基于圓弧型滑動法的某尾礦渣穩定性分析

2021-10-16 01:37:52張再望

綠色科技 2021年18期

張再望

(陜西省土地工程建設集團有限責任公司/自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西西安 710075)

1 引言

我國礦產資源具有單一礦少、礦石成分復雜的特點，礦業生產活動中的原礦需要經過破碎、磨礦、選礦，在選出精礦的同時也會排出大量尾礦渣[1]。20世紀80～90年代中后期我國礦業秩序十分混亂，無序開采、非法開采、亂采濫挖，或因資源枯竭礦山閉坑、或因企業破產、政策關閉及重組等原因，導致了嚴重的礦山地質環境問題[2]。由于選礦過程中尾礦經受反復研磨，故尾礦渣通常相對密度較小，比表面積大，堆積中易發生流動、坍塌事故，特別是暴雨條件下，尾礦渣堆積體極易產生滑坡或泥石流災害[3]。尾礦渣堆積體發生滑坡的潛在威脅不僅在礦區生產作業期間持續存在[4]，即便礦區廢棄、采礦活動停止，尾礦渣滑坡的威脅仍然存在。為此，加強尾礦渣滑坡災害的防治工作對于保證尾礦渣邊坡的穩定性及安全運行極為重要。

堆渣體的穩定在一定程度上不亞于高邊坡穩定，需要得到高度關注。王旭旺[5]通過向鐵尾礦渣中加入不同劑量的水泥和粉煤灰用作半剛性路面基層，并分析了5個級配的混合料摻入劑量的水泥抗裂性，進一步提升了鐵尾礦廢渣混合料的抗裂性。趙黔義[6]利用XRD和SEM等方法觀察、分析混合料固化體的結構特征，表明鐵尾礦渣在摻入石灰和粉煤灰后，其穩定性和強度得到進一步提升。喬高勇[7]等通過對堆渣體邊坡穩定性計算分析與加固力進行計算，制定出滑坡總體加固治理方案并驗證了邊坡加固后的安全系數，在堆渣體自身強度增加的基礎上，進一步關注了堆渣體高邊坡穩定問題。蔣平[8]等通過采集堆渣體不同坡位的棄渣樣品，并對其含水率、飽和含水率、飽和導水率、容重和機械組成等物理指標進行測定，同時以直剪試驗對堆渣體邊坡穩定性特征進行分析，最終給出了攔擋措施的建議。蘇楠[9]等通過對楊柳青電廠液態渣的化學成分、物理力學性能進行的系統研究，得出了其主要化學組成、顆粒級配靜力應力應變參數等重要的化學物理力學指標，為液態渣的綜合利用及堆渣體的穩定提供了技術參考和科學依據。

在前人研究的基礎上，本文結合某尾礦渣，選取一些典型剖面的計算參數，采用定性分析與定量計算相結合的方法，定性分析野外勘測資料的綜合判斷，定量計算實測斷面，開展該尾礦渣的穩定分析。

2 研究區概況

治理區河段長約2700 m，目前河水以青灰色礦漿水為主。河道兩側堆積了大量選礦、氰化尾礦渣河道，最大的堆渣面積約2.18×104m2，堆渣體厚度約1.5～16 m。堆渣在擠占河道、加大河流彎曲度的同時，不但浪費大面積土地資源，同時對流域環境產生了顯著的重金屬污染。該尾礦渣堆積體的最厚處約6 m，平均厚度約2 m，堆積體擠占耕地，破壞植被。堆渣體的位置可分為3種，全部堆積于階地上，堆積于階地及河漫灘上，全部堆積于河漫灘上，其規格(顏色、形狀及堆積位置)見圖1。

圖1 堆積體規格統計

3 材料與方法

3.1 各層土的物理力學指標

根據室內土工試驗成果和現場密度試驗，將各層土的物理力學指標進行了統計，其結果見表1及表2。

表1 治理區礦渣物理力學指標統計

表2 治理區粉質粘土物理力學指標統計

地基土(卵礫石)的承載力特征值fak系野外動力觸探試驗結果，分別按照《巖土工程勘察規范》[10]、《工程地質手冊》[11]綜合確定的，其評價結果詳見表3。

表3 卵礫石層承載力特征值

3.2 計算方法及計算工況

根據邊坡土體巖性主要為雜填土，可以認為坡體為均質土體，計算可按圓弧型滑動法對邊坡進行穩定性驗算。

經鉆孔可知，邊坡巖土組成以雜填土和粉質粘土為主，推測滑動面均為圓弧形，用不平衡推力傳遞系數法計算邊坡穩定性系數。

穩定性系數可表達為[12]：

(1)

其中：

ψj=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tanφi+1

(2)

Ri=Nitanφi+cili

(3)

Ni=Qicosθi

(4)

Ti=Qisinθi

式中:y i，n為樣品氣中碳數為n的i組分的摩爾分數，%;y C4為標準氣中丁烷的摩爾分數，%;A i，n為樣品氣中i組分的峰面積，p A·s;A C4為標準氣體混合物中丁烷的峰面積，p A·s;n為重烴組分的碳數。

(5)

式(1)～(5)中：K為邊坡穩定系數，Ri為作用于第i塊段的抗滑力，Ti為作用于第i塊段的滑動分力，Qi為第i塊段坡體受的重力，Ni為第i塊段坡體重力的滑動法向分力，φi為第i塊段土的內摩擦角，ci為第i塊土的粘聚力，li為第i塊段滑動面長度，ψj為第i塊段剩余下滑力傳遞至i+1塊段的傳遞系數(j=i)，θi為第i塊段滑面傾角。

3.2.2 計算工況

降雨使邊坡飽水是影響邊坡穩定性的主要因素，重點考慮持續降雨工況及坡體飽水情況的穩定系數，因此計算工況考慮以下兩種：工況1：天然自重狀態；工況2：自重及暴雨。

3.3 計算參數的確定

計算參數主要在統計土工試驗數據基礎上，根據邊坡物質物理力學性質，結合區內地質環境條件、坡體結構特征、性狀、坡體變形及其空間變化情況，再結合反算結果綜合確定。

3.3.1 室內試驗值

由土體室內試驗參數統計表1～表3可得，土樣試驗結果平均值計算，邊坡雜填土天然重度為20.7 kN/m3，飽和重度為21.5 kN/m3；粉質粘土天然重度為19.3 kN/m3，飽和重度為20.13 kN/m3。

3.3.2 經驗值

給出天然狀態下的參數為：γ=20.4 kN/m3，c=9.5 kPa，φ=7.6°，飽和狀態下的參數為：γ=21.0 kN/m3，c=9.0 kPa，φ=7.0°。

3.3.3 反分析值

根據對現場邊坡的變形特征及現所處的穩定性狀態的定性評價，各邊坡在天然狀態下均處于穩定和基本穩定的狀態，所以其FS值均大于1；考慮到人工邊坡巖土體物理力學性質的變化，由于人工邊坡坡體物質主要以雜填土為主，選擇坡體抗剪強度參數時，內聚力較小，而內摩擦角則相對較大，故以實驗數據中的內摩擦角為反演依據，主要對抗剪強度進行反演。反演公式根據《滑坡防治工程勘查規范》[13]參數反演公式進行計算，如下：

(6)

(7)

式(6)、(7)中：φ為坡體物質的內摩擦角，c為坡體物質的內聚力，F為根據計算工況給定的穩定系數，L為滑帶的總長度。反演工況分為天然工況和暴雨飽和工況，其結果見表1。

3.3.4 參數的綜合取值

經對巖土室內試驗結果及代表性剖面的反演分析，綜合確定各邊坡計算參數為表4。