不同降雨工况对排土场安全性影响规律研究

周忠良 连民杰 孙世国

(1.中钢矿业开发有限公司,北京 100080;2.北方工业大学土木工程学院,北京 100144)

排土场是露天矿山生产中的重要设施之一,也是重要危险源[1]。排土场遍布全国各地,数量多、危险性大,由于排土场属于松散体[2],滑坡是排土场的主要破坏形式之一,也是排土场的主要事故类型,而雨水又是诱发排土场滑坡的主要因素之一,因此研究不同降雨工况对排土场安全影响规律,分析边坡稳定性,对避免或减少灾害的发生、保障排土场安全稳定运行、减少经济损失等均具有重要意义。目前对排土场的稳定性研究主要考虑自然工况、降雨工况和地震工况三种情况[3-6],对降雨工况都只分析强降雨对排土场稳定性影响[7-8],没有研究其他降雨类型对排土场稳定性影响规律 。本文以某冶金矿山排土场为研究对象,对不同降雨工况下边坡岩体不同空间位置的应力应变演化特点及其对边坡稳定性影响规律进行研究,以便为安全防护提供决策依据。

1 排土场基本情况

1.1 排土场现状

某排土场位于唐山市迁安地区,目前总体堆置高度超过180 m,其中下部第一级台阶堆置高度为45 m(见图1),等级为一等,随着露天开采排土场堆置高度不断增大,排土多为松散体极易在遭受雨水冲刷后而破坏,在排土场下方有居民区及各类市政设施等,因此排土场边坡必须安全,不允许产生破坏性滑坡。

图1 排土场平面图Fig.1 Plan of waste dump

1.2 排土场工程概况

第四系人工堆积层分布在排土场大部分区域,灰色、肉红色、干,主要由岩石碎块、砂、黏土混合组成。岩石碎块粒径大小不一,主要成分为片麻岩、长石石英砂岩、磁铁石英岩等。结构松散,孔隙较大,透水性较好,为强透水层。

第四系残坡积、冲洪积土主要分布在排土场外围西北侧和南侧,排土场内部沟谷部位有少量薄层第四系残坡积土,厚度1 ～2 m。红褐色,湿—稍湿,密实,主要由碎石、黏土等组成。碎石成分主要为砾岩、各种片麻岩等,碎石粒径一般20 ～40 mm,黏土充填。物理力学性质指标见表1。

表1 排土场岩石物理力学性质指标Table 1 Physical and mechanical property index of rock in waste dump

2 不同降雨工况对排土场安全稳定性影响规律

2.1 不同降雨工况下排土场应力、应变分析

选取排土场典型剖面B-B'(见图1),并根据排土场边坡的实际尺寸简化地质坡面模型如图2 所示。

图2 简化后排土场剖面B-B'地质坡面图Fig.2 Simplified geological slope diagram of section B-B' of back row soil yard

根据数值模拟计算结果选取如图3 所示的5 条测线点分析其不同降雨工况下边坡应力及应变演化规律。测线Ⅰ～Ⅴ分别为平行边坡轮廓边界线的测线点,每条线的选取间距为5 m,对Ⅰ～Ⅴ测线点的应力应变演化规律进行分析。根据气象部门采用的24 h降雨量从小到大的等级划分,从低到高设置了小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨6 种降雨工况。

图3 土场边坡测线点选取Fig.3 Selection of measuring line points for soil slope

运用迈达斯数值模拟方法模拟不同降雨工况下的应力与应变情况,将所模拟的结果绘制成折线图,选取测线Ⅱ和测线Ⅴ进行对比分析(图4 ～图9),图4～图9 中1 为边坡轮廓线,2 为Ⅱ测线点,3 为Ⅴ测线点,4～9 分别对应小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨6 种降雨工况下的应力或应变曲线,10 为自然无雨工况下的应力或应变曲线。

图4 Ⅱ测线点水平应力随水平距离变化曲线Fig.4 Curves of horizontal stress change with horizontal distance at Ⅱ measuring line point

图5 Ⅱ测线点垂直应力随水平距离变化曲线Fig.5 Curves of vertical stress change with horizontal distance at Ⅱ measuring line point

图6 Ⅴ测线点水平应力随水平距离变化曲线Fig.6 Curves of horizontal stress change with horizontal distance at Ⅴ measuring line point

从图4～图7 综合对比发现,不同降雨工况下排土场浅层(Ⅱ测线点)在水平距离488 m 左右即第二坡的坡脚水平应力出现最大值,在水平距离414 m 和488 m 左右即第二坡的坡肩和坡脚出现2 个主要垂直应力峰值,而且降雨工况等级越高,水平应力和垂直应力越大,说明在此范围内易发生滑坡,特大暴雨时水平应力和垂直应力较大,故特大暴雨时排土场边坡相对更不稳定。当排土场坡面深度增加至20 m 时(Ⅴ测线点),不同降雨工况下排土场在水平距离414 m 左右即第二坡的坡肩开始随着距离增加在多个坡肩处和坡脚处出现水平应力和垂直应力峰值,在最下一个坡脚处水平应力和垂直应力有增大的趋势,因此第二坡坡肩易成为滑坡的入口处,最后一个坡脚位置易成为滑坡的出口处,形成第二坡坡肩向最下一个坡的深度滑坡,由于不同降雨工况对该测线点相应的应力变化影响不大,因此不同降雨工况不影响该滑坡规律,因此在深层(Ⅴ测线点)不论任何降雨工况,都应密切关注排土场从第二坡至最下一个坡的稳定性情况。

图7 Ⅴ测线点垂直应力随水平距离变化曲线Fig.7 Curves of vertical stress change with horizontal distance at Ⅴ measuring line point

对比图8 和图9 发现,不同降雨工况下排土场浅层(Ⅱ测线点)均是从水平距离414 m 左右开始垂直应变出现明显变化,降雨工况等级越高应变越大,并且有2 次应变急剧变化并达到波峰,分别位于第二个坡的坡肩处和坡脚处,当排土场坡面深度增加至20 m 时(Ⅴ测线点),不同降雨工况下垂直应变量相较于浅层垂直应变量均会减少,且都只有1 个峰值,位于第二个坡的坡肩处,但应变量也会随着降雨工况等级增加而变大,说明不同降雨工况与排土场产生应变位置的垂直应变量成正相关性,每种降雨工况下排土场产生应变位置的应变量与深度均是成逆相关性,不同降雨工况均可能导致第二坡在坡肩和坡脚处发生浅层滑坡,坡肩为滑坡入口,坡脚为滑坡出口,但是特大暴雨更易造成排土场边坡浅层滑坡。对于排土场边坡20 m 深处时,6 种不同降雨工况都只能造成第二坡的坡肩产生垂直应变,且应变量较小,因此相对更安全,发生深部滑坡的可能性较小。

图8 Ⅱ测线点垂直应变随水平距离变化曲线Fig.8 Curves of vertical strain change with horizontal distance at Ⅱ measuring line point

图9 Ⅴ测线点垂直应变随水平距离变化曲线Fig.9 Curves of vertical strain change with horizontal distance at Ⅴ measuring line point

2.2 不同降雨工况下排土场稳定性分析

根据《GB 51119—2015 冶金矿山排土场设计规范》,采用M-P 法、Bishop 法和Spencer 法3 种极限平衡法对不同降雨工况下的排土场局部和整体稳定性进行计算、分析。

2.2.1 小雨工况

在小雨工况下,用M-P 法、Bishop 法和Spencer法计算了排土场的安全系数,结果如下:① 发生局部滑坡时,计算所得安全系数均为1.14,在此工况下,3种稳定性计算结果相同;② 发生整体滑坡时,计算所得最大安全系数为2.05,最小安全系数为2.03,平均值为2.04。表2 和图10 分别列出小雨工况的计算模型、结果和安全系数。

表2 小雨工况边坡极限平衡法计算安全系数Table 2 Safety factors calculated by limit equilibrium method of slope under light rain condition

图10 小雨工况边坡极限平衡法计算模型及结果Fig.10 Calculation model and results of slope limit equilibrium method under light rain conditions

2.2.2 特大暴雨工况

在特大暴雨工况下,用M-P 法、Bishop 法和Spencer 法计算了边坡的安全系数,结果如下:① 发生局部滑坡时,计算所得最大安全系数为0.90,最小安全系数为0.89,平均值为0.90;② 发生整体滑坡时,计算所得最大安全系数为1.62,最小安全系数为1.61,平均值为1.61。图11 和表3 分别列出特大暴雨工况的计算模型、结果和安全系数。

表3 特大暴雨工况边坡极限平衡法计算安全系数Table 3 Safety factors calculated by limit equilibrium method of slope under extreme rainstorm condition

图11 特大暴雨工况边坡极限平衡法计算模型及结果Fig.11 Calculation model and results of slope limit equilibrium method under extreme rainstorm condition

为更好地反映排土场安全系数变化情况,将6 种降雨工况下计算得出的排土场安全系数数据绘于表4 中,并绘制成图12,与《GB 51119—2015 冶金矿山排土场设计规范》有关降雨工况下排土场整体安全稳定性标准进行对比分析(见表5)。

表4 安全系数计算汇总Table 4 Summary of safety factor calculation

表5 降雨工况下排土场安全稳定性标准Table 5 Standard for safety and stability of waste dump under rainfall conditions

图12 不同降雨工况局部和整体安全系数折线图Fig.12 Partial and overall safety factor broken line diagram under different rainfall conditions

从计算结果可看出M-P 法、Bishop 法和Spencer法3 种方法的计算所得的安全系数相差不大,相对来说M-P 法的安全系数较小于Bishop 法与Spencer 法,这3 种方法的计算结果相互验证,较客观地反映了排土场实际的稳定性,同时可以看出随着雨强的增大,这3 种计算方法所得的安全系数均呈逐渐减小的趋势。

从小雨工况开始,排土场的局部安全系数就开始降低,排土场局部已不满足安全稳定性标准,有局部滑坡的可能性,因此降雨前就应该采取有效措施防止排土场局部滑坡。从大雨工况开始到大暴雨工况阶段,排土场局部安全系数降幅速度与整体安全系数降幅速度趋于一致。从大暴雨阶段至特大暴雨阶段排土场局部安全系数降幅减缓,与整体安全系数在该阶段的降幅有所不同。

在任何降雨工况下,排土场整体安全系数都均满足要求,不会发生整体滑坡。从小雨工况开始到大雨工况阶段排土场整体稳定性系数没有太大变化,从暴雨工况开始排土场的整体安全系数有较为明显下降,尤其是特大暴雨工况安全系数较暴雨和大暴雨工况安全系数下降较多,虽然此时排土场整体安全稳定性系数仍然满足标准要求,但是从暴雨开始就应该采取有效措施,防止排土场的安全性降低较多,提高排土场的整体安全稳定性。

3 结 论

针对6 种不同降雨工况,通过数值模拟研究和极限平衡法评价,可以得到如下结论:

(1)不同降雨工况对排土场边坡体浅层产生不同应力影响,降雨等级越高应力变化越大,从而易产生局部滑坡破坏;但对于排土场边坡体深层而言不同工况降雨对其应力产生影响不大,主要是降雨的入渗没有达到该深度,故不会产生大面积滑坡。

(2)不同降雨工况对排土场的浅层变形影响大,对深层影响小,但对于同一深度坡面,降雨工况等级越高,应变量越大。

(3)同种降雨工况都是排土场的整体安全稳定性大于局部稳定性,总体变化规律是降雨工况等级越高,排土场的稳定性越差。

(4)不同降雨工况,不应单因素分析排土场的安全稳定性,应结合不同深度应力、应变情况和边坡稳定性系数综合考虑排土场的安全稳定性情况。

(5)对局部不稳定边坡应该采取必要的安全防护措施,避免其局部滑坡诱发坐落式滑坡破坏的风险。