降雨入滲條件下大型排土場邊坡穩定性分析*

任軍,蔡君,陳良

(涼山礦業股份有限公司,四川 涼山彝族自治州 615000)

0 引言

露天開采是礦產資源開采的一種主要方法,我國露天開采鐵礦石產量約占鐵礦石總產量的77%,有色金屬占52%左右,化工礦物占70.7%左右,煤礦一直低于4%,而建筑材料近100%。排土場作為露天開采的基本工序之一,是礦山剝離廢石所堆砌的場所,常位于溝谷或山坡。受降雨或地表水的浸潤作用,排土場內土巖混合體的抗剪強度降低,易發生邊坡失穩破壞[1-3]。降雨量、降雨時長與降雨強度等對巖土邊坡的穩定性有顯著影響[4-5]。

目前,關于降雨入滲下排土場穩定性分析已經取得了一系列成果,朱永東等[6]通過室內相似材料試驗與數值模擬方法研究了降雨條件下排土場穩定性,揭示了降雨入滲下排土場淺層滑坡的破壞特征。洪振宇等[7-8]采用數值模擬方法研究了降雨及降雨-地震耦合工況下排土場的滲流特征與安全系數時變特征,對排土場的穩定性進行了評價。曹博等[9]在室內三軸蠕變試驗與地表沉降監測的基礎上確定了相應巖土體蠕變參數,結合數值模擬建立了排土場沉降蠕變理論模型。張文飛等[10]基于Biot固結理論構建了和尚橋鐵礦內排土場邊坡數值模型,研究分析了降雨強度及時長對邊坡孔隙水壓力的影響,確定了降雨入滲下滲流規律及穩定特征。田光等[11]分析了排土場地下水壓力分布對邊坡穩定性的影響機理,并借助數值模擬方法研究了不同孔隙水壓力分布下的排土場穩定性差異及安全系數變化規律。

基于此,本文以某大型排土場為工程背景,通過室內滲透試驗與土-巖散體直剪試驗獲取巖土堆積體滲透系數以及抗剪強度。借助有限元軟件,采用應力-滲流-邊坡耦合模擬分析該排土場邊坡在最大降雨量為360 mm/d,降雨時長分別為6 h、12 h、18 h與24 h條件下的滲流場分布規律及其穩定性,研究成果可為類似排土場的邊坡穩定性評價提供參考。

1 工程概況與等級劃分

1.1 工程概況

該礦山排土場位于露天采場西南側,目前排土區域占地面積約為0.81 km2。根據礦區資料可知,場區屬中山構造剝蝕地貌,斜坡地形,地勢相對較高,屬干旱-半干旱區,年平均降雨量為1314.4 mm,場區未見有地表水分布,雨季時可能形成暫時性流水,對場區有一定影響。降雨強度歷史最大值為12 h降雨量177 mm。區域目前地形呈斜坡狀,前緣坡腳高程為1340 m,后緣平臺高程約為2070 m,相對高差達730 m。排土場原始地形為斜坡,斜坡下方為沖溝,場地東北高西南低,原始地形坡度為15°～25°。排土場現堆積體四周界線較明顯,平面上呈“扇形”,排土場規模較大,屬于典型大型邊坡,如圖1所示。

圖1 排土場平面與剖面

1.2 等級劃分

根據《有色金屬礦山排土場設計標準》(GB 50421—2018)第3.3條有以下規定。

(1) 排土場等級分級應根據單個排土場總容積和堆置高度按照表1的規定劃分為4個等級。

表1 排土場等級分級

(2) 當排土場場區條件有下列情況之一時,排土場的等級應提高一級:

a.排土場地基原地面坡度大于24°;

b.排土場基底存在工程地質、水文地質不良地段。

(3) 剝離物有下列情況之一時,排土場的等級應確定為一級:

a.剝離物遇水軟化或剝離物含泥率大,排水不良,穩定性較差且具備形成泥石流的條件;

b.剝離物的溶出物具有危險、有害特性。

該排土場設計庫容約為10 675萬m3,排土場高度為735 m。目前堆置高度約為730 m,整體坡面角最大為27°。因此,確定該排土場等級為一級。

2 散體力學參數確定

本次主要開展了土-巖散體室內滲透試驗與直剪試驗。土-巖散體滲透系數由滲透試驗確定,該試驗以達西定律為理論依據,根據被測土樣的不同,分為常水頭和變水頭試驗,常水頭適用于粗粒土,變水頭適用于細粒土。該排土場土-巖散體為粗粒土,因此,本次室內滲透試驗采用常水頭試驗。

土-巖散體抗剪強度是指土-巖散體抵抗剪切破壞時的能力,是土-巖散體的重要力學性質之一。本次土-巖散體直剪試驗采用ZY50-5型直剪壓縮兩用儀。試驗時通過液壓泵對樣品施加不同的垂直壓力,并保持上剪切盒不動。隨后通過水平加荷支座拖動下剪切盒移動,進而對土-巖散體施加水平荷載,最終求得土-巖散體抗剪強度。

通過滲透試驗與直剪試驗測定,分別獲取了該大型排土場土-巖散體滲透系數、散體內摩擦角以及黏聚力,具體見表2。

表2 土-巖散體力學參數

3 數值模型構建

3.1 降雨工況

根據礦區資料可知,該地區屬亞熱帶干燥型盆地氣候,具有夏季長、氣溫日變化大、四季分明、氣候溫和、多風等特點。年平均氣溫為14.3℃,最高氣溫達35.7℃,最低氣溫為-3.8℃,年平均降雨量為1314.4 mm。雨量多集中在5～10 月,年蒸發量為1800～2300 mm,降雨強度歷史最大值為12 h降雨量177 mm?；诖?本次降雨工況設置最大降雨量為360 mm/d,降雨時長分別為6 h、12 h、18 h與24 h。

3.2 模型建立

根據圖1(b)中的典型剖面構建數值模型,如圖2所示,模型自上至下分別對應該排土場剖面的堆積體、強風化灰巖以及中等風化灰巖。模型共計3506個單元,3796個節點。

圖2 排土場數值模型

本次研究中采用固定約束邊界,固定模型左右兩側、底部x、y方向和z方向,模型上部邊界不固定,作為模型的降雨邊界。

3.3 力學參數

該大型排土場的土-巖散體力學參數由室內試驗及地質資料中獲取,見表2。

4 結果分析

4.1 孔隙水壓力分布

采用應力-滲流-邊坡耦合模擬分析可獲得不同降雨時長下排土場邊坡滲流場分布規律。由于篇幅限制,本文只展示了降雨0、12 h、24 h時段下排土場邊坡孔隙水壓力的分布特征,如圖3 所示。由圖3可知,孔隙水壓力隨邊坡深度呈線性分布。在降雨開始時,邊坡表層土體最先受到影響,土體負孔隙水壓力隨著降雨時長不斷增大,隨著降雨的繼續進行,直至24 h時,表層土體的孔隙水壓力由-680 kPa變化至-416 kPa。這是由于雨水不斷滲入土-巖散體孔隙中,改變了散體的孔隙水壓力,進而對排土場邊坡滲流場產生了較為明顯的影響。

圖3 孔隙水壓力分布特征

4.2 地下水位分布

降雨0、12 h、24 h時段下該排土場邊坡地下水位分布特征如圖4所示。由圖4可知,持續降雨在一定程度上改變了排土場邊坡內部滲流場,隨著降雨時長的增加,地下水位有隨之抬升的趨勢,而地下水位的抬升將對排土場邊坡穩定性產生不利影響。

圖4 地下水分布特征

4.3 安全系數變化特征

圖5 為降雨24 h 下的排土場邊坡滑面區域。由圖5可知,排土場邊坡在降雨入滲影響下,排土場滑面區域形態主要為圓弧滑動。除了局部區域有沿地基軟巖層滑動外,主要沿堆排體和基巖接觸面發生滑動,其滑動對象為堆積體與強風化巖層,尤其以堆積體為主。

圖5 排土場邊坡滑面區域

采用應力-滲流-邊坡耦合模擬分析可計算獲得不同降雨時長下排土場邊坡安全系數,在最大降雨量為360 mm/d,降雨時長分別為6 h、12 h、18 h與24 h條件下,該排土場邊坡安全系數時程變化如圖6所示。由圖6可知,降雨開始0～12 h內,安全系數下降較為明顯,這是由于雨水入滲至表層散體,引起散體抗剪強度降低,并且雨水的入滲使散體含水量增加,加大散體自重,導致邊坡穩定性降低。而后在12～24 h內,受到表層巖土體入滲速率的限制,滲入巖土體深部的雨水有限,將會繼續向深部緩慢滲透,因此,安全系數下降不明顯且已趨于緩和。

圖6 邊坡安全穩定性系數變化曲線

由前文可知,該排土場等級為一級,《有色金屬礦山排土場設計標準》(GB 50421—2018)第7.4條有以下規定。

(1) 安全穩定性標準應根據排土場等級和計算工況確定。

(2) 自然工況條件下,排土場整體安全穩定性標準應符合表3的規定。計算安全系數不應小于表3中規定的數值。

表3 排土場整體安全性標準

(3) 排土場整體安全穩定性應校核降雨工況。降雨工況下,排土場整體安全穩定性標準可在表3規定的基礎上降低0.05,最低安全系數不得低于1.10。

因此,在降雨入滲下其安全系數大于1.20時,可認為處于穩定狀態。由數值模擬結果獲取到的安全系數變化可知,在最大降雨量為360 mm/d,降雨時長為24 h以下時,該排土場邊坡安全系數均小于1.20,表明該大型排土場在該降雨工況下處于不穩定狀態。

5 結論

(1) 降雨入滲下,土體負孔隙水壓力隨著降雨時長不斷增大,持續降雨對排土場邊坡滲流場產生了較為明顯的影響。

(2) 隨著降雨時長的增加,地下水位不斷上升,同時降雨增加了巖土體自重,降低了土-巖散體的抗剪強度,最終導致排土場邊坡穩定性降低。

(3) 該排土場屬于一級排土場,在最大降雨量為360 mm/d,降雨時長為24 h以下,該排土場邊坡將處于不穩定狀態。