降雨入渗条件下大型排土场边坡稳定性分析*

2024-02-26任军蔡君陈良

采矿技术 2024年1期

任军,蔡君,陈良

(凉山矿业股份有限公司,四川凉山彝族自治州 615000)

0 引言

露天开采是矿产资源开采的一种主要方法,我国露天开采铁矿石产量约占铁矿石总产量的77%,有色金属占52%左右,化工矿物占70.7%左右,煤矿一直低于4%,而建筑材料近100%。排土场作为露天开采的基本工序之一,是矿山剥离废石所堆砌的场所,常位于沟谷或山坡。受降雨或地表水的浸润作用,排土场内土岩混合体的抗剪强度降低,易发生边坡失稳破坏[1-3]。降雨量、降雨时长与降雨强度等对岩土边坡的稳定性有显著影响[4-5]。

目前,关于降雨入渗下排土场稳定性分析已经取得了一系列成果,朱永东等[6]通过室内相似材料试验与数值模拟方法研究了降雨条件下排土场稳定性,揭示了降雨入渗下排土场浅层滑坡的破坏特征。洪振宇等[7-8]采用数值模拟方法研究了降雨及降雨-地震耦合工况下排土场的渗流特征与安全系数时变特征,对排土场的稳定性进行了评价。曹博等[9]在室内三轴蠕变试验与地表沉降监测的基础上确定了相应岩土体蠕变参数,结合数值模拟建立了排土场沉降蠕变理论模型。张文飞等[10]基于Biot固结理论构建了和尚桥铁矿内排土场边坡数值模型,研究分析了降雨强度及时长对边坡孔隙水压力的影响,确定了降雨入渗下渗流规律及稳定特征。田光等[11]分析了排土场地下水压力分布对边坡稳定性的影响机理,并借助数值模拟方法研究了不同孔隙水压力分布下的排土场稳定性差异及安全系数变化规律。

基于此,本文以某大型排土场为工程背景,通过室内渗透试验与土-岩散体直剪试验获取岩土堆积体渗透系数以及抗剪强度。借助有限元软件,采用应力-渗流-边坡耦合模拟分析该排土场边坡在最大降雨量为360 mm/d,降雨时长分别为6 h、12 h、18 h与24 h条件下的渗流场分布规律及其稳定性,研究成果可为类似排土场的边坡稳定性评价提供参考。

1 工程概况与等级划分

1.1 工程概况

该矿山排土场位于露天采场西南侧,目前排土区域占地面积约为0.81 km2。根据矿区资料可知,场区属中山构造剥蚀地貌,斜坡地形,地势相对较高,属干旱-半干旱区,年平均降雨量为1314.4 mm,场区未见有地表水分布,雨季时可能形成暂时性流水,对场区有一定影响。降雨强度历史最大值为12 h降雨量177 mm。区域目前地形呈斜坡状,前缘坡脚高程为1340 m,后缘平台高程约为2070 m,相对高差达730 m。排土场原始地形为斜坡,斜坡下方为冲沟,场地东北高西南低,原始地形坡度为15°～25°。排土场现堆积体四周界线较明显,平面上呈“扇形”,排土场规模较大,属于典型大型边坡,如图1所示。

图1 排土场平面与剖面

1.2 等级划分

根据《有色金属矿山排土场设计标准》(GB 50421—2018)第3.3条有以下规定。

(1) 排土场等级分级应根据单个排土场总容积和堆置高度按照表1的规定划分为4个等级。

表1 排土场等级分级

(2) 当排土场场区条件有下列情况之一时,排土场的等级应提高一级:

a.排土场地基原地面坡度大于24°;

b.排土场基底存在工程地质、水文地质不良地段。

(3) 剥离物有下列情况之一时,排土场的等级应确定为一级:

a.剥离物遇水软化或剥离物含泥率大,排水不良,稳定性较差且具备形成泥石流的条件;

b.剥离物的溶出物具有危险、有害特性。

该排土场设计库容约为10 675万m3,排土场高度为735 m。目前堆置高度约为730 m,整体坡面角最大为27°。因此,确定该排土场等级为一级。

2 散体力学参数确定

本次主要开展了土-岩散体室内渗透试验与直剪试验。土-岩散体渗透系数由渗透试验确定,该试验以达西定律为理论依据,根据被测土样的不同,分为常水头和变水头试验,常水头适用于粗粒土,变水头适用于细粒土。该排土场土-岩散体为粗粒土,因此,本次室内渗透试验采用常水头试验。

土-岩散体抗剪强度是指土-岩散体抵抗剪切破坏时的能力,是土-岩散体的重要力学性质之一。本次土-岩散体直剪试验采用ZY50-5型直剪压缩两用仪。试验时通过液压泵对样品施加不同的垂直压力,并保持上剪切盒不动。随后通过水平加荷支座拖动下剪切盒移动,进而对土-岩散体施加水平荷载,最终求得土-岩散体抗剪强度。

通过渗透试验与直剪试验测定,分别获取了该大型排土场土-岩散体渗透系数、散体内摩擦角以及黏聚力,具体见表2。

表2 土-岩散体力学参数

3 数值模型构建

3.1 降雨工况

根据矿区资料可知,该地区属亚热带干燥型盆地气候,具有夏季长、气温日变化大、四季分明、气候温和、多风等特点。年平均气温为14.3℃,最高气温达35.7℃,最低气温为-3.8℃,年平均降雨量为1314.4 mm。雨量多集中在5～10 月,年蒸发量为1800～2300 mm,降雨强度历史最大值为12 h降雨量177 mm。基于此,本次降雨工况设置最大降雨量为360 mm/d,降雨时长分别为6 h、12 h、18 h与24 h。

3.2 模型建立

根据图1(b)中的典型剖面构建数值模型,如图2所示,模型自上至下分别对应该排土场剖面的堆积体、强风化灰岩以及中等风化灰岩。模型共计3506个单元,3796个节点。

图2 排土场数值模型

本次研究中采用固定约束边界,固定模型左右两侧、底部x、y方向和z方向,模型上部边界不固定,作为模型的降雨边界。

3.3 力学参数

该大型排土场的土-岩散体力学参数由室内试验及地质资料中获取,见表2。

4 结果分析

4.1 孔隙水压力分布

采用应力-渗流-边坡耦合模拟分析可获得不同降雨时长下排土场边坡渗流场分布规律。由于篇幅限制,本文只展示了降雨0、12 h、24 h时段下排土场边坡孔隙水压力的分布特征,如图3 所示。由图3可知,孔隙水压力随边坡深度呈线性分布。在降雨开始时,边坡表层土体最先受到影响,土体负孔隙水压力随着降雨时长不断增大,随着降雨的继续进行,直至24 h时,表层土体的孔隙水压力由-680 kPa变化至-416 kPa。这是由于雨水不断渗入土-岩散体孔隙中,改变了散体的孔隙水压力,进而对排土场边坡渗流场产生了较为明显的影响。

图3 孔隙水压力分布特征

4.2 地下水位分布

降雨0、12 h、24 h时段下该排土场边坡地下水位分布特征如图4所示。由图4可知,持续降雨在一定程度上改变了排土场边坡内部渗流场,随着降雨时长的增加,地下水位有随之抬升的趋势,而地下水位的抬升将对排土场边坡稳定性产生不利影响。

图4 地下水分布特征

4.3 安全系数变化特征

图5 为降雨24 h 下的排土场边坡滑面区域。由图5可知,排土场边坡在降雨入渗影响下,排土场滑面区域形态主要为圆弧滑动。除了局部区域有沿地基软岩层滑动外,主要沿堆排体和基岩接触面发生滑动,其滑动对象为堆积体与强风化岩层,尤其以堆积体为主。

图5 排土场边坡滑面区域

采用应力-渗流-边坡耦合模拟分析可计算获得不同降雨时长下排土场边坡安全系数,在最大降雨量为360 mm/d,降雨时长分别为6 h、12 h、18 h与24 h条件下,该排土场边坡安全系数时程变化如图6所示。由图6可知,降雨开始0～12 h内,安全系数下降较为明显,这是由于雨水入渗至表层散体,引起散体抗剪强度降低,并且雨水的入渗使散体含水量增加,加大散体自重,导致边坡稳定性降低。而后在12～24 h内,受到表层岩土体入渗速率的限制,渗入岩土体深部的雨水有限,将会继续向深部缓慢渗透,因此,安全系数下降不明显且已趋于缓和。