排土场物料抗剪强度参数反演分析应用研究

2014-03-04王新岩周汉民

中国矿业 2014年1期

王新岩，周汉民，崔旋，苏军

（北京矿冶研究总院，北京102600）

目前全国有5万多座露天矿［1］，而排土场对一个大型矿山可达数亿立方米，堆置高度可达200多米。一旦发生滑坡、泥石流等灾害将给人民生命财产安全造成重大损失。排土场是露天矿山开采时表层剥离废石堆积而成的人工边坡，因此其具备了区别于一般土质边坡的特征：采用自上而下的排废过程使堆积物料粒度具明显的分选性。其总体规律表现为：其粒径块度由上而下逐渐增大，总的趋向是小块集中在上部，大块在下部，中间部分各种块度参差不齐，但以中等块度居多在排土场稳定性分析过程中，排土场堆积体的强度参数是边坡稳定性计算分析中一个至关重要的因素，而不同的粒径组成是散体材料强度参数的主要影响因素。正是由于排土场的这一特性使得排土场散体强度参数的合理取值成为了困扰岩土工程界的难题。

为合理确定排土场物料参数，广大科技工作者、工程技术人员进行了大量的研究［2－4］。翁厚洋等对粗粒料缩尺效应研究后指出［5］：由于缩尺后试料级配与原级配不同，导致不同缩尺方法缩尺后的试料级配和密度也不同。所以，即使试验条件相同，也会使试验结果出现较大差异。王永博等［6－7］研究了某排土场大规模滑坡的原因和破坏模式，对滑带土的力学参数进行了反演分析并进行了有限元计算，结果表明：该排土场处于暂时稳定阶段。反演计算以排土场的现场观测信息为基础，反算排土场物料物理力学参数，为计算排土场物料物理力学参数提供了有效手段。基于以往研究的基础上，本文以某矿山排土场所存在的一个现状临界滑坡体为依托，采用参数反演方法验算该矿山排土场物料综合抗剪强度，从而为其边坡稳定性提供准确的计算参数。

1 工程背景

某矿山排土场位于广东省境内，地形属岭南中低山地，海拔标高300.00～1020.41m，山系呈南北走向，北高南低。排土采用汽车运输，推土机排弃，单台阶排弃，排土高度约257m，属于典型的山坡型高台阶排土场。其中，人工填土由采矿区废石夹砾质粉土和含砾粉质粘土组成，结构松散，渗透系数高。场区属潮湿多雨亚热带气候，地表水系发育，具山间溪河特点，水量变化幅度大。在降雨因素诱发下顶端前缘出现沿纵线基本贯通的裂缝，裂缝带宽在几厘米至十几厘米不等，如图1，该边坡处于临界状态，亟待开展相关研究及治理措施。本文以此临界失稳状态滑坡体为依托，反演分析计算排土物料综合参数，为后续展开治理工作提供依据。物料分区自上而下依次为：排土物料、冲积层和基岩，物理力学参数如表1所示。

表1 计算基本参数

图1 排土场裂缝

2 参数反演分析方法

2.1 反演状态的确定

反演状态的确定［9］与形成该状态的荷载条件、计算边界及稳定评价指标等有关。滑坡周边无地表水系，滑坡内地下水主要由后缘基岩裂隙水及降水补给。由于土体内裂隙极其发育，结构破碎程度很高，透水性很强，大气降雨相当一部分将直接渗入第四系松散层，滑体内地下水位的升高将增大滑体的下滑力、降低土体的抗剪强度，进而诱发滑坡，因此，可以认为，如滑坡区遭遇长久降雨过程，会使滑坡体内地下水位升高，使滑坡处于复活状态。本文以此状态作为反演分析的计算状态，选取临界状态剖面建立计算模型如图2。

图2 计算基本模型

依据现场调研结果：该矿山排土场边坡后部有明显的沿横向贯通的裂缝，且裂缝宽度较宽，但边坡尚未出现较大规模的位移变化；参照专著《滑坡分析与防治》中各类型滑坡在不同发育阶段的安全系数推荐值（见表2），可得：该排土场正处于蠕动挤压状态，边坡稳定系数约为1.01～1.05，为偏于安全考虑，反演分析计算过程中的安全系数取为1.00。

表2 滑坡不同发育阶段的稳定系数

2.2 反演的基本路线

边坡反演就是先根据确定的边界条件和特定工况状态下的稳定状态评估指标建立数学模型，然后利用此模型反演边坡土体的计算参数c，φ值。本文基于刚体极限平衡法的排土场边坡抗剪参数反演分析步骤可概括如下。①通过对某矿山排土场边坡临界失稳状态进行评判，确定该边坡的稳定系数为1.00，从而建立了反分析的基本模型。②基于SEEP软件确定该矿山排土场的饱和非饱和渗流场。③在饱和非饱和渗流场的基础上，利用基本模型，基于SLOPE软件并对边坡潜在滑动面值不断变化条件下的安全系数进行计算。假定为边坡潜在滑动面勘察资料推荐粘聚力最小值，为边坡潜在滑动面勘察资料推荐最大值，则潜在滑动面凝聚力值在C＝（10，40）kPa之间取值。与之相似，潜在滑动面内摩擦角值则在φ＝（20°，40°）之间取值。④求出在二维空间中的每一个所对应的安全系数，并作出曲线。将分析边坡稳定性状态所确定的安全系数作为纵坐标画水平线，水平线与曲线的交点所对应的即为该剖面滑带上抗剪强度参数可能值。

3 参数反演计算分析

本文中参数反演工作主要借助GEOSTUDIO软件来实现。首先，基于SEEP软件计算该排土场因降雨导致地下水位抬升的边坡渗流场，并在此基础上利用SLOPE软件中多次重复计算现状排土场边坡的安全系数，从中选取边坡安全系数为1.00的算例并结合工程实际状况进行对比分析，从中选出反演参数最优解。排土物料参数反演范围为：C值范围为（10，40）kPa，φ值范围为（20°，40°）。

依照确定的反演路线，计算各个内摩擦角及粘聚力组合所对应的的边坡安全系数，汇总如图3～图5所示。

图3 安全系数小于1.0的参数组合

图4 安全系数大于1.0的参数组合

图5 不同内摩擦角与粘聚力变化时的安全系数（φ＝30～35°）

从图3、图4中可以看出：当φ≤29°时，在给定范围内的粘聚力变动，排土场边坡安全系数均远小于1.0；当φ≥36°时，给定范围内的粘聚力变动，排土场边坡安全系数则远大于1.0，均不满足边坡现状工况；在某矿山排土场现状堆积情况下（坡度、堆载高度），原先确定的内摩擦角反演范围（20°，40°）较大，可进一步确定缩小至［30°，35°］之间。

图5为内摩擦角缩小区间内［30°，35°］，单个内摩擦角下对应于不同粘聚力变化情况下时的边坡安全系数变化曲线。结合图分析可得：①随着粘聚力的增大，边坡安全系数呈缓慢增大的趋势；②由Morgenstern－price、Ordinary、Bishop等多种方法所计算出的边坡安全系数变化规律一致，且数值相差不大；③同Morgenstern－price相比，由Janbu法计算出的边坡安全系数偏小，其原因在于力的平衡条件对条间剪力敏感，而简化Janbu法忽略了土条间的剪力；由Bishop法计算出的边坡安全系数相比Morgenstern－price法来言则略微偏大，其原因则在于Bishop法仅考虑了力矩的平衡，而力矩安全系数对条间力则并不敏感。