不同降雨工況對排土場安全性影響規(guī)律研究

周忠良 連民杰 孫世國

(1.中鋼礦業(yè)開發(fā)有限公司,北京 100080;2.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,北京 100144)

排土場是露天礦山生產(chǎn)中的重要設(shè)施之一,也是重要危險(xiǎn)源[1]。排土場遍布全國各地,數(shù)量多、危險(xiǎn)性大,由于排土場屬于松散體[2],滑坡是排土場的主要破壞形式之一,也是排土場的主要事故類型,而雨水又是誘發(fā)排土場滑坡的主要因素之一,因此研究不同降雨工況對排土場安全影響規(guī)律,分析邊坡穩(wěn)定性,對避免或減少災(zāi)害的發(fā)生、保障排土場安全穩(wěn)定運(yùn)行、減少經(jīng)濟(jì)損失等均具有重要意義。目前對排土場的穩(wěn)定性研究主要考慮自然工況、降雨工況和地震工況三種情況[3-6],對降雨工況都只分析強(qiáng)降雨對排土場穩(wěn)定性影響[7-8],沒有研究其他降雨類型對排土場穩(wěn)定性影響規(guī)律 。本文以某冶金礦山排土場為研究對象,對不同降雨工況下邊坡巖體不同空間位置的應(yīng)力應(yīng)變演化特點(diǎn)及其對邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律進(jìn)行研究,以便為安全防護(hù)提供決策依據(jù)。

1 排土場基本情況

1.1 排土場現(xiàn)狀

某排土場位于唐山市遷安地區(qū),目前總體堆置高度超過180 m,其中下部第一級(jí)臺(tái)階堆置高度為45 m(見圖1),等級(jí)為一等,隨著露天開采排土場堆置高度不斷增大,排土多為松散體極易在遭受雨水沖刷后而破壞,在排土場下方有居民區(qū)及各類市政設(shè)施等,因此排土場邊坡必須安全,不允許產(chǎn)生破壞性滑坡。

圖1 排土場平面圖Fig.1 Plan of waste dump

1.2 排土場工程概況

第四系人工堆積層分布在排土場大部分區(qū)域,灰色、肉紅色、干,主要由巖石碎塊、砂、黏土混合組成。巖石碎塊粒徑大小不一,主要成分為片麻巖、長石石英砂巖、磁鐵石英巖等。結(jié)構(gòu)松散,孔隙較大,透水性較好,為強(qiáng)透水層。

第四系殘坡積、沖洪積土主要分布在排土場外圍西北側(cè)和南側(cè),排土場內(nèi)部溝谷部位有少量薄層第四系殘坡積土,厚度1 ～2 m。紅褐色,濕—稍濕,密實(shí),主要由碎石、黏土等組成。碎石成分主要為礫巖、各種片麻巖等,碎石粒徑一般20 ～40 mm,黏土充填。物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 排土場巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical property index of rock in waste dump

2 不同降雨工況對排土場安全穩(wěn)定性影響規(guī)律

2.1 不同降雨工況下排土場應(yīng)力、應(yīng)變分析

選取排土場典型剖面B-B'(見圖1),并根據(jù)排土場邊坡的實(shí)際尺寸簡化地質(zhì)坡面模型如圖2 所示。

圖2 簡化后排土場剖面B-B'地質(zhì)坡面圖Fig.2 Simplified geological slope diagram of section B-B' of back row soil yard

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果選取如圖3 所示的5 條測線點(diǎn)分析其不同降雨工況下邊坡應(yīng)力及應(yīng)變演化規(guī)律。測線Ⅰ～Ⅴ分別為平行邊坡輪廓邊界線的測線點(diǎn),每條線的選取間距為5 m,對Ⅰ～Ⅴ測線點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變演化規(guī)律進(jìn)行分析。根據(jù)氣象部門采用的24 h降雨量從小到大的等級(jí)劃分,從低到高設(shè)置了小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨6 種降雨工況。

圖3 土場邊坡測線點(diǎn)選取Fig.3 Selection of measuring line points for soil slope

運(yùn)用邁達(dá)斯數(shù)值模擬方法模擬不同降雨工況下的應(yīng)力與應(yīng)變情況,將所模擬的結(jié)果繪制成折線圖,選取測線Ⅱ和測線Ⅴ進(jìn)行對比分析(圖4 ～圖9),圖4～圖9 中1 為邊坡輪廓線,2 為Ⅱ測線點(diǎn),3 為Ⅴ測線點(diǎn),4～9 分別對應(yīng)小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨6 種降雨工況下的應(yīng)力或應(yīng)變曲線,10 為自然無雨工況下的應(yīng)力或應(yīng)變曲線。

圖4 Ⅱ測線點(diǎn)水平應(yīng)力隨水平距離變化曲線Fig.4 Curves of horizontal stress change with horizontal distance at Ⅱ measuring line point

圖5 Ⅱ測線點(diǎn)垂直應(yīng)力隨水平距離變化曲線Fig.5 Curves of vertical stress change with horizontal distance at Ⅱ measuring line point

圖6 Ⅴ測線點(diǎn)水平應(yīng)力隨水平距離變化曲線Fig.6 Curves of horizontal stress change with horizontal distance at Ⅴ measuring line point

從圖4～圖7 綜合對比發(fā)現(xiàn),不同降雨工況下排土場淺層(Ⅱ測線點(diǎn))在水平距離488 m 左右即第二坡的坡腳水平應(yīng)力出現(xiàn)最大值,在水平距離414 m 和488 m 左右即第二坡的坡肩和坡腳出現(xiàn)2 個(gè)主要垂直應(yīng)力峰值,而且降雨工況等級(jí)越高,水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力越大,說明在此范圍內(nèi)易發(fā)生滑坡,特大暴雨時(shí)水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力較大,故特大暴雨時(shí)排土場邊坡相對更不穩(wěn)定。當(dāng)排土場坡面深度增加至20 m 時(shí)(Ⅴ測線點(diǎn)),不同降雨工況下排土場在水平距離414 m 左右即第二坡的坡肩開始隨著距離增加在多個(gè)坡肩處和坡腳處出現(xiàn)水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力峰值,在最下一個(gè)坡腳處水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力有增大的趨勢,因此第二坡坡肩易成為滑坡的入口處,最后一個(gè)坡腳位置易成為滑坡的出口處,形成第二坡坡肩向最下一個(gè)坡的深度滑坡,由于不同降雨工況對該測線點(diǎn)相應(yīng)的應(yīng)力變化影響不大,因此不同降雨工況不影響該滑坡規(guī)律,因此在深層(Ⅴ測線點(diǎn))不論任何降雨工況,都應(yīng)密切關(guān)注排土場從第二坡至最下一個(gè)坡的穩(wěn)定性情況。

圖7 Ⅴ測線點(diǎn)垂直應(yīng)力隨水平距離變化曲線Fig.7 Curves of vertical stress change with horizontal distance at Ⅴ measuring line point

對比圖8 和圖9 發(fā)現(xiàn),不同降雨工況下排土場淺層(Ⅱ測線點(diǎn))均是從水平距離414 m 左右開始垂直應(yīng)變出現(xiàn)明顯變化,降雨工況等級(jí)越高應(yīng)變越大,并且有2 次應(yīng)變急劇變化并達(dá)到波峰,分別位于第二個(gè)坡的坡肩處和坡腳處,當(dāng)排土場坡面深度增加至20 m 時(shí)(Ⅴ測線點(diǎn)),不同降雨工況下垂直應(yīng)變量相較于淺層垂直應(yīng)變量均會(huì)減少,且都只有1 個(gè)峰值,位于第二個(gè)坡的坡肩處,但應(yīng)變量也會(huì)隨著降雨工況等級(jí)增加而變大,說明不同降雨工況與排土場產(chǎn)生應(yīng)變位置的垂直應(yīng)變量成正相關(guān)性,每種降雨工況下排土場產(chǎn)生應(yīng)變位置的應(yīng)變量與深度均是成逆相關(guān)性,不同降雨工況均可能導(dǎo)致第二坡在坡肩和坡腳處發(fā)生淺層滑坡,坡肩為滑坡入口,坡腳為滑坡出口,但是特大暴雨更易造成排土場邊坡淺層滑坡。對于排土場邊坡20 m 深處時(shí),6 種不同降雨工況都只能造成第二坡的坡肩產(chǎn)生垂直應(yīng)變,且應(yīng)變量較小,因此相對更安全,發(fā)生深部滑坡的可能性較小。

圖8 Ⅱ測線點(diǎn)垂直應(yīng)變隨水平距離變化曲線Fig.8 Curves of vertical strain change with horizontal distance at Ⅱ measuring line point

圖9 Ⅴ測線點(diǎn)垂直應(yīng)變隨水平距離變化曲線Fig.9 Curves of vertical strain change with horizontal distance at Ⅴ measuring line point

2.2 不同降雨工況下排土場穩(wěn)定性分析

根據(jù)《GB 51119—2015 冶金礦山排土場設(shè)計(jì)規(guī)范》,采用M-P 法、Bishop 法和Spencer 法3 種極限平衡法對不同降雨工況下的排土場局部和整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算、分析。

2.2.1 小雨工況

在小雨工況下,用M-P 法、Bishop 法和Spencer法計(jì)算了排土場的安全系數(shù),結(jié)果如下:① 發(fā)生局部滑坡時(shí),計(jì)算所得安全系數(shù)均為1.14,在此工況下,3種穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果相同;② 發(fā)生整體滑坡時(shí),計(jì)算所得最大安全系數(shù)為2.05,最小安全系數(shù)為2.03,平均值為2.04。表2 和圖10 分別列出小雨工況的計(jì)算模型、結(jié)果和安全系數(shù)。

表2 小雨工況邊坡極限平衡法計(jì)算安全系數(shù)Table 2 Safety factors calculated by limit equilibrium method of slope under light rain condition

圖10 小雨工況邊坡極限平衡法計(jì)算模型及結(jié)果Fig.10 Calculation model and results of slope limit equilibrium method under light rain conditions

2.2.2 特大暴雨工況

在特大暴雨工況下,用M-P 法、Bishop 法和Spencer 法計(jì)算了邊坡的安全系數(shù),結(jié)果如下:① 發(fā)生局部滑坡時(shí),計(jì)算所得最大安全系數(shù)為0.90,最小安全系數(shù)為0.89,平均值為0.90;② 發(fā)生整體滑坡時(shí),計(jì)算所得最大安全系數(shù)為1.62,最小安全系數(shù)為1.61,平均值為1.61。圖11 和表3 分別列出特大暴雨工況的計(jì)算模型、結(jié)果和安全系數(shù)。

表3 特大暴雨工況邊坡極限平衡法計(jì)算安全系數(shù)Table 3 Safety factors calculated by limit equilibrium method of slope under extreme rainstorm condition

圖11 特大暴雨工況邊坡極限平衡法計(jì)算模型及結(jié)果Fig.11 Calculation model and results of slope limit equilibrium method under extreme rainstorm condition

為更好地反映排土場安全系數(shù)變化情況,將6 種降雨工況下計(jì)算得出的排土場安全系數(shù)數(shù)據(jù)繪于表4 中,并繪制成圖12,與《GB 51119—2015 冶金礦山排土場設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)降雨工況下排土場整體安全穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析(見表5)。

表4 安全系數(shù)計(jì)算匯總Table 4 Summary of safety factor calculation

表5 降雨工況下排土場安全穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Standard for safety and stability of waste dump under rainfall conditions

圖12 不同降雨工況局部和整體安全系數(shù)折線圖Fig.12 Partial and overall safety factor broken line diagram under different rainfall conditions

從計(jì)算結(jié)果可看出M-P 法、Bishop 法和Spencer法3 種方法的計(jì)算所得的安全系數(shù)相差不大,相對來說M-P 法的安全系數(shù)較小于Bishop 法與Spencer 法,這3 種方法的計(jì)算結(jié)果相互驗(yàn)證,較客觀地反映了排土場實(shí)際的穩(wěn)定性,同時(shí)可以看出隨著雨強(qiáng)的增大,這3 種計(jì)算方法所得的安全系數(shù)均呈逐漸減小的趨勢。

從小雨工況開始,排土場的局部安全系數(shù)就開始降低,排土場局部已不滿足安全穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn),有局部滑坡的可能性,因此降雨前就應(yīng)該采取有效措施防止排土場局部滑坡。從大雨工況開始到大暴雨工況階段,排土場局部安全系數(shù)降幅速度與整體安全系數(shù)降幅速度趨于一致。從大暴雨階段至特大暴雨階段排土場局部安全系數(shù)降幅減緩,與整體安全系數(shù)在該階段的降幅有所不同。

在任何降雨工況下,排土場整體安全系數(shù)都均滿足要求,不會(huì)發(fā)生整體滑坡。從小雨工況開始到大雨工況階段排土場整體穩(wěn)定性系數(shù)沒有太大變化,從暴雨工況開始排土場的整體安全系數(shù)有較為明顯下降,尤其是特大暴雨工況安全系數(shù)較暴雨和大暴雨工況安全系數(shù)下降較多,雖然此時(shí)排土場整體安全穩(wěn)定性系數(shù)仍然滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,但是從暴雨開始就應(yīng)該采取有效措施,防止排土場的安全性降低較多,提高排土場的整體安全穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

針對6 種不同降雨工況,通過數(shù)值模擬研究和極限平衡法評(píng)價(jià),可以得到如下結(jié)論:

(1)不同降雨工況對排土場邊坡體淺層產(chǎn)生不同應(yīng)力影響,降雨等級(jí)越高應(yīng)力變化越大,從而易產(chǎn)生局部滑坡破壞;但對于排土場邊坡體深層而言不同工況降雨對其應(yīng)力產(chǎn)生影響不大,主要是降雨的入滲沒有達(dá)到該深度,故不會(huì)產(chǎn)生大面積滑坡。

(2)不同降雨工況對排土場的淺層變形影響大,對深層影響小,但對于同一深度坡面,降雨工況等級(jí)越高,應(yīng)變量越大。

(3)同種降雨工況都是排土場的整體安全穩(wěn)定性大于局部穩(wěn)定性,總體變化規(guī)律是降雨工況等級(jí)越高,排土場的穩(wěn)定性越差。

(4)不同降雨工況,不應(yīng)單因素分析排土場的安全穩(wěn)定性,應(yīng)結(jié)合不同深度應(yīng)力、應(yīng)變情況和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)綜合考慮排土場的安全穩(wěn)定性情況。

(5)對局部不穩(wěn)定邊坡應(yīng)該采取必要的安全防護(hù)措施,避免其局部滑坡誘發(fā)坐落式滑坡破壞的風(fēng)險(xiǎn)。