路堤設計及幫坡穩定性分析

周曉超，周 銘，呂林洪

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明650051)

0 引 言

銅街-曼家寨礦段露天采場南部出口處東西幫邊坡目前已產生滑移，使得東西幫道路及大坪選廠存在安全隱患，嚴重影響了人員作業安全和礦山經濟效益。鑒于此，為解決南部出口幫坡滑移以及選廠運輸問題，設計在南部出口堆置路堤進行幫坡壓腳并實現原礦運輸效益最大化。因此，為確保設計路堤幫坡參數合理、路堤安全穩定，通過對極限平衡和數值仿真模擬角度借助Slide和Flac2D進行了路堤邊坡穩定性的綜合分析、相互校核驗證比較，確保設計目標的實現，以期為露天采場路堤的設計與施工提供可靠的設計參數和依據。

1 工程概況

銅街-曼家寨礦段露天采場南部出口處東西幫由于受F0、F1斷層影響加之工程地質、水文地質條件復雜，東西幫幫坡出現滑移，已影響到了露天采場南部出口、東西幫道路及大坪選廠原礦堆場的安全，為解決露天采場南部出口幫坡滑移安全隱患，同時兼顧解決大坪選礦廠原礦運輸距離遠、道路運行條件差、運量有限等問題，擬在銅街-曼家寨礦段露天采場南部出口堆置路堤，該路堤兼具東西幫幫坡壓腳及原礦運輸道路功能，路堤橫斷面為梯形斷面，下底堆置寬度約480 m、標高890 m、路堤頂寬31 m、堆置高度100 m，路堤南幫設置4個臺階，北幫設置5個臺階，南北幫臺階坡面角均為30°，南幫 (外坡)幫坡角19°，北幫(內坡)幫坡角21°，路堤總土石方量263．91萬 m3(其中填方262．35萬m3，挖方1．56萬 m3);路堤最低堆置標高890 m，路堤北西面為銅街-曼家寨礦段露天采場(正在生產)，北東面、東南面為銅街-曼家寨礦段露天采場排廢運輸道路，西面為大坪選礦廠，西南面為大坪選礦廠配套萬龍山尾礦庫(距離路堤坡腳最近距離約180 m);路堤由下至上分層填筑，下部壓實度不小于80%，上部(8 m)范圍內壓實度不小于93%。

根據《GB 50011-2001建筑抗震設計規范》附錄A的規定，該工程抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0．05 g，地震分組為第一組，進行了堤壩邊坡穩定性驗算，天然狀態下具體巖土層力學參數見表1。該分析選擇沿溝谷方向最易發生滑坡失穩的剖面I-I作為邊坡穩定性分析的基礎，路堤平面布置及幫坡穩定性驗算剖面見圖1。

表1 巖土層物理力學參數表Tab.1 Physical-mechanics parameters of rock and soil layer

圖1 路堤平面及邊坡穩定驗算剖面Fig.1 Cross section of stability checking calculation of embankment plane and slope

2 Slide邊坡穩定性分析

2.1 基本理論

極限平衡分析方法是依托靜力平衡原理，將邊坡上的滑體進行條分，根據極限狀態下滑體條受力和力矩的平衡來分析邊坡的穩定性［1］。該方法未考慮巖土體應力-應變性質，所求的安全系數只是反映假定滑面的指標，并不能反映巖土體破壞機理，僅為一種綜合近似解，但力學模型簡單，有系統規范指導［2］。

Slide軟件是由加拿大Rocscience開發的邊坡穩定性計算軟件(2D limit equilibrium slope stability for soil and rock slopes)。Slide軟件是一個二維的評價土體和巖石邊坡中圓弧和非圓弧滑動面狀況的計算程序軟件，已廣泛應用于露天礦山邊坡、公路邊坡和堤壩等的穩定性計算與分析［3］。因此，該設計采用基于極限平衡理論的邊坡穩定計算軟件Slide對銅曼露天采場內堤壩邊坡建立了仿真建模與系統計算和分析。

2.2 排土場2D仿真模型建立

根據礦山提供的地勘資料，運用Slide建立2D模型見圖2。

圖2 路堤幫坡穩定性分析2D模型Fig.2 2D model of stability analysis for embankment slope

2.3 Slide邊坡穩定性計算結果與分析

該設計考慮天然、天然地震、降雨、降雨地震4種工況，利用Slide軟件對建立的模型進行計算，得到最危險滑動面的安全系數。該驗算考慮TR100卡車一輛滿載荷和一輛空車作用于路堤同一橫斷面邊坡4種不同工況下的穩定狀態，所得路堤邊坡不同工況、驗算方法下安全系數見表2。

鑒于篇幅所限，該文只列出了降雨地震工況下MP法的路堤邊坡穩定性分析結果，見圖3、圖4。

由Slide極限平衡計算結果可知，當TR100一輛滿載和一輛空車作用于路堤同一橫斷面時，在天然、天然地震和降雨、降雨地震4種不同工況下計算云圖滑移面和安全系數［FS］＞1．15，處于穩定狀態。結合圖3、圖4得出，路堤北部幫坡最危險滑移面發生在邊坡內部而南部幫坡發生在坡頂。但安全系數Morgenstern-Price法較Bishop法、Spencer法都偏小，這主要是因為Morgenstern-Price法為嚴格條分法，滿足水平、垂直方向的力和力矩的平衡，靜不定方程中多余未知量的假定并不是任意的，符合巖土體的力學特性［4］。由表1還可以看出，降雨+地震工況下較天然狀態下邊坡穩定性系數偏小、滑動區域增大，這主要是因降雨改變了邊坡體的力學性能而削弱了巖土體的強度參數，同時浸水、地震荷載使滑移面的剪應力增大，而地震擾動又是誘發邊坡失穩的因素。因此，應加強對路堤幫坡的監測并采取有效的排水措施以保證、提高路堤幫坡穩定。

表2 極限平衡法路堤幫坡安全系數Tab.2 Safety factors embankment and slope obtained by limit equilibrium method

圖3 MP法路堤北部幫坡穩定性計算結果(FS=1.206)Fig.3 Stability calculation results of north slope by MP(FS=1.206)

圖4 MP法路堤南部幫坡穩定性計算結果(FS=1.185)Fig.4 Stability calculation results of south slope by MP(FS=1.185)

3 FLAC2D邊坡穩定性分析

3.1 基本理論

有限差分強度折減考慮了巖土體的應力-應變關系，可反映真實的應力應變情況以及邊坡破壞的漸變過程，通過巖土體參數的不斷折減達到臨界破壞狀態求得邊坡的安全系數［5］。

Duncan(1996)指出邊坡安全系數可以定義為使邊坡剛好達到臨界破壞狀態時，對土的剪切強度進行折減的程度。強度折減即通過逐步減小抗剪強度指標，將c、φ值同時除以折減系數Fsr，得到一組新的強度指標c'、φ'，然后進行有限差分分析，通過不斷改變折減系數進行試算直至邊坡達到極限狀態發生剪切破壞，此時采用的強度指標與巖土體原來具有的強度指標之比即為該邊坡的安全系數 Fs［6～7］。公式如下:

3.2 建立幾何模型

根據路堤設計橫剖面圖，對其進行簡化處理抽象出模型，將模型進行網格劃分，考慮到實際邊坡在無限延伸的，要繼續模擬堤壩邊坡穩定性，所以對邊坡進行兩端加長和底部加厚處理而最終得到的模型，對實際邊坡進行等比例縮小，建立網格，可得到模型邊坡網格劃分，見圖5。

圖5 路堤模型邊坡網格劃分圖Fig.5 Slope mesh generation chart of embankment model

3.3 FLAC強度折減計算結果

降雨地震下路堤幫坡剪應變率等值線圖和速度矢量圖見圖6、圖7、圖8、圖9。剪應變率等值線表示剪切破壞面，即是邊坡變形潛在滑坡破壞面的位置。通過FLAC2D進行驗算后，路堤南北部最危險滑動面分別發生在坡頂和內部，安全系數在天然、天然+地震、降雨、降雨+地震下均大于規程規定的邊坡穩定系數1．15(見表3)，目前處于穩定狀態。

圖6 路堤南部幫坡剖面剪應變率等值線云圖(FS=1.17)Fig.6 Isoline cloud chart of shear strain rate of south slope profile(FS=1.17)

圖7 路堤南部幫坡剖面速度矢量圖Fig.7 Velocity vector diagram of south slope profile

圖8 路堤北部幫坡剖面剪應變率等值線云圖(FS=1.19)Fig.8 Isoline cloud chart of shear strain rate of north slope profile(FS=1.19)

圖9 路堤北部幫坡剖面速度矢量圖Fig.9 Velocity vector diagram of north slope profile

表3 FLAC強度折減法計算結果Tab.3 Calculation results obtained by FLAC strength reduction method

4 結 語

2種不同計算方法各工況的安全系數對比見表4。

表4 不同計算方法路堤幫坡安全系數對比表Tab.4 Comparison of safety factors of embankment slope obtained by different methods

續表4

由表4看出基于靜力平衡原理的極限平衡法和考慮應力-應變關系的Flac2D強度折減法計算的路堤幫坡在不同工況下最危險滑移面位置非常接近，安全系數相差很小，2種方法不僅相互驗證相互補充，而且從工程熟悉的安全系數和邊坡巖土體應力應變角度進行了路堤幫坡穩定綜合分析，為路堤設計提供了理論支撐，更好地指導現場路堤設計、施工［8-9］。

根據《GB 50421-2007有色金屬礦山排土場設計規范》［10］，排土場邊坡穩定系數FS取值宜取1．15～1．3，結合被保護對象的等級確定，當被保護對象為失事后使村鎮遭受嚴重災害時，FS取1．3;當被保護對象為失事后不致造成人員傷亡或者造成經濟損失不大的次要建構筑物時，FS取1．2;當被保護對象為失事后損失輕微時，FS取1．15。考慮該路堤幫坡的特點及與周邊環境關系，該路堤幫坡安全系數＞1．15即為穩定的。通過Slide極限平衡法和FLAC強度折減法綜合分析得出:該路堤幫坡最不利工況條件下安全系數 FS為1．17，＞1．15，說明路堤是穩定的，設計參數合理，但同時應注意以下問題。

(1)運用Slide和FlAC 2D對路堤幫坡進行了荷載作用下不同工況的穩定性分析表明，路堤幫坡安全系數［FS］＞1．15處于穩定狀態，路堤北幫最危險滑移區發生在中部，而南幫最危險滑移區發生在坡頂處;當車輛荷載增加時邊坡頂部沉降量增加，使得幫坡面滑移區存在貫通趨勢，惡化幫坡的整體穩定，必須嚴格控制路堤頂部車輛荷載。

(2)降雨+地震下安全系數明顯降低，因此，應完善路堤內、外部排水設施，有效疏排大氣降水。

(3)在堆排過程中應按設計要求碾壓，增大路堤粘聚力進而提高邊坡整體穩定，并對路堤南幫坡頂處及北幫中部地段進行位移、沉降監測，以便及時預報可能出現的滑坡等災害。

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