賈會(huì)會(huì)

(華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊(duì)，河北承德 067600)

基于 FLAC3D基底演化弱層排土場穩(wěn)定性分析研究

賈會(huì)會(huì)

(華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊(duì)，河北承德 067600)

基于MIDAS/GTS-FLAC3D自編轉(zhuǎn)換程序，構(gòu)建了排土場數(shù)值計(jì)算模型，研究了排土場基底演化為軟弱層時(shí)內(nèi)摩擦角與粘聚力對排土場變形失穩(wěn)發(fā)展趨勢的影響，指出礦山排土場在選址和堆放過程中要注意做好基底軟弱層的防水、坡比設(shè)計(jì)、加固處治等工作，防止排土場基底土層力學(xué)參數(shù)的弱化對排土場穩(wěn)定性造成的影響。

排土場，基底，穩(wěn)定性，F(xiàn)LAC3D

0 引言

排土場作為露天礦山剝離廢石土存放的場所，是露天礦山生產(chǎn)重要的永久性工程建筑之一，排土場在礦山整個(gè)生產(chǎn)時(shí)期以及閉坑后相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)能否長期保持安全運(yùn)行是礦山經(jīng)營管理者必須考慮的重大問題［1］。排土場運(yùn)行管理不善，將會(huì)造成排土場滑坡、泥石流、環(huán)境污染。目前對排土場穩(wěn)定性計(jì)算方法主要分為以下幾類，極限平衡分析法;數(shù)值計(jì)算法，如有限單元法、有限差分法;以及不確定性分析方法，如可靠度分析方法、模糊數(shù)學(xué)法和灰色預(yù)測系統(tǒng)法等［2-4］。許多學(xué)者基于上述方法對排土場的穩(wěn)定性分析進(jìn)行研究，得出很多寶貴的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)［5］。

影響排土場穩(wěn)定性的因素有很多，如:排土場設(shè)計(jì)不合理、排土場堆放不科學(xué)、排水設(shè)施不完善、管理不完善、地震作用、降雨入滲、排土體力學(xué)參數(shù)準(zhǔn)確性，排土工藝、臺階的設(shè)置等，由于排土場存放場所位置地形地貌的迥異，目前還沒有一部統(tǒng)一、完整、系統(tǒng)的排土場設(shè)計(jì)方法或規(guī)范可以遵循［6-8］，排土場邊坡失穩(wěn)的滑動(dòng)面主要為三種形式:1)沿基底接觸面的滑坡;2)排土體內(nèi)部的滑坡;3)排土體表層溜滑［9］。經(jīng)過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，關(guān)于排土場基底演化弱層對排土場失穩(wěn)變形規(guī)律的研究報(bào)道鮮見，本文以平泉縣金海利鐵礦石人洼溝排土場為工程背景，主要研究排土場基底逐漸演化為軟弱層時(shí)排土場失穩(wěn)變形規(guī)律，為同類的排土場設(shè)計(jì)、排放施工提供一定的技術(shù)參考。

1 排土場工程概況

1.1 排土場堆放形式

排土場堆置高度為894 m～806 m，干砌擋土墻頂部標(biāo)高815 m以上作為排土有效測算空間，排土場堆置894 m，總?cè)萘繛? 771.1 m3，排土場設(shè)計(jì)時(shí)采用分層覆蓋式堆置方式進(jìn)行排土，第1層堆置高度15 m，分層頂部堆置高度830 m，第2分層堆置高度30 m，堆置階段標(biāo)高860 m，第3分層堆置高度34 m，堆置階段標(biāo)高894 m。

1.2 排土場工程地質(zhì)條件

基于現(xiàn)場勘查結(jié)果和室內(nèi)巖樣物理力學(xué)參數(shù)，試驗(yàn)巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)巖土體物理力學(xué)參數(shù)

未堆放排土場原始地層結(jié)構(gòu):

1)粉質(zhì)粘土。黃褐色，無搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度和韌性中等，切面稍具光澤，含沙礫及碎石，可塑～硬塑，厚度變化1.5 m～4.0 m，局部分布于原始的地形溝谷內(nèi)。2)片麻巖?；摇岛稚[晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，巖體多呈土狀及碎塊狀，節(jié)理裂隙很發(fā)育，為強(qiáng)風(fēng)化層，厚度1.0 m～1.4 m;灰～暗褐色，隱晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，巖體多呈塊狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育，為中風(fēng)化層。

排土場物質(zhì)組成結(jié)構(gòu):1)上層排土，主要由顆粒較細(xì)的廢石渣組成，局部夾雜碎石塊，至排土場頂面起厚度約2.5 m。2)下層排土，主要由大塊石組成，塊石堆縫隙由細(xì)顆粒石渣，粉質(zhì)粘土充填。

2 數(shù)值計(jì)算模型構(gòu)建

利用MIDAS/GTS有限元軟件，構(gòu)建排土場三維幾何模型、將巖土層進(jìn)行劃分網(wǎng)格成組;然后采用MTALAB軟件編寫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，將分組網(wǎng)格導(dǎo)入FLAC3D中，然后進(jìn)行本構(gòu)模型、邊界條件設(shè)置、力學(xué)參數(shù)賦予等［10］(見圖1)。計(jì)算模型范圍:長×寬×高為540 m×160 m×150 m(x×y×z)，該模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，底面固定，模型上表面為自由邊界。模型中排土場部分采用四面體實(shí)體單元，其余部分采用五面楔形體單元和六面體單元，假定巖土體材料破壞符合Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。共劃分194 662個(gè)單元，67 471個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分圖

3 模擬分析方案

3.1 分析技術(shù)路線

為得到在正常運(yùn)行情況下，排土場的各區(qū)域穩(wěn)定性情況，進(jìn)行以下工況的計(jì)算分析:

1)構(gòu)建排土場三維數(shù)值計(jì)算模型，進(jìn)行未排土前的初始應(yīng)力場平衡計(jì)算，并將位移清零。此處僅考慮巖土體自重引起的初始應(yīng)力。2)根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、鉆探和物探等資料確定排土場范圍，進(jìn)行堆土后的排土場邊坡應(yīng)力變形分析。3)在堆土后考慮降雨工況下排土體基底土體參數(shù)弱化，進(jìn)行力學(xué)參數(shù)弱化對排土體的穩(wěn)定性影響。

3.2 位移監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置

為分析排土體變形特征，在排土體內(nèi)設(shè)置5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)布置見圖2。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 位移曲線分析

圖3 粘聚力—位移曲線圖

圖4 內(nèi)摩擦角—位移曲線圖

從圖3，圖4可以看出，隨著粘聚力與內(nèi)摩擦角增大，監(jiān)測點(diǎn)位移值減小;隨著基底土層粘聚力的減小，基底坡比較陡處監(jiān)測點(diǎn)位移值較基底坡比較緩處監(jiān)測點(diǎn)位移值遞減速率較快;隨著基底土層內(nèi)摩擦角的減小，基底坡比較陡段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處(即監(jiān)測點(diǎn)3、監(jiān)測點(diǎn)5處)位移較其他監(jiān)測點(diǎn)的位移大，坡比較陡處(監(jiān)測點(diǎn)4)位移值較坡比較緩處(監(jiān)測點(diǎn)2、監(jiān)測點(diǎn)1)的位移小;從而說明排土場基底土層的內(nèi)摩擦角和粘聚力值的弱化對排土體的變性失穩(wěn)有影響，同時(shí)受排土體土層基底的坡比影響。

4.2 破壞場分析

從圖5，圖6可以看出，隨著基底接觸面層內(nèi)摩擦角的減小，接觸面處破壞單元數(shù)量增加并且在基底坡比較大處破壞單元逐漸向平臺表面發(fā)展，當(dāng)剪切破壞單元貫通將會(huì)造成排土體沿基底接觸面滑動(dòng)失穩(wěn)。

圖5 內(nèi)摩擦角20°時(shí)破壞場圖

圖6 內(nèi)摩擦角17°時(shí)破壞場圖

從圖7，圖8可以看出，隨著基底接觸面層粘聚力的減小，接觸面處破壞單元數(shù)量增加并且在基底坡比較大處破壞單元逐漸擴(kuò)展到平臺表面，當(dāng)粘聚力為15 kPa時(shí)剪切破壞單元貫通將會(huì)造成排土體沿基底接觸面滑動(dòng)失穩(wěn)。

圖7 粘聚力30 kPa時(shí)破壞場圖

圖8 粘聚力15 kPa時(shí)破壞場圖

5 結(jié)語

1)排土體變形量隨著基底土層內(nèi)摩擦角與粘聚力的減小而增大，粘聚力的弱化較內(nèi)摩擦角的弱化對排土體的變形失穩(wěn)影響更顯著。2)排土場排土體的穩(wěn)定性隨著內(nèi)摩擦角和粘聚力的弱化而變性失穩(wěn)趨勢受到排土體基底土層坡比大小的影響。3)排土體剪切應(yīng)變率隨著排土場基底土層內(nèi)摩擦角和粘聚力的增大而減小，剪切弧度隨著內(nèi)摩擦角增大而減小;在排土場基底坡比較大處，更容易沿表層排土體剪切貫通破壞失穩(wěn)。4)隨著基底接觸面層粘聚力的減小，接觸面處破壞單元數(shù)量增加并且在基底坡比較大處破壞單元逐漸擴(kuò)展向排土體平臺表面擴(kuò)展從而形成排土體的剪切貫通破壞失穩(wěn)。

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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，F(xiàn)LAC3D

TU413.62

:A

1009-6825(2016)36-0069-03

2016-10-13

賈會(huì)會(huì)(1983-)，男，碩士，工程師