,巖層產(chǎn)狀較為穩(wěn)定,基巖主要為黃褐色夾灰黑色的含碳硅質(zhì)板巖,分布于整個工程區(qū),具中～厚層狀結(jié)構(gòu),局部薄～中層狀結(jié)構(gòu),板狀構(gòu)造,巖石風化,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖石結(jié)構(gòu)稍完整～較完整。場區(qū)內(nèi)第四系殘坡積層主要分布于山坡地段,層厚 0.30～0.50 m,第四系沖洪積層 (碎石土)主要分布于廢石堆場前緣及沖溝溝底與兩側(cè)斜坡坡腳處,層厚 3.10～3.40 m,第四系人工素填土層分布于廢石堆場前緣右側(cè),厚度 1.20～1.40 m,廢石堆積層以碎石、角礫為主,局部為塊石,不均勻,透水性強,堆積厚度約5～8 m。場地東部分布有 1條區(qū)域性斷裂 F1斷層(未穿過排土場),場區(qū)內(nèi)無大的斷層和斷裂構(gòu)造,潛在滑坡體為人工堆積物。

圖1 廢石堆平面

礦區(qū)屬亞熱帶季風濕潤氣候區(qū),雨量充沛,廢石堆場區(qū)內(nèi)無常年地表水流,地表水和地下水的排泄條件良好,場區(qū)水文地質(zhì)條件屬簡單類型。

2 基巖及堆積物的物理力學性質(zhì)

本次研究對廢石堆場區(qū)域進行了專門的工程地質(zhì)勘察工作,并分別采集了具有代表性的巖土試樣進行室內(nèi)物理力學試驗,由此,獲取了該區(qū)域的巖土物理力學性質(zhì)資料,在此基礎(chǔ)上,參考臨近地區(qū)工程地質(zhì)資料和類似礦山廢石堆場物料組成及其力學性質(zhì)資料,經(jīng)綜合分析后,給出了各地層物理力學參數(shù) ,見表1。

表1 巖土層物理力學指標

3 邊坡穩(wěn)定性計算分析

3.1 廢石堆邊坡安全系數(shù)選取

根據(jù)工程經(jīng)驗,廢石堆場邊坡破壞模式通常為圓弧形破壞。另依據(jù)相關(guān)規(guī)范,廢石堆邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù) Fs宜取 1.15～1.3,具體值應(yīng)根據(jù)被保護對象的等級而定。通過現(xiàn)場調(diào)查,該廢石堆下游約十幾米處為礦山老尾礦庫,下游約 190 m為村民居住區(qū),廢石堆如失事將對老尾礦庫的排水系統(tǒng)造成損害,進而對其附近居民區(qū)、工業(yè)場地等帶來威脅,因此,該廢石堆的穩(wěn)定性安全系數(shù)取值應(yīng)不小于1.2。

3.2 計算方法

工程實踐表明,極限平衡法計算簡單,且分析邊坡穩(wěn)定性是比較可靠的。其主要思想是將邊坡上的滑體進行條分,根據(jù)極限狀態(tài)下滑體條受力和力矩的平衡來分析邊坡的穩(wěn)定性。極限平衡法的使用有以下 3個基本前提。

(1)滑動面上巖土的抗剪強度 s與作用在滑動面上的垂直應(yīng)力σ應(yīng)有如下關(guān)系:

式中,c,c′分別為滑動面的粘結(jié)力和有效粘結(jié)力;φ,φ′分別為滑動面的內(nèi)摩擦角和有效內(nèi)摩擦角;σ為滑動面的有效應(yīng)力;u為滑動面孔隙水壓。

(2)安全系數(shù) Fs(穩(wěn)定系數(shù))定義為沿最危險破壞面作用的最大抗滑力 (或力矩)與下滑力 (或力矩)的比值,即 Fs=抗滑力 /下滑力。

(3)二維極限分析的基本單元是單位寬度的分塊滑體。

本次計算采用目前在邊坡穩(wěn)定性分析中應(yīng)用較為成熟的 Slid軟件建立力學模型,分別采用瑞典條分法、簡化 Bishop法及簡化 Janbu法對該廢石堆邊坡穩(wěn)定性進行計算,并比較分析。

3.3 幾何模型及力學模型

通過現(xiàn)場調(diào)研,根據(jù)該廢石堆的堆置特點,選定廢石堆坡度較陡的 a-a′線工程地質(zhì)縱斷面作為邊坡穩(wěn)定性分析的典型剖面,如圖2所示。

圖2 廢石堆場 a-a′線工程地質(zhì)剖面

力學模型中材料本構(gòu)關(guān)系采用摩爾 -庫倫模型,模型左側(cè)面限制水平方向運動,底面限制垂直方向運動,上部為自由面,滑弧運動由左至右。

3.4 計算結(jié)果分析

由于廢石堆場邊坡為人工堆積高邊坡,排棄物內(nèi)沒有明顯的破壞面存在,在分析廢石堆的穩(wěn)定性時,需要對多個可能的滑動面進行穩(wěn)定性分析,從中尋找穩(wěn)定系數(shù)最小者,進而確定最危險的滑動面。由于廢石堆場堆料為散體結(jié)構(gòu),最易發(fā)生圓弧型滑坡。對各圓弧型滑動面采用簡化 Bishop法進行搜索,確定其最危險滑動面,計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 a-a’線原始地形邊坡簡化 Bishop法計算結(jié)果

根據(jù)表1所提供的各地層物理力學參數(shù),采用瑞典條分法、簡化 Bishop法和簡化 Janbu法分別進行穩(wěn)定性計算。3種方法計算的安全系數(shù)分別為1.137,1.024和 1.135,廢石堆邊坡在現(xiàn)狀條件下安全系數(shù)均大于 1.0,但小于最小安全系數(shù) 1.2的限值,說明廢石堆邊坡存在不穩(wěn)定因素,存在滑坡的可能性。根據(jù)實際情況,需對該廢石堆邊坡進行及時有效的治理。將邊坡削坡至 30°、33°和 35°,分別建立計算模型,再用上述 3種方法進行計算分析,計算結(jié)果見表2。

表2 廢石堆邊坡削坡后計算結(jié)果

由表2可知,在邊坡削坡至 30°時,3種方法計算得出的最小安全系數(shù)均大于 1.2,可達到礦山排土場的安全要求。

4 結(jié) 語

采用瑞典條分法、簡化 Bishop法和簡化 Janbu法分別對某廢石堆邊坡穩(wěn)定性進行計算分析,3種方法的計算結(jié)果表明,該廢石堆邊坡在現(xiàn)狀條件下未達到礦山排土場的安全要求,需對廢石堆邊坡進行治理。削坡是有效的措施,經(jīng)計算,邊坡坡度降至30°時,廢石堆的穩(wěn)定性可滿足安全的要求。建議礦山在以后的生產(chǎn)中,制定合理的排石順序,經(jīng)常性的進行人工整治坡面,使廢石堆邊坡角不大于 30°,并加強監(jiān)測,確保廢石堆的安全。

[1] 馬慶軍,李志鋒.月明山排土場邊坡穩(wěn)定性研究[J].礦業(yè)工程,2006,4(1).

[2] 蔡美峰.巖石力學與工程[M].北京:科學出版社,2002:379～385.

[3] 黃 敏,李夕兵,付玉華,等.某礦山排土場邊坡穩(wěn)定性分析[J].礦冶工程,2007,27(5).

[4] 張海峰.馬耳嶺Ⅱ號排土場穩(wěn)定性分析[J].本鋼技術(shù),2005,(2).

[5] 徐 燕,佴 磊,丁黃平.南芬鐵礦大東溝排土場穩(wěn)定性分析與治理對策[J].金屬礦山,2007,(4).

[6] GB50421-2007.有色金屬礦山排土場設(shè)計規(guī)范[S].

2010-08-24)

焦文宇 (1981-),男,碩士,主要從事礦山邊坡、巖石力學及地壓控制研究方面的工作,Email:wyjiao1001@163.com。