堆载位置对排土场边坡稳定性影响的模拟研究

吕 琳,李晨雁,张永才,张训龙,李 平

(1.中冀建勘集团有限公司,河北 石家庄 050200;2.中冀建勘集团(海南)有限公司,海南 海口 571000)

0 前言

排土场作为矿山开采过程产生废石的堆放设施,对矿山的安全生产运营均有至关重要的影响。因此对排土场边坡的稳定性研究一直是矿山管理的重要参考依据。国内外学者对矿山排土场的稳定性研究开展了大量研究工作,黄建君等[1]利用极限平衡法在有限差分程序FLAC2D中对云南某铅锌矿排土场设计在天然、地震、降雨3种工况下的稳定性进行计算。研究表明该设计在三种工况下均能满足规范要求。谌模洋等[2]通过野外调查、工程钻探结合原位测试等野外工作方法调查了广东省某露天排土场高边坡的分布情况、分析了变形机制,并对其稳定性进行分析,为排土场高边坡治理提供了工程地质依据。黄敏等[3-4]在勘察排土场边坡工程地质条件和统计岩土物理力学性质的基础上,运用数值模拟软件FLAC3D研究了边坡的稳定性。研究表明数值模拟过程中最大不平衡力最终收敛、监测点位移值逐渐稳定,模型,塑性区分布状况和计算得出的安全系数都表现出了边坡的整体稳定状态。魏朝爽等[5]针对云南某矿山排土场,运用FLAC3D非线性数值模拟进行边坡参数优化研究。结果表明排土场加高三个台阶(60 m)的状态下将使整个边坡置于极限平衡状态,此时因采取削坡等措施增强边坡稳定性。肖红菊等[6-7]排土场边坡在降雨入渗条件下的三维稳定性,结果表明降雨使边坡土体含水量增高,抗剪强度降低,同时稳定性也逐渐降低。耿清友等[8]用于Geostudio分析了排土场边坡在不同地震烈度条件下的稳定性,研究表明地震峰值加速度与边坡屈服加速度的关系对稳定性具有重要影响,当峰值加速度大于边坡屈服加速度时,边坡稳定性会大幅降低。

以上研究现状可知:针对排土场边坡的稳定性研究成果较多,降雨、地震均会对边坡的稳定性产生重大影响,然而,尚未见到坡顶荷载对排土场边坡稳定性的影响。本文以西藏某铅锌矿排土场为研究对象,通过有限差分软件FLAC3D进行数值模拟,研究3种不同荷载条件下边坡安全系数和塑性变形特征等的变化,为矿山建设提供依据。

1 工程概况

西藏某铅锌矿在平硐开采和露天开采的过程中产生了大量围岩废石,部分碎石堆放于采场附近3号堆场,堆场下基岩为二叠系中统洛巴堆组(P2l)火山晶屑凝灰岩,原始边坡坡度约26°。废石呈角砾状,最大粒径约500 mm,级配良好,泥质含量极低,为碎石土。废石堆放后形成的碎石土边坡剖面模型如图1所示,碎石土边坡坡顶宽23 m,长60 m,坡度约36°。各岩土层物理力学参数见表1。现公司管理层欲在坡顶修建板房以存放危险化学品和危害废弃物,计划堆放物质最大重量约3 000 t。现通过在坡顶内侧、中部、外侧施加均布荷载以模拟物质堆放,已知板房宽度为5 m,通过计算得知,施加均布荷载大小为100 Kpa。故在模拟过程中分别在坡顶内侧、中部、外侧5 m范围内施加均布荷载,探究各工况对边坡变形和稳定性的影响。

图1 剖面工程模型

表1 各岩土层物理力学参数

2 数值模型的建立

2.1 模型的建立

2.2 约束条件

从以往的模拟和工程实践经验来看,采取摩尔-库伦弹塑性本构模型来进行分析更为合理。模型边界采用位移约束,其中底部边界固定节点的的Z向位移,竖向边界固定节点的X和Y方向位移,坡顶和斜坡面均为自由边界。

2.3 计算方案

计算基岩初始地应力,加载碎石土层,计算整个边坡的稳定性,将节点位移和速度清零,然后依次计算在坡顶内侧、中部、外侧设计范围内施加均布荷载后的边坡状态,荷载大小为100 KPa。

3 结果分析

为了探究不同堆放位置对边坡变形和边坡稳定性的影响,设置将堆载施加在坡顶外侧、中部和内侧这三种工况。通过对三种工况的稳定性求解,计算并导出每种工况边坡的位移云图、塑性区分布图及边坡安全系数,计算结果见表2。图2绘制三种工况的X轴方向、Z方向位移云图与原始未施加堆载的边坡X轴方向、Z方向位移云图对照。图3绘制了三种工况下边坡塑性破坏区与原始边坡的塑性破坏区对比。最后通过对各工况坡顶节点位移统计绘制了图4所示的坡顶最大、最小位移变化图,通过对各工况边坡安全系数的统计绘制了安全系数变化图。

图2 各工况边坡位移对照图

图3 三种工况下坡顶水平和竖直位移变化

图4 各工况塑性区分布对照图

表2 模拟计算结果表

3.1 边坡位移分析

对照各种工况下边坡位移云图,如图2所示。其中图2(a)为边坡在水平方向的位移情况,图2(b)为边坡在竖直方向的位移情况,子图编号1、2、3分别对应堆载区位于坡顶内侧、中部、外侧的工况。从图2(a)中可知,工况1的边坡最大水平位移为1.16 mm,最大值出现在堆载区底部;工况2的边坡最大水平位移为7.757 mm,最大值出现在堆载区上游坡面;工况3的边坡最大水平位移为13.379 mm,最大值也出现在堆载区上游坡面。从图2(b)可知,工况1的边坡最大沉降量为5.532 mm;工况2的边坡最大沉降值为18.88 mm;工况3的边坡最大沉降值为36.676 mm。图3中虚线表示坡顶不同位置水平位移,实线表示竖直位移。可见坡顶位移以竖直方向为主,水平方向为辅,其中竖直方向位移最大值的增幅比水平方向更大。水平位移方向以X轴正向为主,竖直位移方向均向下。随着堆载区向边坡外侧移动,受荷载影响而发生水平位移和沉降的区域范围均逐渐扩大,沉降极值也进一步增大。

3.2 塑性区变化分析

图4展示了三种堆载工况和原始工况的塑性区分布情况,其中子图号为0的表示原始工况。各工况塑性区发育占比见表2。可以看到在原始工况下,剪切破坏区占整个模型的体积分数为8.53‰,拉张破坏区占比2.07‰;工况1条件下剪切破坏区占比3.96‰,比原始工况减小53.60%,拉张破坏区占比0.69‰,比原始工况减小66.59%;工况2条件下剪切破坏区占比17.27‰,比原始工况增大102.35%,拉张破坏区占比1.49‰,比原始工况减小28.35%;工况3条件下剪切破坏区占比21.25‰,比原始工况增大148.96%,拉张破坏区占比4.20‰,比原始工况增大102.42%;

3.3 边坡安全系数分析

由表2安全系数统计可知,原始边坡安全系数为1.613,当堆载位于坡顶内侧时安全系数为1.613,当堆载位于坡顶中部是安全系数为1.610,当堆载位于坡顶外侧时,安全系数为1.352。可见当堆载区位于坡顶中部向内侧区域时对边坡的安全系数影响较小,但若堆载区继续向外侧移动,将会使边坡安全系数发生较大变化,当继续移动到最外侧时的安全系数已接近规范中要求的边坡稳定安全系数1.3。

对坡顶位移、塑性区变化、和边坡安全系数分析可知:随着堆载位置从坡顶内侧向外侧移动,坡顶水平方向和竖直方向的最大位移值均逐渐增大,同时剪切破坏区和拉张破坏区也同步增大,但都未形成贯通性结构面。故三个堆载设计方案中下天然边坡都处于稳定状态。

4 结语

边坡安全对于矿山生产管理来说一直是一个常见但重要的问题,不良地质现象可能对矿山人员和财产安全造成威胁。本文依托西藏某铅锌矿危废和危固储存库修建计划,采用摩尔库伦破坏准则,在Flac3D中研究了储存库修建位置对排土场边坡的影响,得到以下结论:

(1)根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)分类,此边坡为二级永久边坡,一般工况下边坡稳定安全系数Fst为1.30。三种堆载工况下边坡安全系数Fs分别为1.352、1.61、1.613,故均满足边坡稳定要求,其中堆载位于坡顶内侧时的安全系数最大,因此建议将储存库修建于坡顶内侧。

(2)各工况下坡顶水平方向最大位移值依次为:1.16 mm、7.757 mm、13.379 mm,竖直方向最大位移值依次为:5.532 mm、18.88 mm、36.676 mm。

(3)各工况下剪切破坏区占比分别为3.96‰、17.27‰、21.25‰;拉张破坏区占比分别为0.69‰、1.49‰、4.20‰。与原始工况对比发现,工况1条件下发生塑性破坏的区域减小,而工况2、工况3会使塑性破坏区增大,但三种工况均未形成贯通性破坏面,不会发生边坡滑动破坏。