王 濤 賈洪彪* 李 超

(中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

超高排土場的本體穩(wěn)定性敏感分析

王 濤 賈洪彪* 李 超

(中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

結(jié)合跑馬嶺排土場的工程地質(zhì)條件，建立了該排土場的三維整體模型，采用正交設(shè)計和方差分析研究了影響超高排土場本體失穩(wěn)的各因素敏感性，得出的結(jié)論對排土場的建設(shè)具有很強的實踐意義。

超高排土場，穩(wěn)定性，本體滑坡，影響因素

目前，我國現(xiàn)有各類大型排土場幾萬座，露天礦排土場用地約占礦山總用地的30%～50%[1]，其常見的地質(zhì)災(zāi)害問題是滑坡和泥石流。由于露天排土場堆積量是礦山追求的經(jīng)濟目標之一，同時隨著排土場堆積量的增加，滑坡和泥石流的威脅隨之增大，因此排土場安全與經(jīng)濟之間存在矛盾。

許多學者參照土質(zhì)邊坡或者土石壩，利用不同研究方法，對地域性排土場的邊坡穩(wěn)定性進行了分析研究[2-7]。目前，關(guān)于排土場邊坡的敏感性分析較少，尤其是對于超高排土場的邊坡研究較少。

1 跑馬嶺排土場整體分析

1.1 工程地質(zhì)條件及現(xiàn)狀

跑馬嶺排土場是某鐵礦一大型排土場，從地形條件上分析比較適宜做排土場。從環(huán)境影響而言，下游有村莊和工廠，并有公路通過。該排土場典型剖面如圖1所示。該排土場的安全使用對整個礦區(qū)至為關(guān)鍵。

在對排土場進行實地勘察時發(fā)現(xiàn)，在坡頂位置已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)條大小、長短不一的裂縫，坡面也有明顯的鼓出。初步分析這些裂縫的產(chǎn)生是由于廢渣堆排后，固結(jié)過程中不均勻沉降產(chǎn)生的，雖然裂縫發(fā)育相對較新，但是受到暴雨或者其他外力作用時，極有可能出現(xiàn)本體失穩(wěn)。

通過現(xiàn)場試驗及室內(nèi)試驗分析得排土場各地層的強度參數(shù)，見表1。

表1 排土場各層物理力學參數(shù)

1.2 模擬分析

首先建立跑馬嶺排土場的地質(zhì)模擬模型，進行網(wǎng)格劃分，根據(jù)工程地質(zhì)條件，輸入地質(zhì)參數(shù)及邊界條件等。模擬天然工況下其狀態(tài)，并采用強度折減法，得到其整體穩(wěn)定系數(shù)為1.54。從模擬結(jié)果可以看出，排土場的自堆排至穩(wěn)定階段，其最大位移出現(xiàn)在排土場坡頂處，下沉量自坡頂至坡腳逐漸減?。慌磐翀錾Ⅲw內(nèi)三軸方向的應(yīng)力值都隨深度增大，破壞區(qū)范圍很小，說明排土場在天然狀態(tài)下整體是穩(wěn)定的。

排土場邊坡的淺層穩(wěn)定性相對較差，易于出現(xiàn)開裂破壞以及剪切破壞，甚至于滑坡。而沿排土場與基底接觸面以及基底內(nèi)部位移較小，多以蠕變變形為主，也就是說排土場整體是相對穩(wěn)定的。

2 影響排土場本體穩(wěn)定性因素分析

通過前期對該排土場整體穩(wěn)定性的分析以及評價得出：該排土場出現(xiàn)沿面滑坡或基礎(chǔ)滑坡的可能性較小；有可能出現(xiàn)本體滑坡。因此，分析影響排土場本體滑坡因素的敏感性。

2.1 影響因素敏感性試驗設(shè)計及模擬

在不影響計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，為了計算上的簡便將排土場的邊坡進行簡化，選取排土場前緣范圍區(qū)域，建立簡化三維模型，見圖2。

其次，根據(jù)前期的研究以及跑馬嶺排土場的工程地質(zhì)條件，在綜合分析后得出影響其本體滑坡的因素：散體的力學性質(zhì)、邊坡角、顆粒分級程度以及邊坡高度。依據(jù)該排土場試驗和研究的成果，同時結(jié)合工程地質(zhì)經(jīng)驗類比綜合以及參照文獻，對該排土場進行分層設(shè)置物理力學參數(shù)，使其符合實際情況，進而體現(xiàn)排土場的顆粒分級情況，參數(shù)詳細設(shè)置見表2。

表2 排土場組合土體力學參數(shù)

根據(jù)影響該排土場本體滑坡的主要因素，本文選取散體的力學性質(zhì)、土層水平劃分(代表顆粒分級程度)、坡角和坡高四種因素進行敏感性分析，試驗指標為穩(wěn)定性系數(shù)Fos。各因素取值范圍按一般工程經(jīng)驗和前期試驗分析結(jié)果確定，并將其量化為4個水平，見表3。

表3 因素水平表

選取正交表時，不考慮這4種因素間的交互作用，且預留空列作為誤差列，即設(shè)計5因素4水平試驗，選取L16(45)正交表。根據(jù)正交表設(shè)計方案以及前期對排土場本體滑坡研究，利用有限元強度折減法求得最危險滑面及相應(yīng)的安全系數(shù)Fos，設(shè)計方案及計算結(jié)果見表4。

表4 正交試驗設(shè)計方案及計算結(jié)果

2.2 試驗結(jié)果分析

首先從計算過程及結(jié)果來看，排土場邊坡發(fā)生破壞的地方主要是排土場本體，這與本試驗初始設(shè)定的條件一致，說明本試驗設(shè)計符合實際。

如表4所示，對正交試驗試驗結(jié)果進行分析。設(shè)定不考慮各因素間的相互影響作用，則正交表L16(45)各列的自由度均為3，空列為誤差列，自由度亦為3。根據(jù)相關(guān)公式計算出各列偏差平方和、自由度、方差及F值。在正交試驗中進行顯著性檢驗之前，先把各因素及交互作用的方差(MS因)與誤差項方差(MSe)進行比較，當MS因≤2MSe時，將此因素的平方和歸入誤差平方和，其自由度歸入誤差項自由度，使誤差項自由度增大，提高了F檢驗靈敏度。根據(jù)此原則，判斷因素B的偏差平方和較小，并入誤差的偏差平方和及自由度，并認為土層分層因素對排土場邊坡穩(wěn)定性無顯著影響。

查F分布表可得知:F1-0.1(3,6)=3.29；F1-0.05(3,6)=4.76；

F1-0.01(3,6)=9.78。根據(jù)已經(jīng)給出的顯著性水平分級方法，將4種因素對本體滑坡影響的顯著性水平進行分級，方差分析結(jié)果詳見表5。

表5 方差分析結(jié)果

由方差分析結(jié)果可以得出結(jié)論：

通過方差分析結(jié)果表5中各因素平均偏差平方和的大小順序，可以看出4種因素的敏感性由大到小依次為坡角、散體的力學性質(zhì)、坡高、土層分布的劃分。我們可以看出，排土場散體的力學性質(zhì)、坡角及坡高在排土場本體穩(wěn)定性中的重要位置，尤其是坡角對邊坡自身穩(wěn)定性起著決定性的作用。

3 結(jié)語

本文建立跑馬嶺排土場整體的三維模型，分析了排土場邊坡的穩(wěn)定性，并分析了影響超高排土場本體滑坡的各因素敏感性。通過分析結(jié)果得出：1)該排土場在自然工況下整體穩(wěn)定性良好，局部可能會出現(xiàn)小滑坡。即該排土場出現(xiàn)沿面滑坡或基礎(chǔ)滑坡的可能性較小，可能會存在本體滑坡。2)散體的力學性質(zhì)、坡角對排土場邊坡穩(wěn)定性影響特別顯著，坡高對排土場邊坡穩(wěn)定性影響顯著，而散體土層分布的劃分范圍對排土場邊坡穩(wěn)定性基本無影響。對于復雜超高排土場，細致分析排土場內(nèi)部應(yīng)力分布、變形破壞的特征，更好評價排土場穩(wěn)定性，找到影響山區(qū)排土場穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素及其次要因素，并對指導排土場的建設(shè)具有很強的實踐意義。

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Sensitive analysis of factors affecting super-high waste dump stability of itself

Wang Tao Jia Hongbiao* Li Chao

(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074，China)

Combining the engineering geological condition of Paomaling waste dump, established the 3D mode of the whole dump, the effects on the sensitivity of the unstable super-high waste dump itself is studied by using the orthogonal design and variance analysis, the conclusion had strong practical significance for the construction of dump.

super-high waste dump， stability， body landslide， influencing factors

2015-01-08

王 濤(1989- )，男，在讀碩士； 李 超(1990- )，男，在讀碩士

賈洪彪(1969- )，男，教授

1009-6825(2015)08-0075-02

P642.2

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