露天礦排土場攔石壩設計及其穩定性驗算

孫　嘉　劉　濤

(西北礦冶研究院)

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露天礦排土場攔石壩設計及其穩定性驗算

孫嘉劉濤

(西北礦冶研究院)

摘要以新疆索爾庫都克銅礦露天排土場滾石防治工程為研究背景，結合該排土場四周地形特征，為攔截排土場危險落石，在排土場四周修筑了干砌攔石壩，以高空落石滑落的運動特征為基礎，分析了落石滑落的速度計算方法和攔石壩的設計計算方法，首先計算滑落滾石的極限爬坡高度以確定攔石壩的高度，然后根據能量守恒定律計算攔石壩的平均寬度，從而確定攔石壩的結構參數。為避免滾石沖擊力對攔石壩形成沖擊破壞，在攔石壩的前部設計了一定厚度的緩沖層，用于吸收部分落石的沖擊力，其穩定性驗算結果表明，滾石的沖擊力經過緩沖土層被大大減弱。

關鍵詞露天排土場攔石壩滾石運動特征結構參數沖擊力

巖質邊坡落石(亦稱滾石)是我國一種多發的地質災害，受到了學者們的廣泛關注[1-5]。滾石的規模相對于滑坡、坍塌等地質災害小，但具有突發性強、難預測、隨機性強等特征，易造成人員傷亡、道路毀壞[2,6]。露天礦山排土場一般容積較大，堆放較高，其最終邊坡角一般較小，低于巖石的自然安息角，因此發生滑坡的可能性較低，高空滾石便成為主要的危險源，易造成人員傷亡和設備毀壞。對于滾石防治一般在其下游設置攔石結構，傳統性的一般包括混凝土攔石墻、落石緩沖槽、攔石柵欄等[6]。目前，關于混凝土攔石墻等剛性攔石結構理論計算和結構參數設計的研究成果較多[7-11]，對于干砌攔石壩的研究成果則相對較少。為此，本研究結合新疆索爾庫都克銅礦露天排土場滾石防治工程，根據現場地形特征，提出在排土場四周修筑攔石壩的防治方案，以高空落石滑落的運動特征為基礎，分析落石滑落的速度計算方法和攔石壩的設計計算方法。

1攔石壩設計

1.1攔石壩布置方案

設計采用多臺階排土，底部標高740 m，頂部標高830 m，最終堆放高度90 m。排土場每一臺階排棄坡度35°，最終堆積邊坡角28°，臺階高度15 m。由于排土場四周地形較平坦，設計在其四周修筑攔石壩，攔石壩與排土場底部的距離為5 m。

1.2攔石壩尺寸設計1.2.1滑落滾石極限爬坡高度計算

設滑落滾石的質量為m，在高度為h的位置沿排土場的邊坡順坡而下，根據排土場邊坡設計，滾石到達地表時最多需經過5個水平平臺(圖1)。

圖1　排土場最終邊坡折線示意

根據能量守恒定律，有：

(1)

式中，g為重力加速度，m/s2；N為邊坡受滾石作用的正壓力，MPa；f為滾石摩擦作用系數，一般與滾石形狀有關，一般取值0.4～1.5，本研究取0.4；s為滾石滑動距離，m；v1為滾石滑落至第1個臺階坡腳的速度，m/s。

經第1個平臺折減，滾石至第1個平臺與第2個臺階坡頂處的速度(v1′)為

(2)

式中，k為速度折減系數，取0.9；α為臺階坡面角，(°)。

據式(1)、式(2)可計算出v2、v2′、v3、v3′、v4、v4′、v5、v5′、v6、v6′。由此可知，滾石的爬坡高度為

(3)

式中，φ為攔石壩坡面角，(°)。

設計排土場高90 m，臺階坡面角35°，臺階高15 m，平臺寬5 m，滾石體積1 m3，質量2 700 kg，折減后的速度計算結果見表1。

表1　折減后的速度

由表1可知：滾石滾至攔石壩底部的速度為8.12 m/s。將該值代入式(3)，計算得滾石的最大爬坡高度為3 m。

1.2.2攔石壩寬度設計

攔石壩的寬度設計首先應考慮其可能的破壞方式。滾石從高處滾下，對攔石壩的破壞形式主要為將壩體沖垮或沖斷。設壩體的平均厚度為B，滾石滾至壩前的速度為v，滾石質量為m，根據能量守恒定律，有：

(4)

式中，F為壩體安全系數，取1.5；γ為壩體密度，kg/m3；h′為滾石沖擊點與壩體的高度，m。

對于高3 m的壩體，h′取1.5 m，滾石體積 1 m3，質量2 700 kg，根據式(4)可計算得：B=2.9 m。

經計算，最終確定壩體頂部寬2 m，壩高3 m，內坡垂直，外坡坡比為1∶0.3，攔石壩斷面見圖2。

圖2 攔石壩斷面示意

2攔石壩穩定性驗算

為避免滾石沖擊力對攔石壩形成沖擊破壞，在攔石壩的前部設計一定厚度的緩沖層，用于吸收部分落石的沖擊力，降低落石對攔石壩主體的沖擊力。滾石沖擊攔石壩后在攔石壩內部的受力過程可分2個階段：第1階段，由于緩沖土層的存在，落石以速度v沖向土體并進入土體，當進入一定的深度后其能量被土體吸收，速度降為0；第2階段，滾石作用于土層的沖擊力P以擴散角i將沖擊力傳遞至攔石壩。

2.1緩沖層厚度確定

緩沖層滾石沖擊力計算簡圖如圖3所示。

圖3　滾石沖擊力計算簡圖

滾石對攔石壩的沖擊力計算公式為

(5)

式中，γm為緩沖土層的容重，kN/m3；Z為滾石沖擊緩沖層后沖擊的深度，m；φ′為緩沖土層的內摩擦角，(°)；v6′為滾石滾至攔石壩底部的速度，m/s；A為滾石的截面積，m2。

滾石體積1 m3，質量2 700 kg，γm為18 kN/m3，φ′為35°，v6′為8.12 m/s，將該類參數帶入式(5)計算得：Z=0.85 m，P=0.80 MPa。據此可確定緩沖層的厚度為1.9 m。

2.2沖擊力在擋土墻內的擴散作用

由于緩沖土層的存在，沖擊力會在土體中進行擴散(圖4)，由于滾石沖擊土層后土體會受到被動破壞，可將i(45°-φ′/2)視為滾石沖擊土層后的沖擊力擴散角。為便于計算，可認為沖擊力水平作用于緩沖土層壩體表面，并呈扇形擴散。擴散后的沖擊力作用于攔石壩壩體的直徑(d)為

(6)

式中，r為滾石半徑，m；l為緩沖土層平均厚度，m。

圖4　滾石沖擊力在土體中的擴散作用示意

等效沖擊荷載(q)的計算公式為

(7)

式中，P為滾石對攔石壩的沖擊力，MPa。

緩沖土層γm為18 kN/m3，φ′為35°，滾石體積1 m3，質量2 700 kg，r為0.29 m，d為3.24 m，經式(7)計算得：q=0.25 MPa，可見滾石的沖擊力經過緩沖土層被大大減弱，壩體可承受滾石的沖擊。

3結語

結合新疆索爾庫都克銅礦露天排土場滾石防治工程，詳細分析了在排土場四周修筑干砌攔石壩的設計方案并進行了穩定性驗算，可供露天礦山排土場滾石災害防治參考。

參考文獻

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[11]王爽，周曉軍，郭瑞，等.隧道洞口落石運動特性數值模擬[J].鐵道建筑，2013(12)：43-44．

(收稿日期2015-11-01)

孫嘉(1974—)，男，工程師,730900 甘肅省白銀市人民路19號。