基于 FLAC3D基底演化弱层排土场稳定性分析研究

贾会会

(华北地质勘查局五一四地质大队，河北承德 067600)

基于 FLAC3D基底演化弱层排土场稳定性分析研究

贾会会

(华北地质勘查局五一四地质大队，河北承德 067600)

基于MIDAS/GTS-FLAC3D自编转换程序，构建了排土场数值计算模型，研究了排土场基底演化为软弱层时内摩擦角与粘聚力对排土场变形失稳发展趋势的影响，指出矿山排土场在选址和堆放过程中要注意做好基底软弱层的防水、坡比设计、加固处治等工作，防止排土场基底土层力学参数的弱化对排土场稳定性造成的影响。

排土场，基底，稳定性，FLAC3D

0 引言

排土场作为露天矿山剥离废石土存放的场所，是露天矿山生产重要的永久性工程建筑之一，排土场在矿山整个生产时期以及闭坑后相当长时期内能否长期保持安全运行是矿山经营管理者必须考虑的重大问题［1］。排土场运行管理不善，将会造成排土场滑坡、泥石流、环境污染。目前对排土场稳定性计算方法主要分为以下几类，极限平衡分析法;数值计算法，如有限单元法、有限差分法;以及不确定性分析方法，如可靠度分析方法、模糊数学法和灰色预测系统法等［2-4］。许多学者基于上述方法对排土场的稳定性分析进行研究，得出很多宝贵的技术经验［5］。

影响排土场稳定性的因素有很多，如:排土场设计不合理、排土场堆放不科学、排水设施不完善、管理不完善、地震作用、降雨入渗、排土体力学参数准确性，排土工艺、台阶的设置等，由于排土场存放场所位置地形地貌的迥异，目前还没有一部统一、完整、系统的排土场设计方法或规范可以遵循［6-8］，排土场边坡失稳的滑动面主要为三种形式:1)沿基底接触面的滑坡;2)排土体内部的滑坡;3)排土体表层溜滑［9］。经过查阅文献发现，关于排土场基底演化弱层对排土场失稳变形规律的研究报道鲜见，本文以平泉县金海利铁矿石人洼沟排土场为工程背景，主要研究排土场基底逐渐演化为软弱层时排土场失稳变形规律，为同类的排土场设计、排放施工提供一定的技术参考。

1 排土场工程概况

1.1 排土场堆放形式

排土场堆置高度为894 m～806 m，干砌挡土墙顶部标高815 m以上作为排土有效测算空间，排土场堆置894 m，总容量为1 771.1 m3，排土场设计时采用分层覆盖式堆置方式进行排土，第1层堆置高度15 m，分层顶部堆置高度830 m，第2分层堆置高度30 m，堆置阶段标高860 m，第3分层堆置高度34 m，堆置阶段标高894 m。

1.2 排土场工程地质条件

基于现场勘查结果和室内岩样物理力学参数，试验岩土体物理力学参数见表1。

表1 室内实验岩土体物理力学参数

未堆放排土场原始地层结构:

1)粉质粘土。黄褐色，无摇振反应，干强度和韧性中等，切面稍具光泽，含沙砾及碎石，可塑～硬塑，厚度变化1.5 m～4.0 m，局部分布于原始的地形沟谷内。2)片麻岩。灰～暗褐色，隐晶结构，片麻状构造，岩体多呈土状及碎块状，节理裂隙很发育，为强风化层，厚度1.0 m～1.4 m;灰～暗褐色，隐晶结构，片麻状构造，岩体多呈块状，节理裂隙较发育，为中风化层。

排土场物质组成结构:1)上层排土，主要由颗粒较细的废石渣组成，局部夹杂碎石块，至排土场顶面起厚度约2.5 m。2)下层排土，主要由大块石组成，块石堆缝隙由细颗粒石渣，粉质粘土充填。

2 数值计算模型构建

利用MIDAS/GTS有限元软件，构建排土场三维几何模型、将岩土层进行划分网格成组;然后采用MTALAB软件编写数据转换程序，将分组网格导入FLAC3D中，然后进行本构模型、边界条件设置、力学参数赋予等［10］(见图1)。计算模型范围:长×宽×高为540 m×160 m×150 m(x×y×z)，该模型侧面限制水平移动，底面固定，模型上表面为自由边界。模型中排土场部分采用四面体实体单元，其余部分采用五面楔形体单元和六面体单元，假定岩土体材料破坏符合Mohr-Coulomb强度准则。共划分194 662个单元，67 471个节点。

图1 数值计算模型及网格划分图

3 模拟分析方案

3.1 分析技术路线

为得到在正常运行情况下，排土场的各区域稳定性情况，进行以下工况的计算分析:

1)构建排土场三维数值计算模型，进行未排土前的初始应力场平衡计算，并将位移清零。此处仅考虑岩土体自重引起的初始应力。2)根据现场调查、钻探和物探等资料确定排土场范围，进行堆土后的排土场边坡应力变形分析。3)在堆土后考虑降雨工况下排土体基底土体参数弱化，进行力学参数弱化对排土体的稳定性影响。

3.2 位移监测点的设置

为分析排土体变形特征，在排土体内设置5个监测点，监测点布置见图2。

图2 监测点布置图

4 计算结果分析

4.1 位移曲线分析

图3 粘聚力—位移曲线图

图4 内摩擦角—位移曲线图

从图3，图4可以看出，随着粘聚力与内摩擦角增大，监测点位移值减小;随着基底土层粘聚力的减小，基底坡比较陡处监测点位移值较基底坡比较缓处监测点位移值递减速率较快;随着基底土层内摩擦角的减小，基底坡比较陡段的转折点处(即监测点3、监测点5处)位移较其他监测点的位移大，坡比较陡处(监测点4)位移值较坡比较缓处(监测点2、监测点1)的位移小;从而说明排土场基底土层的内摩擦角和粘聚力值的弱化对排土体的变性失稳有影响，同时受排土体土层基底的坡比影响。

4.2 破坏场分析

从图5，图6可以看出，随着基底接触面层内摩擦角的减小，接触面处破坏单元数量增加并且在基底坡比较大处破坏单元逐渐向平台表面发展，当剪切破坏单元贯通将会造成排土体沿基底接触面滑动失稳。

图5 内摩擦角20°时破坏场图

图6 内摩擦角17°时破坏场图

从图7，图8可以看出，随着基底接触面层粘聚力的减小，接触面处破坏单元数量增加并且在基底坡比较大处破坏单元逐渐扩展到平台表面，当粘聚力为15 kPa时剪切破坏单元贯通将会造成排土体沿基底接触面滑动失稳。

图7 粘聚力30 kPa时破坏场图

图8 粘聚力15 kPa时破坏场图

5 结语

1)排土体变形量随着基底土层内摩擦角与粘聚力的减小而增大，粘聚力的弱化较内摩擦角的弱化对排土体的变形失稳影响更显著。2)排土场排土体的稳定性随着内摩擦角和粘聚力的弱化而变性失稳趋势受到排土体基底土层坡比大小的影响。3)排土体剪切应变率随着排土场基底土层内摩擦角和粘聚力的增大而减小，剪切弧度随着内摩擦角增大而减小;在排土场基底坡比较大处，更容易沿表层排土体剪切贯通破坏失稳。4)随着基底接触面层粘聚力的减小，接触面处破坏单元数量增加并且在基底坡比较大处破坏单元逐渐扩展向排土体平台表面扩展从而形成排土体的剪切贯通破坏失稳。

［1］曹雨军.露天矿山排土场灾害形成原因分析与对策［J］.中国矿业，2005，14(3):76-78.

［2］魏继红，吴继敏，孙少锐.FLAC3D在边坡稳定性分析中的应用［J］.勘察科学技术，2005(2):27-30.

［3］陈立云，刘大野，张嗣嗣.元宝山露天煤矿3#排土场工程地质条件与稳定性分析预测［J］.中国煤炭地质，2011，23(2): 32-37，41.

［4］黄 达，何兴江，裴向军，等.煤矿排土场边坡变形失稳特征FLAC3D模拟分析［J］.水文地质工程地质，2008(6):61-65.

［5］汪海滨，李小春，米子军，等.排土场空间效应及其稳定性评价方法研究［J］.岩石力学与工程学报，2011，30(10):2105-2111.

［6］青 蓉.排土场灾害形成原因与治理方法［J］.中国矿山工程，2005，34(1):48-51.

［7］周昌寿.露天煤矿内排土场的稳定性［J］.中国矿业大学学报，1992，21(1):28-33.

［8］石建勋，刘新荣，廖邵波，等.矿区排土场堆载对边坡稳定性影响的分析［J］.采矿与安全工程学报，2011，28(2):258-262.

［9］王 军，王宜军，樊学豹.露天矿铁路排土场的稳定性分析［J］.包钢科技，2010，36(3):7-10.

［10］王树仁，张海清，梁建平.露天采坑三维边坡稳定性分析及防治对策［J］.矿冶工程，2010，30(2):90-91.

The stability analysis of the evolution soft layer waste dump based on FLAC3D

Jia Huihui
(514 Brigade of North China Geological Exploration Bureau，Chengde 067600，China)

Based on MIDAS/GTS-FLAC3D，use self-compiled conversion program to build a numerical calculation model of waste dump.Studying the effect of internal friction angle and cohesive force to the deformation and instability development trend of waste dump when the waste dump base evolution is weak layer.Points out the selection and stacking of the waste dump should pay attention to the waterproof of basal weak layer，the gradient of the slope，and the reinforcement，and so on.To prevent the weaken mechanical parameters of the base soil of the waste dump to the the stability of waste dump.

waste dump，base，stability，FLAC3D

TU413.62

:A

1009-6825(2016)36-0069-03

2016-10-13

贾会会(1983-)，男，硕士，工程师