某矿山废石堆边坡稳定性分析

焦文宇,周国军,陶雪芬

(1.长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012;2.湖南有色锡田矿业有限公司, 湖南茶陵县 412400)

某矿山废石堆边坡稳定性分析

焦文宇1,周国军2,陶雪芬1

(1.长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012;2.湖南有色锡田矿业有限公司, 湖南茶陵县 412400)

对某废石堆场工程地质条件进行了勘查,对堆场的岩土物理力学性质进行了研究,在此基础上,利用 Slid边坡分析软件,采用极限平衡法中的瑞典条分法、简化 Bishop法及简化 Janbu法对其边坡稳定性进行计算并分析,根据分析结果提出相应的治理措施。

废石堆;稳定性分析;极限平衡法;安全系数

0 引 言

湖南某锑矿位于东安、新宁 2县交界山区,废石堆场区属中低山～沟谷地貌类型,山体高厚,废石堆场平均堆积高度约为 21.50 m,左侧边坡坡度约40°～45°,右侧边坡坡度约 35°～40°,属高陡边坡 ,废石堆场碎石结构松散,边坡自稳性能较差,加上场区相对地势较高,且前缘无任何支挡结构,在特殊动力地质作用下,特别是暴雨作用下,可能造成废石堆场边坡失稳,引发泥石流地质灾害,进而对其下游工业场地、居民区产生巨大威胁。因此,亟需对该矿废石堆场进行稳定性分析和研究,为采取相应的治理措施提供参考依据。

1 废石堆场现状

废石堆场所在矿区地形属中～低山区,地形切割剧烈,以构造溶蚀地貌为主,切割深度大,多悬崖峭壁,“V”形谷发育,沟谷内有厚薄不等的冲洪积漂(或块)石、碎石及角砾覆盖沟底,两岸斜坡坡度多在 35°～45°。场区内植被发育,仅局部见有中、强风化基岩裸露。

该废石堆位于 +310 m中段平窿口前方西沟垭口内,为单台阶山坡废石堆场,自然堆积而成,呈扇形展布,坡顶较为平坦,边坡较陡,平均坡度约 40°。坡顶平均高程为 +305.0 m,坡底平均高程为 +283.4 m,坡顶至坡脚堆积水平距离 20.0～32.2 m,斜坡长度约 38.8 m。废石堆总长度约 150 m,见图1。

废石堆场地基岩层总体为一单斜构造,岩层产状较为稳定,基岩主要为黄褐色夹灰黑色的含碳硅质板岩,分布于整个工程区,具中～厚层状结构,局部薄～中层状结构,板状构造,岩石风化,节理裂隙较发育,岩石结构稍完整～较完整。场区内第四系残坡积层主要分布于山坡地段,层厚 0.30～0.50 m,第四系冲洪积层 (碎石土)主要分布于废石堆场前缘及冲沟沟底与两侧斜坡坡脚处,层厚 3.10～3.40 m,第四系人工素填土层分布于废石堆场前缘右侧,厚度 1.20～1.40 m,废石堆积层以碎石、角砾为主,局部为块石,不均匀,透水性强,堆积厚度约5～8 m。场地东部分布有 1条区域性断裂 F1断层(未穿过排土场),场区内无大的断层和断裂构造,潜在滑坡体为人工堆积物。

图1 废石堆平面

矿区属亚热带季风湿润气候区,雨量充沛,废石堆场区内无常年地表水流,地表水和地下水的排泄条件良好,场区水文地质条件属简单类型。

2 基岩及堆积物的物理力学性质

本次研究对废石堆场区域进行了专门的工程地质勘察工作,并分别采集了具有代表性的岩土试样进行室内物理力学试验,由此,获取了该区域的岩土物理力学性质资料,在此基础上,参考临近地区工程地质资料和类似矿山废石堆场物料组成及其力学性质资料,经综合分析后,给出了各地层物理力学参数 ,见表1。

表1 岩土层物理力学指标

3 边坡稳定性计算分析

3.1 废石堆边坡安全系数选取

根据工程经验,废石堆场边坡破坏模式通常为圆弧形破坏。另依据相关规范,废石堆边坡稳定性安全系数 Fs宜取 1.15～1.3,具体值应根据被保护对象的等级而定。通过现场调查,该废石堆下游约十几米处为矿山老尾矿库,下游约 190 m为村民居住区,废石堆如失事将对老尾矿库的排水系统造成损害,进而对其附近居民区、工业场地等带来威胁,因此,该废石堆的稳定性安全系数取值应不小于1.2。

3.2 计算方法

工程实践表明,极限平衡法计算简单,且分析边坡稳定性是比较可靠的。其主要思想是将边坡上的滑体进行条分,根据极限状态下滑体条受力和力矩的平衡来分析边坡的稳定性。极限平衡法的使用有以下 3个基本前提。

(1)滑动面上岩土的抗剪强度 s与作用在滑动面上的垂直应力σ应有如下关系:

式中,c,c′分别为滑动面的粘结力和有效粘结力;φ,φ′分别为滑动面的内摩擦角和有效内摩擦角;σ为滑动面的有效应力;u为滑动面孔隙水压。

(2)安全系数 Fs(稳定系数)定义为沿最危险破坏面作用的最大抗滑力 (或力矩)与下滑力 (或力矩)的比值,即 Fs=抗滑力 /下滑力。

(3)二维极限分析的基本单元是单位宽度的分块滑体。

本次计算采用目前在边坡稳定性分析中应用较为成熟的 Slid软件建立力学模型,分别采用瑞典条分法、简化 Bishop法及简化 Janbu法对该废石堆边坡稳定性进行计算,并比较分析。

3.3 几何模型及力学模型

通过现场调研,根据该废石堆的堆置特点,选定废石堆坡度较陡的 a-a′线工程地质纵断面作为边坡稳定性分析的典型剖面,如图2所示。

图2 废石堆场 a-a′线工程地质剖面

力学模型中材料本构关系采用摩尔 -库伦模型,模型左侧面限制水平方向运动,底面限制垂直方向运动,上部为自由面,滑弧运动由左至右。

3.4 计算结果分析

由于废石堆场边坡为人工堆积高边坡,排弃物内没有明显的破坏面存在,在分析废石堆的稳定性时,需要对多个可能的滑动面进行稳定性分析,从中寻找稳定系数最小者,进而确定最危险的滑动面。由于废石堆场堆料为散体结构,最易发生圆弧型滑坡。对各圆弧型滑动面采用简化 Bishop法进行搜索,确定其最危险滑动面,计算结果如图3所示。

图3 a-a’线原始地形边坡简化 Bishop法计算结果

根据表1所提供的各地层物理力学参数,采用瑞典条分法、简化 Bishop法和简化 Janbu法分别进行稳定性计算。3种方法计算的安全系数分别为1.137,1.024和 1.135,废石堆边坡在现状条件下安全系数均大于 1.0,但小于最小安全系数 1.2的限值,说明废石堆边坡存在不稳定因素,存在滑坡的可能性。根据实际情况,需对该废石堆边坡进行及时有效的治理。将边坡削坡至 30°、33°和 35°,分别建立计算模型,再用上述 3种方法进行计算分析,计算结果见表2。

表2 废石堆边坡削坡后计算结果

由表2可知,在边坡削坡至 30°时,3种方法计算得出的最小安全系数均大于 1.2,可达到矿山排土场的安全要求。

4 结 语

采用瑞典条分法、简化 Bishop法和简化 Janbu法分别对某废石堆边坡稳定性进行计算分析,3种方法的计算结果表明,该废石堆边坡在现状条件下未达到矿山排土场的安全要求,需对废石堆边坡进行治理。削坡是有效的措施,经计算,边坡坡度降至30°时,废石堆的稳定性可满足安全的要求。建议矿山在以后的生产中,制定合理的排石顺序,经常性的进行人工整治坡面,使废石堆边坡角不大于 30°,并加强监测,确保废石堆的安全。

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[2] 蔡美峰.岩石力学与工程[M].北京:科学出版社,2002:379～385.

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2010-08-24)

焦文宇 (1981-),男,硕士,主要从事矿山边坡、岩石力学及地压控制研究方面的工作,Email:wyjiao1001@163.com。