排土場物料抗剪強度參數反演分析應用研究

王新巖，周漢民，崔 旋，蘇 軍

（北京礦冶研究總院，北京102600）

目前全國有5萬多座露天礦［1］，而排土場對一個大型礦山可達數億立方米，堆置高度可達200多米。一旦發生滑坡、泥石流等災害將給人民生命財產安全造成重大損失。排土場是露天礦山開采時表層剝離廢石堆積而成的人工邊坡，因此其具備了區別于一般土質邊坡的特征：采用自上而下的排廢過程使堆積物料粒度具明顯的分選性。其總體規律表現為：其粒徑塊度由上而下逐漸增大，總的趨向是小塊集中在上部，大塊在下部，中間部分各種塊度參差不齊，但以中等塊度居多在排土場穩定性分析過程中，排土場堆積體的強度參數是邊坡穩定性計算分析中一個至關重要的因素，而不同的粒徑組成是散體材料強度參數的主要影響因素。正是由于排土場的這一特性使得排土場散體強度參數的合理取值成為了困擾巖土工程界的難題。

為合理確定排土場物料參數，廣大科技工作者、工程技術人員進行了大量的研究［2－4］。翁厚洋等對粗粒料縮尺效應研究后指出［5］：由于縮尺后試料級配與原級配不同，導致不同縮尺方法縮尺后的試料級配和密度也不同。所以，即使試驗條件相同，也會使試驗結果出現較大差異。王永博等［6－7］研究了某排土場大規模滑坡的原因和破壞模式，對滑帶土的力學參數進行了反演分析并進行了有限元計算，結果表明：該排土場處于暫時穩定階段。反演計算以排土場的現場觀測信息為基礎，反算排土場物料物理力學參數，為計算排土場物料物理力學參數提供了有效手段。基于以往研究的基礎上，本文以某礦山排土場所存在的一個現狀臨界滑坡體為依托，采用參數反演方法驗算該礦山排土場物料綜合抗剪強度，從而為其邊坡穩定性提供準確的計算參數。

1 工程背景

某礦山排土場位于廣東省境內，地形屬嶺南中低山地，海拔標高300.00～1020.41m，山系呈南北走向，北高南低。排土采用汽車運輸，推土機排棄，單臺階排棄，排土高度約257m，屬于典型的山坡型高臺階排土場。其中，人工填土由采礦區廢石夾礫質粉土和含礫粉質粘土組成，結構松散，滲透系數高。場區屬潮濕多雨亞熱帶氣候，地表水系發育，具山間溪河特點，水量變化幅度大。在降雨因素誘發下頂端前緣出現沿縱線基本貫通的裂縫，裂縫帶寬在幾厘米至十幾厘米不等，如圖1，該邊坡處于臨界狀態，亟待開展相關研究及治理措施。本文以此臨界失穩狀態滑坡體為依托，反演分析計算排土物料綜合參數，為后續展開治理工作提供依據。物料分區自上而下依次為：排土物料、沖積層和基巖，物理力學參數如表1所示。

表1 計算基本參數

圖1 排土場裂縫

2 參數反演分析方法

2.1 反演狀態的確定

反演狀態的確定［9］與形成該狀態的荷載條件、計算邊界及穩定評價指標等有關。滑坡周邊無地表水系，滑坡內地下水主要由后緣基巖裂隙水及降水補給。由于土體內裂隙極其發育，結構破碎程度很高，透水性很強，大氣降雨相當一部分將直接滲入第四系松散層，滑體內地下水位的升高將增大滑體的下滑力、降低土體的抗剪強度，進而誘發滑坡，因此，可以認為，如滑坡區遭遇長久降雨過程，會使滑坡體內地下水位升高，使滑坡處于復活狀態。本文以此狀態作為反演分析的計算狀態，選取臨界狀態剖面建立計算模型如圖2。

圖2 計算基本模型

依據現場調研結果：該礦山排土場邊坡后部有明顯的沿橫向貫通的裂縫，且裂縫寬度較寬，但邊坡尚未出現較大規模的位移變化；參照專著《滑坡分析與防治》中各類型滑坡在不同發育階段的安全系數推薦值（見表2），可得：該排土場正處于蠕動擠壓狀態，邊坡穩定系數約為1.01～1.05，為偏于安全考慮，反演分析計算過程中的安全系數取為1.00。

表2 滑坡不同發育階段的穩定系數

2.2 反演的基本路線

邊坡反演就是先根據確定的邊界條件和特定工況狀態下的穩定狀態評估指標建立數學模型，然后利用此模型反演邊坡土體的計算參數c，φ值。本文基于剛體極限平衡法的排土場邊坡抗剪參數反演分析步驟可概括如下。①通過對某礦山排土場邊坡臨界失穩狀態進行評判，確定該邊坡的穩定系數為1.00，從而建立了反分析的基本模型。②基于SEEP軟件確定該礦山排土場的飽和非飽和滲流場。③在飽和非飽和滲流場的基礎上，利用基本模型，基于SLOPE軟件并對邊坡潛在滑動面值不斷變化條件下的安全系數進行計算。假定為邊坡潛在滑動面勘察資料推薦粘聚力最小值，為邊坡潛在滑動面勘察資料推薦最大值，則潛在滑動面凝聚力值在C＝（10，40）kPa之間取值。與之相似，潛在滑動面內摩擦角值則在φ＝（20°，40°）之間取值。④求出在二維空間中的每一個所對應的安全系數，并作出曲線。將分析邊坡穩定性狀態所確定的安全系數作為縱坐標畫水平線，水平線與曲線的交點所對應的即為該剖面滑帶上抗剪強度參數可能值。

3 參數反演計算分析

本文中參數反演工作主要借助GEOSTUDIO軟件來實現。首先，基于SEEP軟件計算該排土場因降雨導致地下水位抬升的邊坡滲流場，并在此基礎上利用SLOPE軟件中多次重復計算現狀排土場邊坡的安全系數，從中選取邊坡安全系數為1.00的算例并結合工程實際狀況進行對比分析，從中選出反演參數最優解。排土物料參數反演范圍為：C值范圍為（10，40）kPa，φ值范圍為（20°，40°）。

依照確定的反演路線，計算各個內摩擦角及粘聚力組合所對應的的邊坡安全系數，匯總如圖3～圖5所示。

圖3 安全系數小于1.0的參數組合

圖4 安全系數大于1.0的參數組合

圖5 不同內摩擦角與粘聚力變化時的安全系數（φ＝30～35°）

從圖3、圖4中可以看出：當φ≤29°時，在給定范圍內的粘聚力變動，排土場邊坡安全系數均遠小于1.0；當φ≥36°時，給定范圍內的粘聚力變動，排土場邊坡安全系數則遠大于1.0，均不滿足邊坡現狀工況；在某礦山排土場現狀堆積情況下（坡度、堆載高度），原先確定的內摩擦角反演范圍（20°，40°）較大，可進一步確定縮小至［30°，35°］之間。

圖5為內摩擦角縮小區間內［30°，35°］，單個內摩擦角下對應于不同粘聚力變化情況下時的邊坡安全系數變化曲線。結合圖分析可得：①隨著粘聚力的增大，邊坡安全系數呈緩慢增大的趨勢；②由Morgenstern－price、Ordinary、Bishop等多種方法所計算出的邊坡安全系數變化規律一致，且數值相差不大；③同Morgenstern－price相比，由Janbu法計算出的邊坡安全系數偏小，其原因在于力的平衡條件對條間剪力敏感，而簡化Janbu法忽略了土條間的剪力；由Bishop法計算出的邊坡安全系數相比Morgenstern－price法來言則略微偏大，其原因則在于Bishop法僅考慮了力矩的平衡，而力矩安全系數對條間力則并不敏感。

4 參數反演計算結果

該排土場臨界失穩狀態邊坡安全系數約為1.0，將對應內摩擦角區間內［30°，35°］Morgensternprice反演出安全系數結果依次提取，從中選取安全系數為1.0的c，φ值組合，匯總如表3所示。

表3 安全系數約為1.0的抗剪參數組合

將各c，φ組合描點連線如圖6所示。從圖6中可以看出：對應于安全系數為1.0的抗剪參數組合近似呈線性變化，內摩擦角變動較粘聚力來言對安全系數結果影響較大；該擬合直線的公式見下式。

y＝－3.59x＋145.84（30≤x≤35）

圖6 粘聚力與內摩擦角對應關系曲線

基于以上反演結果，該礦山排土場物料綜合抗剪參數綜合值可能為該擬合直線上一點；考慮到排土物料為松散堆積體，結合相關工程經驗，根據反演計算結果分析推測：該礦山排土物料粘聚力c＝20kPa，內摩擦角φ＝35°。

5 結論

1）本文以某礦山排土場所出現的臨界滑坡體為依托，確定反演路線，計算多參數組合下排土場邊坡安全系數，從中選取綜合抗剪參數最優解，確定出該排土物料抗剪參數為粘聚力c＝20kPa，內摩擦角φ＝35°。

2）由反演分析確定的抗剪強度為排土物料整體的綜合抗剪強度，該方法忽略了物料不均勻性的影響，所得參數具有良好的工程適用性。

3）反分析得到的滑帶土c，φ值與臨界狀態的滑坡體賦存條件相對應，在其他工況分析設計時，反演分析的臨界狀態會有所不同，因此參數值應根據經驗及工程類比結果進行折減。

［1］ 曹陽，黎劍華，顏榮貴，等.超高臺階排土場建設決策研究與實踐［J］.巖石力學與工程學報，2002，21（12）：1858－1862.

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［7］ 王永博，陳殿強.本鋼某礦排土場邊坡穩定性有限元分析［J］.黑龍江科技學院學報，2004，14（4）：230－232.

［8］ 陳駿峰.降雨型堆積層滑坡抗剪強度參數反演分析［J］.華中科技大學學報，2008，12（25）：249－252.