排土場滑坡體力學參數的反演分析

文/朱家春 朱孔凡

一、概述

一些露天礦排土場由于周圍環境條件的限制或其他原因，將礦山的剝離物堆排在古滑體上，由于古滑體基底強度低、軟土層厚度大、承載能力低，由此造成了排土場邊坡劇烈變形，產生此類問題的主要原因有：基底軟而排土場堆排高度大；夏季雨量大，浸潤軟化作用致使排土場產生劇烈變形；匯水區面積大但相應的防護措施不足。

以某煤礦排土場為例，就排土場劇烈滑移變形后如何確定力學參數及沿哪一層軟弱面破壞問題進行分析，以便為工程治理設計提供數據。

二、排土場變形與基底工程地質概況

1.排土場滑動變形特點

某礦山排土場位于紅河地區，于2004年開始發現排土場邊坡有變形現象，至2006年4月在排土場及其下部山坡體地面上發現多處地裂縫，當地居民的住房出現開裂；排土場下方有兩條長裂縫。西端地裂縫基本貫通，可見總長420m，裂縫寬度1.5～2m，裂縫中的土體下沉40～50cm，形成凹槽溝狀。另一條裂長150m，裂縫寬度30～50cm，土體向前滑移距離達1m。后來經過地表位移監測，其滑動變形之大已嚴重影響到礦山安全生產和周邊環境的安全。

2.基底表層工程地質特性

排土場表層基底第四系由殘坡積、滑坡堆積組成。殘坡積層沿勘查區地勢較低的地帶均有分布，主要有含碎石的亞砂土或亞粘土、部分地帶為塊石土組成，厚度一般2～5m，局部達7～8m，多被改造為耕地。滑坡堆積層分布在滑坡區，主要有碎石土，塊石土，含碎石塊石的亞粘土亞砂土組成，厚度32.8～39.3m。

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三、厚軟基底排土場破壞模式與力學參數反演確定

1.厚軟基底排土場滑移機制的模擬分析

應用數值分析方法來分析在軟巖基底上堆排剝離物誘發的應力應變演變規律，以便為掌握堆排過程中巖體應力狀態提供依據。根據原設計堆排剖面設計模擬模型，數值模擬的結果。可以看出在排土場基底軟弱層形成應力集中，且表現得非常顯著。該軟弱層在雨季受到雨水的浸潤作用有可能是最危險的滑面，從而對潛在滑坡構成嚴重的威脅。因此在排土高度控制或增強其強度方面應采取必要的安全加固措施，以防形成軟弱夾層，從而提高排土場基底的整體穩定性。

2.厚軟基底排土場滑面確定與力學參數反演分析

（1）滑面力學參數反演分析與計算

根據工程勘察堆排結果和滑移場確定的滑面，排土場與基底滑坡為一巖質古滑坡，由于排土場之前沒有發生明顯的變形活動；而雨季局部有崩滑、拉裂變形破壞現象。選用剩余推力系數法進行排土場邊坡穩定性計算，采用排土場規范推薦的傳遞系數法進行反演計算。

取工況條件為：

沿中部滑面，考慮以下4種工況計算滑坡的穩定系數K。

工況1—自重；K=1.15；工況2—自重+堆載；K=1；工況3—自重+暴雨+堆載；K=0.99；工況4—自重+暴雨+爆破震動+堆載。K=0.95。

沿深部滑面，考慮第4種工況下計算滑坡的穩定系數K均大于1.25。

反演結果見表1、表2最終結果為飽水狀態下滑面參數 φ=20，c=33kpa。

（2）滑移場方法驗證分析

首先將邊坡體劃分成多個條塊，再將條塊間分成眾多狀態單元與狀態點。在給定的安全儲備系數條件下，過條塊線上的任一點都存在有危險滑動方向和最不利推力P，使最終出口處剩余推力最大。根據條塊受力平衡（如圖1），推力計算見公式。

式中，Fs為當前安全系數；Wi為條塊重量，ui為條底空隙水壓力，Ko為地震影響系數；ci、φi分別為剪切面黏聚力、內摩擦角；li為條底邊長，αi、αi-1 分別為i條塊、i-1條塊底面傾角；Pi-1、Pi為條塊間推力。

對于設定的安全系數Fs，逐一求出各狀態點的最危險滑動方向tanα，使其最終剩余推力極大。調整安全系數，使最大的極大剩余推力為零，得出邊坡臨界狀態下的危險滑動方向場；進而在此基礎上追蹤出的臨界滑移場。應用該方法經過系統分析確定危險滑面（圖 2），然后應用極限平衡方法進行邊坡穩定性驗算，其結果與反分析結果一致，由此說明了反分析的可靠性。

四、排土場邊坡評價結論

該古滑坡體在天然狀態是穩定的；后緣由于有排土場堆排加載作用、經常受到礦山頻繁爆破震動影響，再加上雨季長時間降雨或暴雨作用下，軟弱層產生塑性大變形破壞，致使古滑坡體再次復活并產生劇烈的滑移破壞。并且隨著后緣排土場堆排荷載的繼續增大，將進一步加快滑體滑移速度，降低排土場邊坡的穩定性，直至滑坡破壞為止。

通過數值模擬方法先確定滑移破壞模式，再根據反演分析確定巖體力學參數；又應用滑移場方法進行了驗證，其結果基本一致，證明研究方法的可靠性。由此為滑坡治理工程方案設計提供可靠的力學參數依據，減少地質災害。