王新巖，周漢民，崔 旋，蘇 軍

（北京礦冶研究總院，北京102600）

目前全國有5萬多座露天礦［1］，而排土場對一個大型礦山可達數(shù)億立方米，堆置高度可達200多米。一旦發(fā)生滑坡、泥石流等災(zāi)害將給人民生命財產(chǎn)安全造成重大損失。排土場是露天礦山開采時表層剝離廢石堆積而成的人工邊坡，因此其具備了區(qū)別于一般土質(zhì)邊坡的特征：采用自上而下的排廢過程使堆積物料粒度具明顯的分選性。其總體規(guī)律表現(xiàn)為：其粒徑塊度由上而下逐漸增大，總的趨向是小塊集中在上部，大塊在下部，中間部分各種塊度參差不齊，但以中等塊度居多在排土場穩(wěn)定性分析過程中，排土場堆積體的強度參數(shù)是邊坡穩(wěn)定性計算分析中一個至關(guān)重要的因素，而不同的粒徑組成是散體材料強度參數(shù)的主要影響因素。正是由于排土場的這一特性使得排土場散體強度參數(shù)的合理取值成為了困擾巖土工程界的難題。

為合理確定排土場物料參數(shù)，廣大科技工作者、工程技術(shù)人員進行了大量的研究［2－4］。翁厚洋等對粗粒料縮尺效應(yīng)研究后指出［5］：由于縮尺后試料級配與原級配不同，導致不同縮尺方法縮尺后的試料級配和密度也不同。所以，即使試驗條件相同，也會使試驗結(jié)果出現(xiàn)較大差異。王永博等［6－7］研究了某排土場大規(guī)?；碌脑蚝推茐哪Ｊ?，對滑帶土的力學參數(shù)進行了反演分析并進行了有限元計算，結(jié)果表明：該排土場處于暫時穩(wěn)定階段。反演計算以排土場的現(xiàn)場觀測信息為基礎(chǔ)，反算排土場物料物理力學參數(shù)，為計算排土場物料物理力學參數(shù)提供了有效手段。基于以往研究的基礎(chǔ)上，本文以某礦山排土場所存在的一個現(xiàn)狀臨界滑坡體為依托，采用參數(shù)反演方法驗算該礦山排土場物料綜合抗剪強度，從而為其邊坡穩(wěn)定性提供準確的計算參數(shù)。

1 工程背景

某礦山排土場位于廣東省境內(nèi)，地形屬嶺南中低山地，海拔標高300.00～1020.41m，山系呈南北走向，北高南低。排土采用汽車運輸，推土機排棄，單臺階排棄，排土高度約257m，屬于典型的山坡型高臺階排土場。其中，人工填土由采礦區(qū)廢石夾礫質(zhì)粉土和含礫粉質(zhì)粘土組成，結(jié)構(gòu)松散，滲透系數(shù)高。場區(qū)屬潮濕多雨亞熱帶氣候，地表水系發(fā)育，具山間溪河特點，水量變化幅度大。在降雨因素誘發(fā)下頂端前緣出現(xiàn)沿縱線基本貫通的裂縫，裂縫帶寬在幾厘米至十幾厘米不等，如圖1，該邊坡處于臨界狀態(tài)，亟待開展相關(guān)研究及治理措施。本文以此臨界失穩(wěn)狀態(tài)滑坡體為依托，反演分析計算排土物料綜合參數(shù)，為后續(xù)展開治理工作提供依據(jù)。物料分區(qū)自上而下依次為：排土物料、沖積層和基巖，物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 計算基本參數(shù)

圖1 排土場裂縫

2 參數(shù)反演分析方法

2.1 反演狀態(tài)的確定

反演狀態(tài)的確定［9］與形成該狀態(tài)的荷載條件、計算邊界及穩(wěn)定評價指標等有關(guān)。滑坡周邊無地表水系，滑坡內(nèi)地下水主要由后緣基巖裂隙水及降水補給。由于土體內(nèi)裂隙極其發(fā)育，結(jié)構(gòu)破碎程度很高，透水性很強，大氣降雨相當一部分將直接滲入第四系松散層，滑體內(nèi)地下水位的升高將增大滑體的下滑力、降低土體的抗剪強度，進而誘發(fā)滑坡，因此，可以認為，如滑坡區(qū)遭遇長久降雨過程，會使滑坡體內(nèi)地下水位升高，使滑坡處于復活狀態(tài)。本文以此狀態(tài)作為反演分析的計算狀態(tài)，選取臨界狀態(tài)剖面建立計算模型如圖2。

圖2 計算基本模型

依據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果：該礦山排土場邊坡后部有明顯的沿橫向貫通的裂縫，且裂縫寬度較寬，但邊坡尚未出現(xiàn)較大規(guī)模的位移變化；參照專著《滑坡分析與防治》中各類型滑坡在不同發(fā)育階段的安全系數(shù)推薦值（見表2），可得：該排土場正處于蠕動擠壓狀態(tài)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)約為1.01～1.05，為偏于安全考慮，反演分析計算過程中的安全系數(shù)取為1.00。

表2 滑坡不同發(fā)育階段的穩(wěn)定系數(shù)

2.2 反演的基本路線

邊坡反演就是先根據(jù)確定的邊界條件和特定工況狀態(tài)下的穩(wěn)定狀態(tài)評估指標建立數(shù)學模型，然后利用此模型反演邊坡土體的計算參數(shù)c，φ值。本文基于剛體極限平衡法的排土場邊坡抗剪參數(shù)反演分析步驟可概括如下。①通過對某礦山排土場邊坡臨界失穩(wěn)狀態(tài)進行評判，確定該邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.00，從而建立了反分析的基本模型。②基于SEEP軟件確定該礦山排土場的飽和非飽和滲流場。③在飽和非飽和滲流場的基礎(chǔ)上，利用基本模型，基于SLOPE軟件并對邊坡潛在滑動面值不斷變化條件下的安全系數(shù)進行計算。假定為邊坡潛在滑動面勘察資料推薦粘聚力最小值，為邊坡潛在滑動面勘察資料推薦最大值，則潛在滑動面凝聚力值在C＝（10，40）kPa之間取值。與之相似，潛在滑動面內(nèi)摩擦角值則在φ＝（20°，40°）之間取值。④求出在二維空間中的每一個所對應(yīng)的安全系數(shù)，并作出曲線。將分析邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)所確定的安全系數(shù)作為縱坐標畫水平線，水平線與曲線的交點所對應(yīng)的即為該剖面滑帶上抗剪強度參數(shù)可能值。

3 參數(shù)反演計算分析

本文中參數(shù)反演工作主要借助GEOSTUDIO軟件來實現(xiàn)。首先，基于SEEP軟件計算該排土場因降雨導致地下水位抬升的邊坡滲流場，并在此基礎(chǔ)上利用SLOPE軟件中多次重復計算現(xiàn)狀排土場邊坡的安全系數(shù)，從中選取邊坡安全系數(shù)為1.00的算例并結(jié)合工程實際狀況進行對比分析，從中選出反演參數(shù)最優(yōu)解。排土物料參數(shù)反演范圍為：C值范圍為（10，40）kPa，φ值范圍為（20°，40°）。

依照確定的反演路線，計算各個內(nèi)摩擦角及粘聚力組合所對應(yīng)的的邊坡安全系數(shù)，匯總?cè)鐖D3～圖5所示。

圖3 安全系數(shù)小于1.0的參數(shù)組合

圖4 安全系數(shù)大于1.0的參數(shù)組合

圖5 不同內(nèi)摩擦角與粘聚力變化時的安全系數(shù)（φ＝30～35°）

從圖3、圖4中可以看出：當φ≤29°時，在給定范圍內(nèi)的粘聚力變動，排土場邊坡安全系數(shù)均遠小于1.0；當φ≥36°時，給定范圍內(nèi)的粘聚力變動，排土場邊坡安全系數(shù)則遠大于1.0，均不滿足邊坡現(xiàn)狀工況；在某礦山排土場現(xiàn)狀堆積情況下（坡度、堆載高度），原先確定的內(nèi)摩擦角反演范圍（20°，40°）較大，可進一步確定縮小至［30°，35°］之間。

圖5為內(nèi)摩擦角縮小區(qū)間內(nèi)［30°，35°］，單個內(nèi)摩擦角下對應(yīng)于不同粘聚力變化情況下時的邊坡安全系數(shù)變化曲線。結(jié)合圖分析可得：①隨著粘聚力的增大，邊坡安全系數(shù)呈緩慢增大的趨勢；②由Morgenstern－price、Ordinary、Bishop等多種方法所計算出的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律一致，且數(shù)值相差不大；③同Morgenstern－price相比，由Janbu法計算出的邊坡安全系數(shù)偏小，其原因在于力的平衡條件對條間剪力敏感，而簡化Janbu法忽略了土條間的剪力；由Bishop法計算出的邊坡安全系數(shù)相比Morgenstern－price法來言則略微偏大，其原因則在于Bishop法僅考慮了力矩的平衡，而力矩安全系數(shù)對條間力則并不敏感。

4 參數(shù)反演計算結(jié)果

該排土場臨界失穩(wěn)狀態(tài)邊坡安全系數(shù)約為1.0，將對應(yīng)內(nèi)摩擦角區(qū)間內(nèi)［30°，35°］Morgensternprice反演出安全系數(shù)結(jié)果依次提取，從中選取安全系數(shù)為1.0的c，φ值組合，匯總?cè)绫?所示。

表3 安全系數(shù)約為1.0的抗剪參數(shù)組合

將各c，φ組合描點連線如圖6所示。從圖6中可以看出：對應(yīng)于安全系數(shù)為1.0的抗剪參數(shù)組合近似呈線性變化，內(nèi)摩擦角變動較粘聚力來言對安全系數(shù)結(jié)果影響較大；該擬合直線的公式見下式。

y＝－3.59x＋145.84（30≤x≤35）

圖6 粘聚力與內(nèi)摩擦角對應(yīng)關(guān)系曲線

基于以上反演結(jié)果，該礦山排土場物料綜合抗剪參數(shù)綜合值可能為該擬合直線上一點；考慮到排土物料為松散堆積體，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗，根據(jù)反演計算結(jié)果分析推測：該礦山排土物料粘聚力c＝20kPa，內(nèi)摩擦角φ＝35°。

5 結(jié)論

1）本文以某礦山排土場所出現(xiàn)的臨界滑坡體為依托，確定反演路線，計算多參數(shù)組合下排土場邊坡安全系數(shù)，從中選取綜合抗剪參數(shù)最優(yōu)解，確定出該排土物料抗剪參數(shù)為粘聚力c＝20kPa，內(nèi)摩擦角φ＝35°。

2）由反演分析確定的抗剪強度為排土物料整體的綜合抗剪強度，該方法忽略了物料不均勻性的影響，所得參數(shù)具有良好的工程適用性。

3）反分析得到的滑帶土c，φ值與臨界狀態(tài)的滑坡體賦存條件相對應(yīng)，在其他工況分析設(shè)計時，反演分析的臨界狀態(tài)會有所不同，因此參數(shù)值應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗及工程類比結(jié)果進行折減。

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