瑞典條分法在石寶鐵礦尾礦壩穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

2018-02-23 15:58:57豆昆張林琳鄭東

西部資源 2017年5期

豆昆+張林琳+鄭東

摘要：文章根據(jù)現(xiàn)場勘察數(shù)據(jù)，垂直尾礦壩方向布置6條勘探線，采用瑞典條分法在兩種工況下分別對邊坡安全系數(shù)進行求解，從而得出邊坡穩(wěn)定情況。

關(guān)鍵詞：瑞典條分法；邊坡穩(wěn)定；安全系數(shù)；破壞模式

引言

瑞典法屬于極限平衡法，是定量分析邊坡穩(wěn)定性時常用的一種方法，極限平衡法是依據(jù)力學(xué)平衡原理建立平衡關(guān)系式，通過所求得的安全系數(shù)得出邊坡的穩(wěn)定性。常用的一些方法有瑞典條分法、Bishop法、Janbu法、Sarma法、余推力法等。針對本尾礦壩邊坡主要采用瑞典條分法進行分析。

1.極限平衡分析方法

極限平衡是以摩爾—庫侖抗剪強度理論為基礎(chǔ)的，它是將滑坡體劃分為若干條塊，建立作用在這些條塊上的力的平衡方程式，從而求解安全系數(shù)。

1.1圓弧型破壞模式

安全系數(shù)計算公式如下：

所謂直線破壞是指邊坡破壞時其破裂面近似平面，在斷面近似直線。為了簡化計算這類邊坡穩(wěn)定性分析采用直線破裂面法。能形成直線破裂面的土類包括：均質(zhì)砂性土坡；透水的砂、礫、碎石土；主要由內(nèi)摩擦角控制強度的填土。

圖2為一砂性邊坡示意圖，坡高H，坡角β，土的容重為γ，抗剪度指標為c、φ。如果傾角α的平面AC面為土坡破壞時的滑動面，則可分析該滑動體的穩(wěn)定性。

沿邊坡長度方向截取一個單位長度作為平面問題分析。

已知滑體ABC重W，滑面的傾角為α，顯然，滑面AC上由滑體的重量W=γ（ΔABC）產(chǎn)生的下滑力T和由土的抗剪強度產(chǎn)生的抗滑力Tˊ分別為：

當(dāng)Fs=1時，β=φ，表明邊坡處于極限平衡狀態(tài)。此時β角稱為休止角，也稱安息角。

此外，山區(qū)順層滑坡或坡積層沿著基巖面滑動現(xiàn)象一般也屬于平面滑動類型。這類滑坡滑動面的深度與長度之比往往很小。當(dāng)深長比小于0.1時，可以把它當(dāng)作一個無限邊坡進行分析。

圖3表示一無限邊坡示意圖，滑動面位置在坡面下H深度處。取一單位長度的滑動土條進行分析，作用在滑動面上的剪應(yīng)力為γHcosαsinα，在極限平衡狀態(tài)時，破壞面上的剪應(yīng)力等于土的抗剪強度，即

2.相關(guān)參數(shù)的選擇

2.1尾礦庫概況

尾礦庫區(qū)設(shè)計采用上游法筑壩、山谷型尾礦庫濕式堆存，現(xiàn)三面圍壩一面靠山，近似呈蘋果形平面。初期壩是由石塊堆積而成的透水壩，初期壩總長500.56m，壩高13m，壩頂寬4m，外坡比1∶1.75，內(nèi)坡比1∶1.65。堆積壩體總長2.13km，庫區(qū)面積約為0.8581km2。

目前尾礦壩已經(jīng)接近1742m最終設(shè)計標高，沉積灘長度300m～350m以上，干灘長度保持在150m以上。濃縮后的尾礦經(jīng)聯(lián)合泵站加壓輸送到壩前進行多管分散放礦，形成穩(wěn)定的沖積灘后，進行機械筑壩，子壩由機械堆筑碾壓。庫區(qū)內(nèi)尾礦堆積物以尾粉砂及尾粉土為主，其滲透性較差，室內(nèi)試驗結(jié)果表明，②-1層尾粉砂垂直滲透系數(shù)變化在7.22×10-5～3.69×10-4cm/s；②-3層尾粉土，垂直滲透系數(shù)變化在5.90×10-7～1.12×10-4。

2.2庫區(qū)壩體地層及巖土力學(xué)參數(shù)

本次勘察在尾礦庫區(qū)所揭露的地層主要為第四系人工填筑土（Q4ml）、殘積土（Q4ml）、第四系沖洪積地層（Q4al+pl）及古生界華力西期全風(fēng)化～中風(fēng)化花崗巖，按成因及巖性的不同分為5層，分述如下：

①-1層素填土（Q4ml）：人工筑壩素填土，直徑為5cm～20cm碎石塊為主伴有少量砂土。

①-2層素填土（Q4ml）：人工護壩素填土，直徑為0.5cm～2.5cm碎石為主伴有少量砂土。

②-1層尾粉砂（Q4ml）：灰褐色，主要礦物成分為石英、磁鐵礦、長石。

②-2層尾中砂（Q4ml）：灰褐色，主要礦物成分為石英、磁鐵礦、長石。

②-3層尾粉土（Q4ml）：灰褐色，主要礦物成分為石英、磁鐵礦、長石。

②-4層尾粉土（Q4ml）：黃褐色，主要礦物成分為石英、赤鐵礦、長石。

②-5層尾粉砂（Q4ml）：黃褐色，主要礦物成分為石英、赤鐵礦、長石。

③-1層混合土（Q4dl）：灰褐色，主要礦物成分為石英、長石。

④-1層粉土（Q4dl）：黃褐色，為庫區(qū)主要地層，主要礦物成分為石英、長石。

⑤-1層全風(fēng)化花崗巖：肉紅色，由花崗巖風(fēng)化而成，呈砂狀，散體狀結(jié)構(gòu)。礦物成分為石英、長石、角閃石等。

礦庫內(nèi)天然地層主要以第四系沖洪積粉土和粉砂為主，天然狀態(tài)下呈稍濕—濕，中密狀態(tài)，穩(wěn)定性計算參數(shù)見表1。

2.3地震力

據(jù)《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50191-2012），達爾罕茂明安聯(lián)合旗石寶鎮(zhèn)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值0.05g，設(shè)計地震分組為第三組，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s。

2.4安全系數(shù)限值的選取及穩(wěn)定性判斷依據(jù)

《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（地礦部行業(yè)標準，2006年）對滑坡穩(wěn)定狀態(tài)的安全系數(shù)限值作了如下規(guī)定：不穩(wěn)定狀態(tài)F0<1.00，欠穩(wěn)定狀態(tài)1.00≤F0<1.05，基本穩(wěn)定狀態(tài)1.05≤F0<1.15，穩(wěn)定狀態(tài)F0≥1.15。

《滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（地礦部行業(yè)標準，2006年）對抗滑安全系數(shù)做了如下規(guī)定：考慮自重F0= 1.2～1.4，考慮自重和地下水F0=1.1～1.3，考慮自重、暴雨和地下水F0=1.02～1.15，考慮自重、地震和地下水F0=1.02～ 1.15。

《巖土工程勘察規(guī)范》（國標，2009年版）安全系數(shù)規(guī)定：重要工程取1.30～1.50，一般工程取1.15～1.30，次要工程取1.05～1.15。采用峰值強度時取大值，采用殘余強度時取小值。驗算已有邊坡穩(wěn)定時取1.10～1.25。

綜合上述規(guī)范，本次分析中安全系數(shù)限值在工況一（考慮自重）時取F0=1.15（峰值強度），工況二（考慮自重+洪水運行時）取F0=1.1。大于限值則視為穩(wěn)定，反之則不穩(wěn)定。

3.極限平衡計算

按照壩體堆積形成的邊坡形態(tài)，分別選擇垂直于最終壩體邊坡的1-6剖面進行計算。分別對1-6剖面按圓弧型破壞模式計算兩種工況下的最不利滑動面安全系數(shù)。

根據(jù)勘察結(jié)果及實測斷面，利用理正巖土軟件復(fù)雜地層條件下的瑞典圓弧法計算各斷面的工況一正常運行及工況二洪水運行條件（干灘長度按70m計算）下的穩(wěn)定性系數(shù)，穩(wěn)定性計算結(jié)果見表2。

以下是在兩種工況下，1～6剖面按圓弧形計算的安全系數(shù)計算結(jié)果示意圖。

4.結(jié)論

表2中列出了不同工況條件下各剖面的安全系數(shù)，可見在工況一條件下，4-4剖面的安全系數(shù)最小，為1.439；大于1.15；工況二條件下，4-4剖面的安全系數(shù)最小，為1.284，大于1.10。以上結(jié)果表明各種工況下，各剖面最不利滑動面安全系數(shù)都大于安全系數(shù)限值，即認為總體邊坡是穩(wěn)定的。計算過程中未考慮以下因素：①地震傷害作用；②在開挖過程中暴雨之后快速充水，且洪水漫過警溶線。

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