路堤设计及帮坡稳定性分析

周晓超，周 铭，吕林洪

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051)

0 引 言

铜街-曼家寨矿段露天采场南部出口处东西帮边坡目前已产生滑移，使得东西帮道路及大坪选厂存在安全隐患，严重影响了人员作业安全和矿山经济效益。鉴于此，为解决南部出口帮坡滑移以及选厂运输问题，设计在南部出口堆置路堤进行帮坡压脚并实现原矿运输效益最大化。因此，为确保设计路堤帮坡参数合理、路堤安全稳定，通过对极限平衡和数值仿真模拟角度借助Slide和Flac2D进行了路堤边坡稳定性的综合分析、相互校核验证比较，确保设计目标的实现，以期为露天采场路堤的设计与施工提供可靠的设计参数和依据。

1 工程概况

铜街-曼家寨矿段露天采场南部出口处东西帮由于受F0、F1断层影响加之工程地质、水文地质条件复杂，东西帮帮坡出现滑移，已影响到了露天采场南部出口、东西帮道路及大坪选厂原矿堆场的安全，为解决露天采场南部出口帮坡滑移安全隐患，同时兼顾解决大坪选矿厂原矿运输距离远、道路运行条件差、运量有限等问题，拟在铜街-曼家寨矿段露天采场南部出口堆置路堤，该路堤兼具东西帮帮坡压脚及原矿运输道路功能，路堤横断面为梯形断面，下底堆置宽度约480 m、标高890 m、路堤顶宽31 m、堆置高度100 m，路堤南帮设置4个台阶，北帮设置5个台阶，南北帮台阶坡面角均为30°，南帮 (外坡)帮坡角19°，北帮(内坡)帮坡角21°，路堤总土石方量263．91万 m3(其中填方262．35万m3，挖方1．56万 m3);路堤最低堆置标高890 m，路堤北西面为铜街-曼家寨矿段露天采场(正在生产)，北东面、东南面为铜街-曼家寨矿段露天采场排废运输道路，西面为大坪选矿厂，西南面为大坪选矿厂配套万龙山尾矿库(距离路堤坡脚最近距离约180 m);路堤由下至上分层填筑，下部压实度不小于80%，上部(8 m)范围内压实度不小于93%。

根据《GB 50011-2001建筑抗震设计规范》附录A的规定，该工程抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0．05 g，地震分组为第一组，进行了堤坝边坡稳定性验算，天然状态下具体岩土层力学参数见表1。该分析选择沿沟谷方向最易发生滑坡失稳的剖面I-I作为边坡稳定性分析的基础，路堤平面布置及帮坡稳定性验算剖面见图1。

表1 岩土层物理力学参数表Tab.1 Physical-mechanics parameters of rock and soil layer

图1 路堤平面及边坡稳定验算剖面Fig.1 Cross section of stability checking calculation of embankment plane and slope

2 Slide边坡稳定性分析

2.1 基本理论

极限平衡分析方法是依托静力平衡原理，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［1］。该方法未考虑岩土体应力-应变性质，所求的安全系数只是反映假定滑面的指标，并不能反映岩土体破坏机理，仅为一种综合近似解，但力学模型简单，有系统规范指导［2］。

Slide软件是由加拿大Rocscience开发的边坡稳定性计算软件(2D limit equilibrium slope stability for soil and rock slopes)。Slide软件是一个二维的评价土体和岩石边坡中圆弧和非圆弧滑动面状况的计算程序软件，已广泛应用于露天矿山边坡、公路边坡和堤坝等的稳定性计算与分析［3］。因此，该设计采用基于极限平衡理论的边坡稳定计算软件Slide对铜曼露天采场内堤坝边坡建立了仿真建模与系统计算和分析。

2.2 排土场2D仿真模型建立

根据矿山提供的地勘资料，运用Slide建立2D模型见图2。

图2 路堤帮坡稳定性分析2D模型Fig.2 2D model of stability analysis for embankment slope

2.3 Slide边坡稳定性计算结果与分析

该设计考虑天然、天然地震、降雨、降雨地震4种工况，利用Slide软件对建立的模型进行计算，得到最危险滑动面的安全系数。该验算考虑TR100卡车一辆满载荷和一辆空车作用于路堤同一横断面边坡4种不同工况下的稳定状态，所得路堤边坡不同工况、验算方法下安全系数见表2。

鉴于篇幅所限，该文只列出了降雨地震工况下MP法的路堤边坡稳定性分析结果，见图3、图4。

由Slide极限平衡计算结果可知，当TR100一辆满载和一辆空车作用于路堤同一横断面时，在天然、天然地震和降雨、降雨地震4种不同工况下计算云图滑移面和安全系数［FS］＞1．15，处于稳定状态。结合图3、图4得出，路堤北部帮坡最危险滑移面发生在边坡内部而南部帮坡发生在坡顶。但安全系数Morgenstern-Price法较Bishop法、Spencer法都偏小，这主要是因为Morgenstern-Price法为严格条分法，满足水平、垂直方向的力和力矩的平衡，静不定方程中多余未知量的假定并不是任意的，符合岩土体的力学特性［4］。由表1还可以看出，降雨+地震工况下较天然状态下边坡稳定性系数偏小、滑动区域增大，这主要是因降雨改变了边坡体的力学性能而削弱了岩土体的强度参数，同时浸水、地震荷载使滑移面的剪应力增大，而地震扰动又是诱发边坡失稳的因素。因此，应加强对路堤帮坡的监测并采取有效的排水措施以保证、提高路堤帮坡稳定。

表2 极限平衡法路堤帮坡安全系数Tab.2 Safety factors embankment and slope obtained by limit equilibrium method

图3 MP法路堤北部帮坡稳定性计算结果(FS=1.206)Fig.3 Stability calculation results of north slope by MP(FS=1.206)

图4 MP法路堤南部帮坡稳定性计算结果(FS=1.185)Fig.4 Stability calculation results of south slope by MP(FS=1.185)

3 FLAC2D边坡稳定性分析

3.1 基本理论

有限差分强度折减考虑了岩土体的应力-应变关系，可反映真实的应力应变情况以及边坡破坏的渐变过程，通过岩土体参数的不断折减达到临界破坏状态求得边坡的安全系数［5］。

Duncan(1996)指出边坡安全系数可以定义为使边坡刚好达到临界破坏状态时，对土的剪切强度进行折减的程度。强度折减即通过逐步减小抗剪强度指标，将c、φ值同时除以折减系数Fsr，得到一组新的强度指标c'、φ'，然后进行有限差分分析，通过不断改变折减系数进行试算直至边坡达到极限状态发生剪切破坏，此时采用的强度指标与岩土体原来具有的强度指标之比即为该边坡的安全系数 Fs［6～7］。公式如下:

3.2 建立几何模型

根据路堤设计横剖面图，对其进行简化处理抽象出模型，将模型进行网格划分，考虑到实际边坡在无限延伸的，要继续模拟堤坝边坡稳定性，所以对边坡进行两端加长和底部加厚处理而最终得到的模型，对实际边坡进行等比例缩小，建立网格，可得到模型边坡网格划分，见图5。

图5 路堤模型边坡网格划分图Fig.5 Slope mesh generation chart of embankment model

3.3 FLAC强度折减计算结果

降雨地震下路堤帮坡剪应变率等值线图和速度矢量图见图6、图7、图8、图9。剪应变率等值线表示剪切破坏面，即是边坡变形潜在滑坡破坏面的位置。通过FLAC2D进行验算后，路堤南北部最危险滑动面分别发生在坡顶和内部，安全系数在天然、天然+地震、降雨、降雨+地震下均大于规程规定的边坡稳定系数1．15(见表3)，目前处于稳定状态。

图6 路堤南部帮坡剖面剪应变率等值线云图(FS=1.17)Fig.6 Isoline cloud chart of shear strain rate of south slope profile(FS=1.17)

图7 路堤南部帮坡剖面速度矢量图Fig.7 Velocity vector diagram of south slope profile

图8 路堤北部帮坡剖面剪应变率等值线云图(FS=1.19)Fig.8 Isoline cloud chart of shear strain rate of north slope profile(FS=1.19)

图9 路堤北部帮坡剖面速度矢量图Fig.9 Velocity vector diagram of north slope profile

表3 FLAC强度折减法计算结果Tab.3 Calculation results obtained by FLAC strength reduction method

4 结 语

2种不同计算方法各工况的安全系数对比见表4。

表4 不同计算方法路堤帮坡安全系数对比表Tab.4 Comparison of safety factors of embankment slope obtained by different methods

续表4

由表4看出基于静力平衡原理的极限平衡法和考虑应力-应变关系的Flac2D强度折减法计算的路堤帮坡在不同工况下最危险滑移面位置非常接近，安全系数相差很小，2种方法不仅相互验证相互补充，而且从工程熟悉的安全系数和边坡岩土体应力应变角度进行了路堤帮坡稳定综合分析，为路堤设计提供了理论支撑，更好地指导现场路堤设计、施工［8-9］。

根据《GB 50421-2007有色金属矿山排土场设计规范》［10］，排土场边坡稳定系数FS取值宜取1．15～1．3，结合被保护对象的等级确定，当被保护对象为失事后使村镇遭受严重灾害时，FS取1．3;当被保护对象为失事后不致造成人员伤亡或者造成经济损失不大的次要建构筑物时，FS取1．2;当被保护对象为失事后损失轻微时，FS取1．15。考虑该路堤帮坡的特点及与周边环境关系，该路堤帮坡安全系数＞1．15即为稳定的。通过Slide极限平衡法和FLAC强度折减法综合分析得出:该路堤帮坡最不利工况条件下安全系数 FS为1．17，＞1．15，说明路堤是稳定的，设计参数合理，但同时应注意以下问题。

(1)运用Slide和FlAC 2D对路堤帮坡进行了荷载作用下不同工况的稳定性分析表明，路堤帮坡安全系数［FS］＞1．15处于稳定状态，路堤北帮最危险滑移区发生在中部，而南帮最危险滑移区发生在坡顶处;当车辆荷载增加时边坡顶部沉降量增加，使得帮坡面滑移区存在贯通趋势，恶化帮坡的整体稳定，必须严格控制路堤顶部车辆荷载。

(2)降雨+地震下安全系数明显降低，因此，应完善路堤内、外部排水设施，有效疏排大气降水。

(3)在堆排过程中应按设计要求碾压，增大路堤粘聚力进而提高边坡整体稳定，并对路堤南帮坡顶处及北帮中部地段进行位移、沉降监测，以便及时预报可能出现的滑坡等灾害。

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