張利軍 母?jìng)鱾?何方維

(1.哈爾濱市第二建筑工程公司;2.中冶沈勘秦皇島工程技術(shù)有限公司)

基于強(qiáng)度折減有限元法的排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

張利軍1母?jìng)鱾?何方維2

(1.哈爾濱市第二建筑工程公司;2.中冶沈勘秦皇島工程技術(shù)有限公司)

排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性是影響礦山安全生產(chǎn)的重要因素之一。為了給排土場(chǎng)安全生產(chǎn)提供可靠的理論依據(jù)，選擇排土場(chǎng)邊坡典型剖面建立數(shù)值模型，用Ansys強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡變形破壞機(jī)制及演變進(jìn)行數(shù)值模擬，繪制邊坡數(shù)值模型塑性應(yīng)變?cè)茍D。通過不斷變化模型的折減系數(shù)求解安全系數(shù)，并對(duì)不同條件下的位移、應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行比較分析。最終計(jì)算出排土場(chǎng)邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)值大于規(guī)范規(guī)定的最高安全系數(shù)，滿足排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定要求，模擬分析結(jié)果符合工程實(shí)際。

強(qiáng)度折減有限元法 排土場(chǎng) 邊坡穩(wěn)定性 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

排土場(chǎng)是露天礦山的重要組成部分，其邊坡穩(wěn)定性直接關(guān)系到露天礦山生產(chǎn)安全。排土場(chǎng)邊坡一旦失穩(wěn)滑坡，不僅給礦山帶來重大經(jīng)濟(jì)損失，還可能造成人身傷亡事故。排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定問題一直是礦山一項(xiàng)重要研究課題。

某擬建排土場(chǎng)位于承德市北部一條溝谷中，屬于典型山谷型排土場(chǎng)，原始地貌屬構(gòu)造剝蝕中低山地貌，場(chǎng)區(qū)下游約120 m處為省級(jí)公路。排土場(chǎng)設(shè)計(jì)年排放量為200萬t/a；堆置高度為118 m，設(shè)計(jì)級(jí)別為二等；堆棄物混合體平均自然安息角為34°，設(shè)計(jì)最大排土標(biāo)高為720 m，最大面積約11.6萬m2，設(shè)計(jì)堆存量880萬m3，服務(wù)年限為5 a；采用汽車運(yùn)輸、推土機(jī)配合的排土工藝，多臺(tái)階覆蓋式堆排作業(yè)；排土場(chǎng)正常工作平臺(tái)寬30 m。采用強(qiáng)度折減有限元法對(duì)排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行極值模擬分析，為排土場(chǎng)安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

在大地構(gòu)造上，排土場(chǎng)所在地區(qū)位于2條深斷裂之間；在空間位置上，該區(qū)處于燕山臺(tái)褶帶的北邊緣；在沉積層位上，有早侏羅世含煤建造和中性火山巖建造，又有早白堊世含油頁巖建造及火山巖建造。區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)不劇烈。場(chǎng)區(qū)周圍山體屬構(gòu)造剝蝕中低山地貌，周圍山坡較陡，場(chǎng)區(qū)及其附近無大的褶皺構(gòu)造和斷層通過。

排土場(chǎng)場(chǎng)區(qū)地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)：①層塊石,由廢石和風(fēng)化片麻巖組成，為人工堆積物;②層尾粉砂,主要為長(zhǎng)石、石英、云母,為人工堆積物;③層黃土，由粉土和粉質(zhì)黏土組成，多孔隙，遇水具有濕陷性,工程性質(zhì)較差；④層含黏性土碎石，母巖為中風(fēng)化花崗片麻巖，充填物主要為粉土和混粒砂，厚0.7～2.3 m;⑤層強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，巖體破碎，質(zhì)量等級(jí)屬Ⅴ類，工程性質(zhì)良好，遇水軟化，分布連續(xù)，厚度不均勻。

1.2 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地地下水不豐富，由于溝底第四系覆蓋層較薄，地下水主要為基巖裂隙水。場(chǎng)地上游范圍內(nèi)無地表徑流補(bǔ)給，地下水的補(bǔ)給來源主要為季節(jié)性大氣降水入滲，因溝底表層多為基巖出露，滲透系數(shù)相對(duì)較小，大氣降水多以地表徑流的方式向排土場(chǎng)下游排泄。

參照類似排土場(chǎng)場(chǎng)區(qū)巖土層材料的滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，該排土場(chǎng)場(chǎng)區(qū)各巖土層的滲透系數(shù)建議值列于表1。

表1 排土場(chǎng)場(chǎng)區(qū)各巖土層滲透系數(shù)建議值

1.3 場(chǎng)地地震效應(yīng)及穩(wěn)定性

該排土場(chǎng)位于抗震設(shè)防烈度6度區(qū)，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05 g，所屬的設(shè)計(jì)地震分組為第三組。根據(jù)場(chǎng)地土質(zhì)和地下水埋藏條件，擬建場(chǎng)地不存在飽和砂土或飽和粉土可液化土層。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和本地區(qū)歷史地震資料，通過工程地質(zhì)調(diào)查及相似工程類比，擬建場(chǎng)地及其附近無活動(dòng)性斷裂構(gòu)造或活動(dòng)斷層通過，新生代以來特別是晚近地質(zhì)時(shí)期，沒有發(fā)生過大的地震活動(dòng)，其場(chǎng)地的穩(wěn)定性主要受環(huán)境地震的影響，至今未發(fā)現(xiàn)異?；顒?dòng)。場(chǎng)區(qū)周圍山體植被發(fā)育，場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)原始土層無液化土存在，無崩塌和巖溶等不良地質(zhì)作用存在。

綜合以上情況分析，擬建排土場(chǎng)場(chǎng)地山體是穩(wěn)定的，場(chǎng)區(qū)所在場(chǎng)地是穩(wěn)定的。

2 排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性模擬分析

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

有限元分析法是分析排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的一種有效方法，一般采用強(qiáng)度折減有限元分析法[1]。依據(jù)工程地質(zhì)勘察所提供的數(shù)據(jù)資料，首先針對(duì)排土場(chǎng)所在位置進(jìn)行地質(zhì)條件分析，確保場(chǎng)地的穩(wěn)定性，這是保證排土場(chǎng)整體穩(wěn)定的前提；選擇能夠反映排土場(chǎng)邊坡實(shí)際情況的典型剖面建立數(shù)值模型；結(jié)合有限元理論，用Ansys強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡變形破壞機(jī)制及演變進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究排土場(chǎng)邊坡的位移和內(nèi)力變化；計(jì)算出排土場(chǎng)邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，跟排土場(chǎng)規(guī)范規(guī)定的最高安全系數(shù)相比較，來驗(yàn)證排土場(chǎng)邊坡是否滿足穩(wěn)定要求[2-3]。這種方法不受排土場(chǎng)邊坡形狀和堆排料均勻程度的限制，可以更真實(shí)反映邊坡體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

2.2 排土場(chǎng)基底承載能力計(jì)算

根據(jù)該排土場(chǎng)場(chǎng)地穩(wěn)定性分析，排土場(chǎng)基底較為穩(wěn)定。排土場(chǎng)排棄物和基底巖土物理力學(xué)參數(shù)見表2。

動(dòng)態(tài)范圍指的是畫面中最暗（1）和最亮（2）部分的亮度差距。不同相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍并不相同，不過總的來說，因?yàn)橄袼爻叽绺?，所以全畫幅相機(jī)通常擁有更高的動(dòng)態(tài)范圍。一張照片的直方圖（如右圖所示）占據(jù)越多的橫軸空間（3），這張照片的動(dòng)態(tài)范圍也就越高。

表2 排土場(chǎng)排棄物和基底巖土物理力學(xué)參數(shù)

在排土初期，基底巖土開始被壓實(shí)，當(dāng)堆置到一定高度時(shí)，基底被壓實(shí)到最大的承載能力，但尚未到達(dá)極限狀態(tài)，排土場(chǎng)基底最大承載能力允許堆置高度為

(1)

式中，H1為排土場(chǎng)高度，m；C為基底巖土黏聚力，巖土綜合分析為4×104Pa；φ為內(nèi)摩擦角，取40°；ρ為排土場(chǎng)物料的密度，由平均取樣為2.25 t/m3。

計(jì)算得出排土場(chǎng)基底最大承載能力允許堆置高度為20.8 m。

該排土場(chǎng)第一層堆筑高度為18 m，小于上述計(jì)算值，地基處于最大承載能力之內(nèi)，基底穩(wěn)定可靠。

隨著排土作業(yè)的進(jìn)行，當(dāng)基底處于極限狀態(tài)，失去承載能力，產(chǎn)生塑性變形和位移時(shí)，計(jì)算排土場(chǎng)極限高度為

(2)

式中，H2為排土場(chǎng)極限高度，m；其他參數(shù)意義同上。

計(jì)算得出排土場(chǎng)基底極限承載能力允許堆置高度為200 m。

設(shè)計(jì)排土場(chǎng)最終堆積高度118 m，排土場(chǎng)基底承載能力及臺(tái)階極限高度滿足安全生產(chǎn)需要。排土場(chǎng)在相鄰臺(tái)階之間留設(shè)安全平臺(tái)，減小排土場(chǎng)總體邊坡角，使排土場(chǎng)總體邊坡角小于自然安息角，增加了排土場(chǎng)的穩(wěn)定性。

2.3 排土場(chǎng)邊坡有限元計(jì)算模型

圖1 排土場(chǎng)邊坡典型剖面二維數(shù)值模型

2.4 模擬結(jié)果分析

邊坡典型剖面的塑性應(yīng)變?cè)茍D見圖2。

由圖2可知，邊坡變形隨折減系數(shù)F的增大而變大，當(dāng)F=1.34時(shí)，解不收斂，此時(shí)邊坡破壞面近似圓弧形(圖2(a))，并在此處的坡面上出現(xiàn)了局部的應(yīng)力集中，說明此時(shí)邊坡已經(jīng)不安全，是邊坡的危險(xiǎn)區(qū)段。當(dāng)F=1.35時(shí)，邊坡內(nèi)塑

圖2 邊坡模型塑性應(yīng)變?cè)茍D

性應(yīng)變?cè)谂艞壩飳觾?nèi)自坡底向坡頂貫通(圖2(b))，表明邊坡已經(jīng)破壞，滿足了邊坡的失穩(wěn)判據(jù)。

因此，該邊坡的安全系數(shù)Fs=1.34。參照《有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，該排土場(chǎng)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)(1.1～1.3)，滿足穩(wěn)定要求。

3 結(jié) 論

通過強(qiáng)度折減有限元分析法驗(yàn)證排土場(chǎng)邊坡是否滿足穩(wěn)定要求，得到的結(jié)果符合工程實(shí)際，這種方法計(jì)算分析排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性是可行的、可信的，為礦山排土場(chǎng)安全生產(chǎn)提供可靠的理論依據(jù)。

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2015-03-30)

張利軍(1974—)，男，高級(jí)工程師，150076 黑龍江省哈爾濱市。